城市河道增大调蓄量装置设计与应用

林世巍

（营口市水利勘测建筑设计院，辽宁营口 115000）

近几年，我国众多大中国城市内涝灾害频繁发生，不仅造成了严重的经济损失，还对市民的出行和人身安全带来严重威胁[1]。如何提升城市的防汛能力，减少城市的内涝灾害是当前城市建设和管理中亟待解决的问题。城市河道是城市水系的重要组成部分，在不改变河道规模、不增加用地面积的前提下，增大河道的调蓄能力，对提升城市的防内涝能力具有重要作用。

1 技术背景

城市河道是城市水系的重要组成部分，担负着蓄积雨水、分流下渗、地下水补给、改善生态环境等诸多功能，在防止城市内涝方面可以起到重要作用[2]。但是在当下的城市建设中，由于不重视河道的水利和生态功能，肆意填埋现象比较普遍，水面积大幅减小，严重影响了河道的蓄滞洪功能，成为大中城市易发内涝的重要原因[3]。如何在城市发展和建设过程中，有效利用宝贵的河道水系，充分利用护岸增加雨水的调蓄量，就成为解决城市河道排水的重要研究方向。

针对上述分析，本文提出城市河道增大调蓄量装置技术，在不增加河道用地和不改变河道基本功能的前提下，增大河道对雨水的调蓄容量，减少和延迟暴雨径流，体现节能、环保、可持续的城市内涝治理理念。

2 技术内容

河道增大调蓄量装置的基本理念是由紧邻河道的进水口、蓄水箱体和水工逆止阀三部分组成。其中进水口的主要作用是进水滞洪，而水工逆止阀的主要作用是放空箱体[4]。该装置完全利用蓄水箱体与河道之间的水位差实现自动蓄水和放空，无需任何外部动力和人为操作，可以自动完成河道的蓄洪和排涝功能，具有安全可靠、便于安装、节省投资等技术优势，具有广泛的应用前景。

2.1 装置各构件的结构与功能

2.1.1 进水口

河道增大调蓄量装置的进水口截面为矩形，设置于蓄水箱体河道侧的墙体上部。进水口的大小需要按照当地的水文资料计算确定，其底部高程一般应低于河道设计最高水位50 cm，如果高度太高或太低，都不利于调节作用的发挥。为防止使用过程中有垃圾或其他漂浮物随水流进入蓄水箱体，在进水口的外侧设置拦污栅。

2.1.2 蓄水箱体

蓄水箱体是河道增大调蓄量装置的主要部分，设计采用钢筋混凝土空箱式结构，既是装置中雨水调节的主要空间，同时也作为河道护岸。因此，在设计上应该同时具备护岸和蓄水两种基本的功能需求。为充分发挥箱体的基本功能，应该在河口线一侧沿河岸线进行布设。鉴于一般城市的河道两侧均为软土地基，因此每隔15～20 m设置一道沉降缝，两个沉降缝之间为一节蓄水箱体，其具体结构见图1。考虑到箱体的强度设计需要，每节蓄水箱体可以沿河岸线方向进行分割，形成多个蓄水箱体，并在隔墙的底部设计联通孔，实现各个箱体的互联互通。单个箱体在靠近河道一侧的墙体上设置一个进水口，在底部设置若干排水逆止阀与河道相通。

图1 河道增大调蓄量装置平面图

蓄水箱体的顶面可以按照河岸原有用途和功能进行设计，可以设计为绿化带、防汛通道或亲水景观等。为了方便清淤和维修，在蓄水箱体的上方设置一个进人孔，为安全起见，在进人孔的上方按常规设计设置盖板。蓄水箱体的底板高程应低于河道设计最低水位20～50 cm，蓄水箱体内低于最低水位部分用于使用过程中的泥沙沉积，以免堵塞排水系统，具体结构设计见图2。此外，底板高程的设计还应该照顾到蓄水箱体的整体结构强度和稳定性。

图2 河道增大调蓄量装置平面图剖面图

2.1.3 水工逆止阀

水工逆止阀设置于蓄水箱体河道侧墙体的下部，其高程设计为河道的最低水位。水工逆止阀的个数要依据箱体的大小和当地的水文资料计算确定，一般情况可以设置1～3个。水工逆止阀的结构为球芯阀，其中的球芯为不锈钢制作的空心球体，其外径与圆形的漏斗阀门底座相匹配，一般可取进水管直径的1.42倍[5]。球芯中空部分的大小需要通过比重计算获得，其要求是比重比水略大，能够依靠自重和水压作用于阀门基座形成密封结构，切断河道水流倒灌，其结构和工作原理如图3所示。

2.2 运行原理

图3 水工逆止阀的结构和工作原理

河道增大调蓄量装置由进水口进水蓄积洪水，位于箱体底部的水工逆止阀用于放空箱体。该装置可以利用箱体与河道之间的水位差产生的压力实现自动运行，无需人为操作和任何外部动力支持，即可按照预先设定的水位进行河道洪水的调蓄。

当蓄水箱体完全放空或箱体内的水位低于河道水位时，球芯受河道水压作用使水工逆止阀处于关闭状态。当城市遭受暴雨袭击，河道水位不断上涨到接近设计高水位时，洪水水流会经过蓄水箱体上部的进水口进入蓄水箱体，直至箱体蓄满。显然，该装置在不增加河道用地和不改变河道与护岸功能的前提下，提供了可观的滞洪空间，可以有效提升城市的防内涝能力。

