基于台山市公益水治理方案的闸基防渗设计研究

张祥明

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529030)

1 现状问题分析

公益水干流全程长度23.6 km,控制集雨面积134.62 km2，自台山市大江镇境内东南起，经水步镇、大江镇后汇入潭江。公益水两岸堤防规划防洪标准为20年一遇，目前公益水大部分未满足20年一遇的防洪标准。现状河道断面主要以梯形断面和矩形断面为主，其中梯形断面两岸堤坡多为土坡，堤后为鱼塘或者农田，土质松散，河岸结构单薄易坍塌，防洪标准低。矩形断面两岸多为厂房或者道路，当地矩形断面护岸主要采用混凝土挡墙、浆砌石挡墙及砖砌墙等，除了公益水大江段少部分近期治理河段两岸挡墙比较完好以外，其余大部分矩形断面河道两岸的护岸均较差。河道狭窄弯曲，上游河道坡降较陡，下游河道平缓，河滩逐年淤积，加上出口受潭江潮水顶托，当暴雨来临时上游河道洪水陡涨陡落，下游排泄不畅，两岸低洼地势被淹没，造成严重的洪涝灾害，对附近集镇村庄居民及农田耕地等人民生命财产安全造成了严重威胁[1-2]。

综上，公益水大部分堤围均未达标，但由于沿岸土地难以征用，且公益水经过村庄、集镇的河段长，难以采取堤防达标加固措施。根据公益水存在的主要问题，本次拟在公益水河口处新建公益泵闸，达到挡潮、排洪及排涝的目的。

2 工程总体布置方案

工程总布置拟比较两个方案。方案一是水闸布置在公益水左岸原空地处，泵站布置在原河道位置。方案二是泵站布置在公益水左岸原空地处，水闸布置在原河道位置，见图1。

图1 工程总布置方案

方案一和方案二比选见表1。通过水流条件、工程地质、工程造价、施工导流等方面的综合比选，采用方案一的水闸泵站位置设计优势明显[3-4]。

表1 工程布置方案比选

3 水力计算与分析

3.1 水闸结构布置

闸室布置为整体式混凝土结构，充分考虑承载力后，闸室地基矩形布置成间距为2 m×2 m的φ500预应力PHC预制桩基础。闸堰型采用开敞式宽顶堰，7孔布置，形式为“2+3+2”。上底板与上游河床基本齐平，上下底板高差8.5 m，闸门使用钢闸门，启闭机为固定式卷扬机。消能防冲池长度、厚度分别设定为18.0 m和0.7 m，其中消能池斜坡段长4.4 m，坡比为1∶4，防冲槽底面宽5.0 m，顶面宽10.0 m，厚2.0 m，上下游边坡 1∶2，底板顶面高程-4.6 m，消能池以钢筋混凝土结构布置，以确保其使用寿命。为进一步增强侧向防渗能力，水闸边墩和楼梯间均设置有空箱。按《水闸设计规范》(SL 265—2016)设计挡水和泄水时闸门顶部高程。挡水时，设计洪水位为外江潭江设计洪(潮)水位，即30年一遇设计洪(潮)水位；校核水位取最高挡水位，为历史最高洪(潮)水位。表2是确定两种情况高程的安全超高值表。

运用莆田公式[5-6]计算本工程，设计波浪波列累积频率值p=5%，按照3级水闸级别查阅该闸设计波浪波列累积频率，波浪计算高度为：设计0.58 m。

挡水时闸顶高程=设计潮(洪)水位+波浪计算高度+安全超高，泄水时闸顶高程=设计潮(洪)水位+安全超高，计算成果列已入在表3，公益水闸挡洪(潮)闸闸顶高程为3.63 m。两侧连接堤顶高程约为3.7 m左右，因此本工程闸顶高程确定为3.7 m。

表3 闸顶高程复核计算结果

3.2 水力设计计算

公益水闸门过流能力计算采用《溢洪道设计规范》(SL 253—2016)公式，根据实际情况不同，本次工程采用式(1)计算[7-9]。

(1)

