铁北防洪闸工程设计与渗透压力计算

徐连田

(昌图县水利事务服务中心, 辽宁 昌图 112599)

1 概述

铁北防洪闸位于凌海市沈山铁路以北大凌河堤防上,距沈山铁路桥530 m。铁北防洪闸主要任务为区域防洪和排涝。涝区面积13.33 km2,有蔡家和尤山子两个村,人口2 000多人,耕地267 hm2,区域内有工矿企业十多家,有城市净水厂和污水处理厂等重要基础设施。防洪闸对当地工、农业生产生活具有有重要作用。

铁北防洪闸建于1980年,由凌海市城建部门设计施工。闸门为2孔2×2.5 m排水涵洞,两扇平板钢闸门,两台电动螺杆启闭机,工作平台设有启闭室,涵洞进口底坎高程为16.67 m。根据调查了解的情况,该闸门排水能力较小,闸门进口底坎过高,遇有洪涝灾害,经常不能及时排除积水,致使涝区农田受淹减产,水闸实际排涝能力不满足10 a一遇排涝标准。同时,该闸已运行40 a,工程老化严重。因此兴建新的铁北防洪排涝工程是十分必要和迫切的。

2 工程总体布置

2.1 工程存在的问题

2.1.1 防洪闸防洪标准偏低

铁北防洪闸建于1980年,建设单位为凌海市市政管理部门,目前已查不到当时的建设档案及相关资料。按照相关规划,大凌河凌海段堤防防洪标准为50 a一遇,根据调查,目前闸址段大凌河堤防堤顶和防洪闸工作平台顶面高程的防洪标准仅为20 a一遇,防洪闸的防洪标准不满足要求。

2.1.2 防洪闸排涝能力不足

铁北防洪闸现闸孔尺寸为2孔2×2.5 m,闸门进口底坎高程16.67 m。从实际运行情况看,在发生10 a一遇左右的暴雨洪水时,由于防洪闸排涝能力不足,底坎高程过高,排水不及时,经常造成内涝,农作物受灾。

2.1.3 防洪闸工程老化

铁北防洪闸已运行40 a,工程老化严重。闸室混凝土结构多处出现裂纹,闸墩及涵洞混凝土表面侵蚀破坏。钢闸门锈蚀严重,螺杆启闭机及配套设备老化。

2.2 防洪闸顶高程

2.2.1 防洪闸设计洪水位

闸顶平台设计高程同堤顶设计高程一致。堤顶设计洪水位即为闸址处大凌河设计洪水位。大凌河设计洪水位采用《大凌河河道治理保护规划》水面线计算成果,见表1。

表1 大凌河干流规划水面线成果表

采用内插法,推求闸址处大凌河设计洪水位见表2,P=2%设计洪水位为22.15 m。

表2 防洪闸闸址处设计洪水位

2.2.2 堤顶设计高程

堤顶高程计算公式为:

Y=R+e+A

(1)

式中:R为设计波浪爬高(m);Y为堤顶超高(m) ;A为安全加高值,二级堤防取0.8m;e为设计风壅水面高度(m)。

其计算基本参数见表3。

表3 波浪要素计算基本参数

平均波高、波浪平均波周期及平均波长[1-3]计算公式为:

(2)

(3)

式中:g为重力加速度,取9.8 N/kg;hm为平均波高(m);Tm为平均波周期(s);W为计算风速(m/s);D为风区长度(m);th是双曲正切函数tanh的一种写法,tanh(x)=sinh(x)/cosh(x),其中sinh为双曲正弦函数,cosh为双曲余弦函数。Hm为水域平均水深(m);v0为计算风速(m/s)。

平均波长按下式计算:

(4)

式中:Lm为平均波长(m);H为坝迎水面前水深(m);

波浪平均波周期、平均波长计算值见表4。

表4 波浪要素计算表

由于该建筑物工程为2级建筑物[4],由此波高累积频率确定P=2%。

风壅水面高度按下式计算:

(5)

式中:e为计算点处的风壅水面高度(m);K为综合摩阻系数(取3.6×10-6);β为计算风向与坝线法线的夹角;D为风区长度(m);Hm为水域平均水深(m)。

平均波浪爬高按下式计算:

(6)

式中:Rm为平均波浪爬高(m);KΔ为斜坡的糙率,草皮护坡取0.90;Kw为经验系数;m为单坡坡度系数,大坝加固后迎水坡改为单一坡,坡比取2.50;hm为平均波高(m);Lm为平均波长(m)。

