橡胶坝工程对河道行洪影响分析

薛东闯

（营口市应急管理事务中心，辽宁 营口 115000）

1 概 述

珍珠河发源于瓦房店市驼山乡平山屯，河源海拔高程196.0m。在复州城镇那家屯注入复州河。珍珠河是复州河右岸一级支流，干流总长度为19.31km，流域面积为71.99km2，河道平均比降为2.48‰。珍珠河现状为多年形成的天然河道及部分经过治理的河堤，从本工程现场考察情况看，本次治理段河道两岸建有浆砌石直墙，但防洪标准不足10a 一遇标准，且边墙破损较为严重。设计对堤防进行加高，使其防洪标准达到10a 一遇标准。大窑河为珍珠河一级支流，大窑河发源于瓦房店市复州城镇大窑村，流经复州城镇镇海村，在复州城镇永丰村汇入珍珠河。干流总长5.9km，流域面积14km2。地势北高南低，河源点高程71m，河口点高程19m，河道平均比降9.67‰。珍珠河及其支流大窑河位于复州城镇主城区，城镇化程度高，工商业发达，人口较多且集中。多年以来，复州城镇主城区建设缓慢，环境质量不高，大窑河虽在主城区穿过，但整体建设水平不高，主要以防洪建设为主，未充分发挥城区河流在生态景观方面的效益。大窑河（镇海村段）两岸已治理。

2 工程建设

复州城中心镇作为大连全域城市化发展格局上的重要节点，坚持“农稳镇、工强镇、商旅兴镇”的发展战略，各项城镇建设有序展开，经济势头发展良好，社会面貌逐步提升。通过对水泵等机械制造、农产品生产及加工等传统优势产业资源的整合，重点发展商业服务业等第三产业，合理利用历史文化资源发展古城文化旅游，建设成辽南工商重镇。珍珠河及其支流大窑河位于复州城镇主城区，城镇化程度高，工商业发达，人口较多且集中。复州城镇水泵组装、轴承、机械加工等城镇小微企业较多，形成轴承、农机生产、机械制造及水泵生产的小的集群。珍珠河现状为多年形成的天然河道及部分经过治理的河堤，本次治理段河道两岸建有浆砌石直墙，但防洪标准不足10a 一遇标准，且边墙破损较为严重，洪水发生时，河水出槽，对复州城镇主城区造成较大威胁。大窑河在主城区穿过，主要以防洪建设为主，未充分发挥城区河流在生态景观方面的效益。

根据《复州城中心镇经济社会发展总体规划（2016—2030）》，要完善村镇体系，推进大连全域城市化发展，按照集约、高效、科学、合理的思路，结合复州城中心镇的定位和经济社会发展特征，将复州城中心镇确定为“两核、三区、三轴、一带”的发展格局。其中“一带”为珍珠河与大窑河生态景观廊带，注重生态廊道的生态效应和触媒效应，使其成为集健康、休闲、运动于一体的独具活力的公共空间廊带。因此，为了落实《复州城中心镇经济社会发展总体规划（2016—2030）》，完善珍珠河与大窑河水环境及沿线生态绿化设施，保护并恢复自然生态为重点，开展环境保护、生态建设等工作，在大窑河入珍珠河汇合口处建设橡胶坝是十分必要的。河道的建设能保证河道沿线居民生活、人身安全，保证区内企业的安全生产和运转，从而有利于推进复州城镇经济协调发展，提升复州城镇的竞争力，对复州城镇经济社会发展产生积极深远的影响，对区域的经济发展有着重要意义，工程的建设是十分必要的。

根据《防洪标准》和《城市防洪工程设计规范》中的有关规定。珍珠河沿线的主要防护对象是乡镇、农村居民区和基本农田，保护区内人口7.8 万人。根据《防洪标准》，农村保护区等级为Ⅳ，因此防洪标准按洪水每10a 一次设计[1-2]。橡胶坝工程根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》确定其工程等别。由于本工程主蓄水量约为0.39 万m3，因此确定本工程等级应为V 级，工程规模小( 2 )，建筑等级为5 级，根据橡胶坝的工程等级和规模，橡胶坝的设计洪水标准为10a 一遇[3-4]。