式中：Q为过闸流量，m3/s；B0为闸孔总净宽，取56.0 m；σ为堰流淹没系数；m为堰流流量系数，可采用0.385；ε为堰流侧收缩系数；g为重力加速度，取9.81 m3/s；H0为计入行进流速水头的堰上水深，m。

公益水闸7孔闸门及闸室结构尺寸相同，闸门为平板钢闸门。闸门净宽8.0 m，堰顶高程为-3.50 m。公益水闸的建设，不应影响河道原有的排洪能力，闸孔总净宽由排洪工况确定。水闸排洪标准为20年一遇，相应洪峰流量为618.66 m3/s。根据水文水利计算，排洪时闸下控制水位为1.96 m。

根据规范SL 265—2016，平原区最大过闸水位差为0.1～0.3 m。公益水闸过闸能力见表4。在水位差为0.12 m，水闸过闸能力就达到了设计过闸流量(水闸设计过闸流量为618.66 m3/s)，水闸净宽56 m满足规范的要求。

表4 公益水闸(全开闸门排洪)过闸能力计算结果

消力池长度计算按式(2)～式(3)计算：

Lsj=Ls+βLj

(2)

(3)

式中：Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m；β为水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8；Lj为水跃长度，m。

闸址位于洪潮混合区，公益水洪水来时，受外江潭江洪潮水位的影响严重，因此排涝动态调节则显得尤为重要，具体过程表现为：外江水位比内涌水位高时，采用开泵抽排降低外江水位，反之，当外江水位低于内涌水位时，只需开闸实现自排即可。当公益水发生20年一遇设计洪水时，遇外江水位较闸内低时，应全开闸门排洪，这一过程为静态排洪。根据水文水利分析计算，选择调节计算过程中水位差较大、排洪流量较大的水位进行计算，水位组合见表5。然后按不同的闸门开度进行水闸过流量计算，成果见表6，并对开闸过程进行消能防冲计算，成果见表7。

表5 公益水闸消能计算水位组合 m

表6 公益水闸各闸门开度下过闸流量

表7 公益水闸消力池计算成果

经计算，外江侧消力池深度0.75 m、消力池长度13.22 m、底板厚度0.70 m。本次设计公益水闸消能设施如下：下游消力池采用钢筋混凝土结构，消力池长18.00 m，底板厚0.70 m，池深0.80 m；其中消力池斜坡段长4.40 m，坡比为1∶4，底板顶面高程-3.50 m。海漫紧接消力池布置，为11.0 m长C25混凝土海漫厚0.50 m，11.0 m长C25混凝土框格装块石海漫厚1.00 m。下游防冲槽底面宽-3.50 m，顶面宽10 m，底宽5.0 m，深2.0 m，上下游边坡1∶2。所以消能防冲设计满足要求。

4 防渗分析

4.1 上游铺盖长度

按照相关规范要求，上游铺盖长度通常取决于上下游水位差。本工程中上下游水位差范围值为0.80～2.26 m，由此确定上游铺盖长度为3.20～6.78 m，上游设置5 m铺盖。

4.2 防渗长度验算

按照勃莱法[10]计算闸基所需防渗长度，依据规范SL 265—2016规定：闸基防渗长度应满足下面公式要求：

L=C×ΔH

(4)

式中：L为水闸基础防渗长度,m;C为允许渗径系数值，淤泥取8；ΔH为上、下游水位差,m。

选择最大水位差作为计算工况，防渗计算包括：内涌最低控制水位-0.60 m、对应的外江校核洪水位2.26 m，围内正常水位0.80 m、外江水位多年平均低潮位-0.68 m。闸基防渗验算计算结果见表8。结果表明，处在外江水位与内江水位范围内的计算所需防渗长度均小于实际防渗长度，满足设计要求。

表8 公益水闸闸基防渗长度验算结果 m

5 结 语

公益水两岸堤防规划对两岸居民的生命财产安全和流域内农业生产有着决定性的保障作用，在方案选取上挑选了较为合理的方案一：水闸布置在公益水左岸原空地处，泵站布置在原河道位置。通过对水闸泵站工程的加固设计与计算分析发现工程除险加固设计满足工程建设规范要求，该工程除险加固设计合理，工程建设切实可行。