波浪爬高计算值见表5。

根据综上所列公式计算参数及计算成果,土石坝坝顶高程计算结果表,见表6。

表6 坝顶高程复核计算成果表

经计算:防洪闸址处50 a一遇设计堤顶超高为2.55 m,堤顶高程为:22.15 m+2.55 m=24.70 m,预留沉降高度0.25 m,确定堤顶高程为24.95 m,闸顶平台设计高程位24.95 m。

2.3 重建防洪闸工程总布置

防洪闸改建方案为拆除现有防洪闸,在原闸址新建防洪闸。新建防洪闸闸孔增加为4孔,工作平台高程提高24.70 m,闸孔底板高程闸底板高程由16.67 m降为16.50 m。新建防洪闸增加了水闸排涝的过流能力,提高了防洪标准。

2.3.1 防洪闸运行方式

防洪闸布置在堤防上,堤下涵洞排水,闸室布置在堤防迎水侧,平板钢闸门,螺杆电动启闭机。为满足排涝要求,闸孔增加为4孔,单孔尺寸为2×2.5 m,按照堤顶高程为确定的防洪闸工作平台顶高程为24.95 m。防洪闸要求双向挡水,当外河水位高于堤内水位时,闸门关闭,当堤防内水位高于外河水位时,开启闸门排水。

2.3.2 闸室段

闸室段包括下部排水涵洞,长(沿流水方向)14.38 m,宽11.3 m;排水涵洞为钢筋混凝土结构,闸室段间墩宽0.7 m,边墩宽0.6 m;上部框架结构,由胸墙、框架柱和工作平台组成,胸墙由涵洞顶至工作平台底面,墙高5.15 m,宽11.3 m,墙厚0.4～0.6 m;工作平台顶平面尺寸为5.0×11.3 m,板厚0.4 m,顶高程24.95 m;平台上部启闭机室为砖混结构,平面尺寸为3.8×11.3 m,房高3.49 m。

由于防洪闸为2级建筑,经计算:hp(相应于波列累计频率的波高)=0.75 m,hz(为波浪中心线超出计算水位的高度)=0.16 m,安全加高值为1.0 m。闸顶计算高程为:22.15+0.75+0.16+1.0=24.06 m。计算堤顶高程为24.70 m,因此,闸顶高程考虑沉降0.25 m,取为24.95 m。

2.3.3 排水涵洞

排水涵洞为现浇钢筋混凝土结构,由堤防背水侧堤脚至迎水侧堤脚,总长41.82 m(包括闸室部分),排水涵洞为钢筋混凝土结构,涵洞分为4孔,非闸室段尺寸为为2.2×2.5 m,2.1×2.5 m,间墩宽0.5 m,边墩宽0.6 m,涵洞顶板厚0.4 m,底板厚0.6 m,基础素混凝土垫层厚0.1 m。

2.3.4 进出口布置

涵洞进口翼墙为悬臂式钢筋混凝土结构,进口外口宽16.1 m,内口宽10.1 m;涵洞出口由消力池及海曼段组成,消力池为钢筋混凝土结构,前部宽10.1 m,尾部宽14.0 m,池长15.0 m,消力池深0.5 m。海漫段长13.0 m,宽14.0 m,其中,固宾笼段长10.0 m,抛石防冲槽段5.0 m。

2.3.5 工作桥

防洪闸后与堤顶之间填土,填土宽度与闸室宽度相同,为11.3 m,两侧设混凝土挡土墙,填土表面设混凝土路面,路面两侧设栏杆。

2.3.6 防渗排水布置

拟定闸基防渗长度L按下式计算:

L=CΔH

(6)

式中:L为闸基防渗长度(m);ΔH为上下游水位差(m);C为允许渗径系数。

防洪闸内外最大水位差发生在设计洪水工况下,外水位22.15 m,堤内水位16.5 m,内外水位差5.65 m。防洪闸底板分缝之间横缝设置橡胶止水。基础为粉质黏土或粉土,允许渗径系数为5～7。最大水位差为5.65 m。 =(5～7)×5.65=28.25～39.55 m,经计算:实际渗径46.70 m,大于允许渗径,闸基防渗长度满足要求。

2.3.7 翼墙

防洪闸上下游进口、出口及进水渠、出口消能段共布置A、B、C、D、E五段翼墙,翼墙均为钢筋混凝土悬臂结构,墙高3.2～4.0 m。

3 防洪闸工程设计

3.1 防洪闸孔口尺寸

由于防洪闸防洪设计标准同规划的大凌河堤防洪水标准一致,即50 a一遇设计洪水标准,相应设计水位为22.15 m。排涝标准为10 a一遇,排涝最高水位16.16 m。

