小浑河防洪排涝工程设计水面线推求
2021-03-09桑桂武田斯琳
桑桂武，田斯琳
(1.辽宁苏文工程设计有限公司，沈阳，110000；2.沈阳一方正和工程技术咨询有限公司，沈阳，110000)
1 引言
洪水泛滥对当地经济发展和社会稳定带来众多不利影响，为了改善这种情况，很多城市采取了防洪排涝治理工程建设[1-3]。在工程建设之前，准确获取河道水面线是十分必要的，可为防洪建筑物修建提供基本参数，若水面线推求结果偏大则直接造成工程投资偏大，若水面线推求结果偏小则造成设计工程不能满足防洪需求[4-6]。为了准确获取河道水面线，较多的专家、学者研究出了不同的计算方法，均取得了较为丰硕的成果。目前，针对水面线推求的方法主要包括：HEC-RAS模型模拟、MIKE21模拟、公式计算等[7-9]。本文根据现场调查，结合工程经验对小浑河防洪排涝工程水面线推求进行分析。
2 工程概况
灯塔市小浑河疏浚及拦河坝工程以防洪为主，兼有景观、环境等综合效益。拦河坝采用水力自控翻板闸，长73.35m，宽53m。拦河坝设计洪水标准采用20年一遇标准，校核洪水标准采用50年一遇标准。拦河坝分为水力自控翻板闸段和调节闸段。小浑河河长21km，主河槽宽18m，丰水期流量89m3/s。工程以上集水面积由五万分之一地形图量算得F=355km2，河道长度L=34.3km，河道平均比降J=0.55‰。水文分区为Ⅰ2区。拦河坝平面布置见图1。
图1 拦河坝平面布置
3 暴雨及洪水特征分析
3.1 暴雨特征
小浑河流域暴雨受天气系统影响，较大降水过程一般集中在3天以内，而且多以暴雨形式出现。最大3天雨量一般约占年量的15%左右，雨型呈东北西南向或西南西到东北东带状分布。
小浑河流域内降水量四季变化明显，年内分配很不均匀。一般6月份才进入雨季，7-8月份为降雨全盛时期，约占全年的85%～95%，其中又以7月下旬、8月上旬为最多，约占全年的56%左右。
3.2 设计洪水
此次治理工程位于小浑河佟二堡镇段，由于河道无水文站，缺乏相关水文数据，采用以下方法推求设计洪水。
(1)基本资料
工程以上集水面积为F=355km2，河道长度L=34.3km，河道平均比降J=0.55‰。水文分区为Ⅰ2区。
(2)设计洪水计算
工程以上集水面积大于300km2，采用“辽宁产汇流计算方法”进行计算。经计算，小浑河P=5%洪峰流量Q=326m3/s；P=2%洪峰流量Q=443m3/s。
4 设计水面线计算
4.1 拦河坝水位计算
拦河坝过流能力采用下式计算：
Q=nσεψWQ单
(1)
(2)
式中：Q为翻板坝泄流量；n为闸孔数；σ为淹没系数；ε为侧收缩系数；ψ为行进流态影响系数；W为行进流速折减系数；Q单为单扇闸门泄流量。
泄流曲线计算成果见表1及图2。
表1 翻板闸泄流量计算成果
图2 水位～流量关系曲线
采用内插法计算拦河坝20年一遇、50年一遇洪水标准时水位，计算结果为P=5%、P=2%洪水标准时水位分别为16.66m、17.70m。
4.2 河道水面线推求
此次河道疏浚及综合治理工程，水面线推算采用20年一遇洪水标准，洪峰流量采用326m3/s。
4.2.1 设计河底
此次治理段河道所处地貌单元为平原，地形平缓，河道比降较小。根据辽官线佟兴桥下游河道现状、河底高程，进行河道疏浚。河道疏浚段内小浑河河道设计比降15‰。起点为拟建拦河坝坝址上游0.1km处，设计河底高程11.93m。河道疏浚及综合治理工程可分为两部分，一部分为佟二堡大桥段，起点位于设计拦河坝上游0.1km处，终点至佟二堡大桥；另一部分为佟兴桥段，起点位于佟兴桥，终点至原西小浑河入河口处。