3 充排水系统设计

3.1 集水井

橡胶坝近期利用上游地下水采用集水井作为水源，未来橡胶坝的充水水源为正在建设中的污水处理厂中水。在泵房的上游侧左岸设置集水井，尺寸为2.30m×2.00m，钢筋混凝土结构且井壁开孔，成套购买。集水井顶高程与河道现状河底高程保持一致，周围1m 范围内采用250mmC30 素混凝土抹面防护。

3.2 控制室

控制室是操纵橡胶坝充胀和排空塌落的电机设备及附属设备的维修结构，为节省投资，便于运输，控制室布置在橡胶坝左岸。紧邻橡胶坝的左边墩布置。地下部分平面尺寸为5.30m×5.30m 地上部分平面尺寸为5.30m×5.30m 共两层。一层为地下部分，高度为5.05m，是设备层，主要放置充放坝袋的水泵、电机和压力测量设备[5-6]。底板厚度为0.50m 的钢筋混凝土结构。二层为地上部分高度为3.50m，主要为配电管理层，主要放置配电柜及控制柜等。楼板为整体现浇板梁结构，板厚200mm。控制室向外引出两个DN200 的管子，一个引向下游消力池，一个连接上游集水井，以便橡胶坝内水的排放与引入。

4 稳定及结构计算

4.1 坝体稳定及结构计算

4.1.1 计算情况

1）当抬高大坝阻挡水流时，此时上游水位为19.20m，但下游无水。

2）竣工期间，上下游无水，坝袋内注满水。其中（1）是最不利的计算条件。

4.1.2 荷载计算

主要设计荷载为结构自重、静水压力、扬压力、水重。

4.1.3 坝体抗滑稳定计算及基底应力

抗滑稳定计算公式：

式中：ƒ 为坝基底部摩擦系数，计算取0.38；∑G为作用于基础底部的所有垂直荷载;∑H为荷载作用在大坝底板上的总水平荷载。

坝底板基底应力计算

式中：A为坝基础底面面积；e为基底应力偏心距；B为基础宽度。

表1 正常挡水情况下抗滑稳定计算

表2 坝底板基础应力计算表

计算表 1 和 2 表明：坝底板的抗滑稳定系数大于规范允许值；坝底板基底应力不均匀系数小于规范允许值，其中，正常挡水情况时，坝地板基础满足中等坚实允许值；基底应力小于地基容许承载力，坝体是安全的。

4.2 渗透稳定计算

根据《水闸设计规范》中改进阻力系数法计算水闸水平段和出口段渗透坡降。由于渗透坡降的计算主要与上下水位差有关，而在设计水位时，上下游水位差小于正常挡水时水头差，所以本次的不利工况为正常挡水位工况。