当暴雨过后，河流水位持续降低，当水位低于蓄水箱体内的水位时，球芯阀在箱体内部水压的作用下打开，蓄水箱体内的水会通过排水口持续流出，直至放空，为下次调蓄腾空箱体内的空间。

3 结构设计要点

3.1 新建护岸的结构设计

当城市河道采用此设计的增大调蓄装置时，调蓄装置与传统护岸相结合形成特殊的护岸结构形态。其结构形式由底板、侧墙和顶板以及部分隔墙形成的具有较大整体刚度的空箱式钢筋混凝土挡土构筑物。因此，在具体设计过程中，可以将该装置视为常规的空箱挡土墙展开地基计算，抗滑、抗浮、渗流稳定性计算以及结构强度和裂缝开展宽度验算[6]。由于箱体的体量较大，必须按照抗浮稳定性计算要求，在基本荷载条件下满足抗浮稳定性系数不小于1.10，在特殊荷载条件下满足抗浮稳定性系数不小于1.05。

3.1.1 构造要求

1）蓄水箱体的外墙沿建筑物的四周布置，内墙一般均匀布置即可。为保证箱体的整体结构强度，墙体的水平截面积不应小于基础底面面积的10%，箱体纵墙的配质量不应小于基础底面面积的12.5%。由于箱体的外墙需要同时承受水压力和土压力，还要有一定的防渗要求，因此厚度设计不应小于25 cm，内墙在上述方面的要求较低，一般设计厚度为20 cm即可。

2）蓄水箱体的顶板和底板通过纵墙和横墙连接在一起，因此，顶板也是基础结构的重要组成部分。顶板按照薄板的强度和稳定性的要求，在厚度设计上采取15～20 cm已经能够完全满足蓄水箱体功能设计需求[7]。而底板需要承受水体的压力，其厚度可以设计为40～50 cm，当然在具体的厚度选择上应该视箱体基底的反作用力大小以及跨度的大小而定。如果基底的地质状况不佳或跨度过大，也可以采用100 cm厚的底板。

3）蓄水箱体采用钢筋混凝土结构，其顶板和底板以及墙体内应设置双面双向的配筋设计，墙身的竖向钢筋一般不小于ϕ12@200，其他部位不宜小于ϕ10@200。顶板和底板由于受力较大，因此配筋不宜小于ϕ14@200，钢筋的搭接长度要满足钢筋受拉搭接长度的相关要求。

4）蓄水箱体的混凝土强度等级一般不低于C20。如果箱体混凝土采用密实混凝土防水结构，其外围混凝土的抗渗等级不应低于W6。如果蓄水箱体的空箱长度在40 m以上，为了降低温度荷载的影响，设置贯穿基础横断面的后浇带，带宽设计在80 cm以上，并且对此处的钢筋进行适当加强。

3.1.2 地基计算要点

1）在计算蓄水箱体基底压力时，在地下水位以下的部分要扣除扬压力；箱体的轴心压力应该满足P≤R，在偏心荷载作用下应该满足Pmax≤1.2 R 和 Pmin≥0。

2）蓄水箱体的基础底面受力一般为不均匀状态，其不均匀系数的计算值不应大于空箱基础底面不均匀系数的允许值，同时偏心距的计算值不应大于允许值。如果工程所在区域存在软弱下卧层，则需要对下卧层的强度进行验算，验算方法可参照天然地基上的浅基础计算方法进行。

3）如果蓄水箱体埋深较大，在深开挖过程中，地基土回填以及再压缩过程均会产生较大的沉降量，并且在总沉降量中占据重要地位，在计算过程中不能忽略不计，在计算过程中需要用到回填土的再压缩系数[8]。在压缩试验过程中，必须要进行回弹再压缩试验，并在试验中按照实际的应力装态施加压力。如果计算沉降量超过15 cm，应该对上部结构的刚度予以适当加强。

3.2 改建护岸结构设计要点

在河道护岸改建工程中，如果护岸为悬臂式、扶壁式和空箱式挡土墙结构，均可按照本文的设计思路，将其改建为增大调蓄量装置。

1）如果河道的护岸为空箱式挡土墙，且其箱底的高程以及容积均满足调蓄要求，可以直接改建。如果挡土墙是依靠空箱内填土以维持箱体稳定性的挡土墙，则需要进行抗浮和抗滑稳定性计算，并根据计算结果采取必要的抗滑措施。

2）如果河道护岸为悬臂式和扶壁式挡土墙，如果其底板高程符合要求，则可以直接改建。在改建过程中，需要对基础底板进行加宽，同时构建侧墙和顶板，并采取植筋技术进行施工。

4 结语

近年来，每逢暴雨侵袭，大城市往往成为一片泽国，城市内涝已经成为制约城市发展的重要问题。虽然极端天气频发是造成城市内涝的直接原因，但是也暴露出城市水利和市政工程存在的问题。本文提出的城市河道增大调蓄量装置可以在不增加河道面积、不改变河道和护岸功能的前提下，显著增加城市河道对洪水的调蓄作用，对解决城市内涝具有重要意义。当然，要解决城市内涝这一顽疾，仅靠一种工程技术措施是远远不够的，而需要城市管理者进行广泛而持久的努力。