4.2.2 起点水位及糙率
经分析计算，20年一遇洪水标准时，拦河坝处水位高程为16.66m，该断面作为水面线推求的起点水位。
小浑河具有典型的平原河道特征，河道较为平缓、顺直，是单一的U形河槽，河床质大多由耕植土、粉质粘土以及河道沉积物组成。根据临近地区的工程经验，小浑河糙率系数应在0.025～0.032间，综合考虑取0.03。
4.2.3 水面线计算
疏浚段河道水面线推求采用能量方程进行推算，公式如下：
(3)
式中：Z1、Z2分别为下、上游断面的水位，m；hf、hj分别为上下断面间的沿程、局部水头损失，m；u1、u2分别为下、上游断面的流速，m/s。
由以上公式计算，小浑河水面线推算成果见表2。从表2中可知，拟建拦河坝址处设计河底高程为11.91m，设计水面线为16.66m。
表2 小浑河水面线计算成果
5 拦河坝设计
5.1 拦河坝稳定分析及地基应力计算
本工程拦河坝采用水力自控翻板闸，拦河坝地基换填砂砾料层，基础承载能力按照280kPa考虑。
5.1.1 计算工况与允许安全系数
根据工程建设情况，计算以下5种工况下拦河坝的稳定性情况，分别为完建、正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位和地震。
5.1.2 计算公式
抗滑稳定计算
(4)
式中：KC为抗滑稳定安全系数；f为基底与地基的摩擦系数，取0.4；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。
5.1.3 基底应力计算
(5)
式中：Pminmax为闸室基地应力的最大值、最小值，kPa；∑M为对于地基底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；A为基底面积，m2；W为对于垂直水流方向的形心轴的截面距，m3。
计算结果见表3、表4。
表3 拦河坝抗滑稳定计算成果
表4 拦河坝基底应力最大值与最小值之比值成果
根据稳定性计算成果，拦河坝在各工况下稳定性均满足要求，大坝结构安全。同时拦河坝极低最大应力小于280kPa，坝基土承载力也满足需求。
5.2 消力池底板厚度计算
消力池底板厚度需要满足抗冲、抗浮要求。
5.2.1 计算情况
分别计算设计洪峰流量为洪峰流量值的25%、50%、75%、100%时的消力池底板厚度。
5.2.2 计算公式
(1)抗冲计算
(6)
式中：t为底板厚度，m；k1为计算系数，取0.2；q为设计单宽流量，m3/s·m；△H为上、下游水位差，m。
(2)抗浮计算
(7)
式中：k2为安全系数，取1.2；U为扬压力，m3/s；W为水重，m；γb为底板饱和重度，kN/m3；Pm为脉动压力，其值取跃前收缩断面流速水头值的5%。
计算结果见表5、表6。
表5 消力池底板抗冲计算成果
表6 消力池底板抗浮计算成果
通过以上分析计算，消力池在设计洪峰流量25%时，底板计算厚度最大。考虑到施工方便和预留富余安全余量，消力池底板厚度取0.5m。
6 结论
(1)通过内插法计算不同频率下小浑河的洪水水位，拦河坝20年一遇洪水标准时水位16.66m；50年一遇洪水标准时水位17.70m。
(2)通过地质调查结合工程经验确定小浑河工程河道糙率取值为0.03，利用能量公式推求水面线。
(3)通过计算，河道地基土承载力满足小浑河拦河坝承载力需求，在各个工况下拦河坝的稳定性满足规范要求。通过计算，为了满足抗浮、抗冲刷要求，同时预留施工安全余量，确定消力池板厚为0.5m。可为类似工程提供参考。