土基上水闸的地基有效深度Te按如下公式计算：

式中：L0为地下轮廓的水平投影长度，m；S0-为地下轮廓的垂直投影长度，m；Te为土基上水闸的地基有效深度，m。

4.2.1 阻力系数确定

式中：Lx为水平段长度，m；S1，S2为进、出口段板桩或齿墙的入土深度，m。

4.2.2 各分段水头损失值

式中：hi为各段水头损失，m。

进出口段水头损失值：

式中：β'为阻力系数修正值；S'为板底埋深与板桩入土深度之和，m；T'为板桩另一侧地基透水层深度，m；h0' 为进出口段修正后的水头损失，m。

4.2.3 出口段渗流坡降值

4.2.4 底板水平段平均渗透坡降

计算公式：

式中：J为渗透坡降；H'底板为底板水头损值，m；L'底板为底板长度，m。

铺盖水平段及消力池水平段平均渗透坡降计算公式同闸底板段。

各角隅点的水头计算结果如下表3 所示。

表3 各角隅点渗压水头计算结果

根据地勘资料，该粗砂层为级配连续土，判断不均匀系数：

相应于该粒径的细颗粒含量25≤P=25.52%≤35%，因此可判断本工程粗砂的渗透破坏类型为过渡型。

根据《水闸设计规范》出口设置反滤设施时，表中各值可增加30%，即粗砂的出口段允许渗流坡降值修正为0.52～0.59，水平段的允许渗流坡降值为0.20～0.22。

根据《水闸设计规范》验算水平段和出口段渗透坡降，经计算，出口段及橡胶坝底板水平段渗透坡降均满足规范要求。

5 橡胶坝底板高程确定

新建橡胶坝坝址在珍珠河汇入口上游40m 处大窑河主河道内，现状河底高程为17.60～17.80m。洪水期橡胶坝塌坝运行，为不影响工程建设后大窑河河道的行洪能力，闸底板顶高程与现状河底高程基本保持一致，因此本设计橡胶坝底板顶高程确定为17.70m。

6 橡胶坝特征水位的确定

6.1 正常蓄水位的确定

橡胶坝工程的主要目的为蓄水，形成一定面积的水面，满足生态水面需求，且两岸既有挡墙顶高程19.50～19.70m，因此确定橡胶坝挡水高度为1.50m，即正常挡水位为19.20m，能回水到坝址上游330m处，回水面积0.39万m2，满足生态水面需求。

6.2 上下游设计洪水位的确定

新建橡胶坝坝址位于大窑河主河道上，坝址下游约40m 即为珍珠河桩号0+000 处，该处10a 一遇洪水位为19.49m。橡胶坝建设后，行洪时，坝体处于坍塌状态，此时橡胶坝上游水位根据《水力计算手册》中堰流公式推算，公式如下：

当0 ＜P/H ＜3.0 时：

当P/H ≥3.0 时：m=0.32

式中：Q为堰上流量，103.17m3/s；σs为淹没系数；σc为侧收缩系数；m为流量系数；N为闸孔孔数；b为每孔净宽，m；Н0为包括行近流速水头的堰前水头，m;P为上游堰高，m；H 为堰前水头，m。

经计算，橡胶坝上、下游设计洪水时水位流量关系如表4 所示。

表4 橡胶坝上、下游设计水位计算结果

7 橡胶坝工程对河道行洪影响分析

由于橡胶坝工程修建在大窑河主河道上，原则上不应减小河道的行洪能力。坝址处现状河底高程为17.60～17.80m，本次对坝址处河底进行平整，确定橡胶坝底板顶设计高程为17.70m，洪水期橡胶坝塌坝运行，闸底板顶高程与现状河底高程基本相同，其河道行洪与天然状态相差不大。正常运行工况下，河道正常蓄水位为19.20m，坝址处两岸现状岸墙顶高程为19.60～19.70m，满足正常蓄水要求。

设计洪水工况下，工程建设前坝前水位为20.41m，工程建设后坝前水位为20.50m，两岸现状岸墙顶高程均不满足行洪要求，工程建设后水位较建设前仅壅高0.09m，对河道防洪基本无影响。且工程建设后对橡胶坝段两岸边墙进行加高至21.00m，满足设计洪水工况下的行洪要求。因此，本工程的建设对河道行洪影响是积极的。

8 结 语

工程的实施可有效解决复州城镇主城区的防洪排涝问题，改善了区域治理环境，符合复州城镇总体规划发展。从资金来源方面上看，本项目资金来源为市级财政资金，资金落实有保障；从社会稳定分析调查上看，百姓期盼、积极参与的热情，促使项目向前进行；河道治理工程的实施，将具有很好的社会效益。该项目的实施不仅可以保障人民生命财产安全，而且可以改善周边的生态环境，同时，将促进复州经济发展，进一步提高现代化水平，减少污染，切实提高人民生活水平质量，具有重大的现实意义。