排涝最大水深H为2.66 m,涵洞高a为2.5,而2.66/2.50=1.06,按照涵洞水力流态判定方法,当时,涵洞内水流为无压流,因此涵洞内水流流态为无压流,因此,防洪闸按宽顶堰计算涵洞过流能力,防洪闸孔口为4孔,单孔尺寸为2×2.5 m。

3.2 消能防冲设计

3.2.1 消力池水力计算

防洪闸按双向挡水、单向过流设计。为尽快排除涝区积水,不控制排涝流量,当在外河水位稍低于涝区水位时开闸抢排,闸门全开自由出流。水闸下游侧的消力池采用底流式消能,采用下挖式消力池．池深0.5 m。

经不同排涝流量计算,由于水闸排涝内外水位差较小,闸口断面和水闸收缩断面均为缓流流态,断面弗劳德(FrC)均小于1.0,因此后不能形成水跃,理论上无需进行消能设计。但考虑排涝闸在下游无水或水位较低时开启,短期会造成出口冲刷破坏。因此,出口仍需设置消力防冲设施。参考其它工程,确定消力池长15.0 m,池深0.5 m。

3.2.2 消力池底板厚度计算

根据抗冲和抗浮要求,确定消力池始端厚度,计算得端部底板厚t=0.49 m,实际消力池始端厚取0.5 m。

3.2.3 海漫计算

海漫长度按下式计算:

(7)

式中:ks为海漫长度计算的系数,取ks=9(粉质粘土);qs为消力池末端单宽流量 ,取3.37 m3/s;ΔH′ 为上下游水位差,取0.57m;Lp为海漫长度(m)。

计算得:Lp=13.90 m,实际取15 m。

3.2.4 消能防冲结构设计

4 渗透压力计算

4.1 地基有效深度计算

计算公式:由于L0/S0>5,取Te=0.5L0;

式中:S0为地下轮廓的垂直投影长度(m);L0为地下轮廓的水平投影长度(m);Te为地基有效深度(m)。

经计算:L0=41.83 m,S0=1.5,由于L0/S0>5,Te=0.5L0=20.92 m。

4.2 分段阻力系数计算

4.2.1 进、出口段的阻力系数

(8)

式中:ξ0为进、出口段的阻力系数;S为齿墙的入土深度(m);T为地基透水层深度(m)。

4.2.2 内部垂直段的阻力系数

(9)

式中:ξy为水平段的阻力系数;T为地基透水层深度(m);S为齿墙的入土深度(m)。

4.2.3 水平段的阻力系数

(10)

式中:S1、S2为水平段首、末齿墙的入土深度(m);Lx为水平段长度(m);为水平段的阻力系数[5-7];T为地基透水层深度(m)。

4.3 各分段水头损失值的计算

(11)

式中:ξi为第i段阻力系数;ΔH为上下游水位差(m);Σξi为所有分段阻力系数之和hi为第i段水头损失值(m)。

4.4 出口段水头损失值的修正

(12)

(13)

(14)

式中:S′为底板埋深与齿墙入土深度之和(m);T′为齿墙另一侧地基透水层深度(m);h0′为修正后的水头损失值(m);β′为阻力修正系数;h0为出口段水头损失值(m);hi为第i段水头损失值(m)。

4.5 渗流坡降值的计算

1)修正后水头损失减少值:

Δh=(1-β′)h0

(15)

2)出口段渗流坡降值计算公式:

(16)

式中:J为出口段渗流坡降计算值;Δh为水头损失(m);β′为阻力修正系数;h0为出口段水头损失值(m);h0′为修正后的水头损失值(m);S′为底板埋深与齿墙入土深度之和(m)。

计算成果见表7。

表7 渗透计算成果表

计算结果表明,铁北防洪闸底板水平段、进口段的渗流坡降计算值小于基础土层渗流坡降允许值,因此满足闸基渗透稳定要求。

5 结语

铁北防洪闸工程主要任务为排除区域内山洪、和平原积水,同时抵御大凌河洪水。当大凌河水位低于区域内内水位时,开启闸门排水,当大凌河水位高于区域内水时关闭闸门,防止大凌河洪水倒灌。铁北防洪闸承担防洪排涝区域总面积13.33 km2,区域的西侧边界为高地和丘陵,大凌河沿岸河谷平原,区域内有两个村屯,人口2 000多人,耕地267 hm2。为此对该防洪闸工程进行了设计,并对防洪闸底板渗透压力进行计算,满足稳定要求。