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        談采煤沉陷對泵站引水渠過流能力的影響

        2020-09-07 07:49:34孔令武滿月光
        山東水利 2020年7期
        關(guān)鍵詞:引水渠橫斷面過流

        孔令武,滿月光,宋 翔

        (南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250109)

        南水北調(diào)二級壩泵站位于山東省微山縣歡城鎮(zhèn)境內(nèi),是南水北調(diào)東線工程的第10級抽水泵站,主要任務(wù)是將水從南四湖下級湖提至上級湖,實現(xiàn)南水北調(diào)東線工程的梯級調(diào)水目標(biāo)。二級壩泵站位于高莊煤礦和崔莊煤礦規(guī)劃開采范圍,引水渠主要布置于高莊煤礦北部,大部分已處于深部采空范圍,已造成引水渠南部左岸和右岸出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害。

        1 泵站引水渠概況

        引水渠總長2112.4m,連接下級湖內(nèi)的東股引河和泵站進(jìn)水閘,將南水北調(diào)的水順利引至泵站進(jìn)水池,滿足水泵提水運行的需要。引水渠全線橫斷面均采用梯形明渠輸水?dāng)嗝?,引水渠進(jìn)口底高程27.80m,泵站進(jìn)水閘前渠底工程27.30m,渠底比降1/4025,左堤頂寬4.5m,右堤頂寬2.0m。

        引水渠樁號為設(shè)計樁號,0+000樁號設(shè)在泵站主廠房中心點,向上級湖為正,向下級湖為負(fù)。引水渠起點位于進(jìn)水閘上游100m處,樁號為-0+183.20,末端位于引水口處,樁號為-2+295.6。引水渠在-0+955.14樁號設(shè)彎道,彎道軸線曲率半徑300m,圓心角20°;在-2+094.73樁號設(shè)彎道,彎道軸線曲率半徑300m,圓心角22°。

        2 引水渠原縱橫斷面設(shè)計

        2.1 縱斷面及水面線設(shè)計

        引水渠設(shè)計流量125m3/s,冬季最小引水流量80m3/s。引水渠進(jìn)口底高程設(shè)計為27.8m,低于東股引河底高程0.6m。泵站進(jìn)水閘前渠底工程27.30m,渠底比降1/4025。引水渠梯形斷面,底寬60m,邊坡1∶2.5。引水渠水面線利用引水渠進(jìn)口水位作為起始水位,按明渠均勻流公式向下游推算,與引水渠段末端進(jìn)水閘上游水位銜接。

        2.2 引水渠橫斷面設(shè)計

        根據(jù)設(shè)計流量的大小、工程地質(zhì)、渠床土壤、施工條件等因素,按照經(jīng)濟(jì)實用斷面的設(shè)計原則,力求挖方和筑堤方、填筑站區(qū)防洪平臺土方實現(xiàn)基本平衡,以減少占地,據(jù)此確定設(shè)計水深為5.0m,設(shè)計邊坡為1∶2.5。引水渠內(nèi)邊坡采用預(yù)制混凝土板襯砌,渠底碾壓密實、不襯砌,綜合糙率系數(shù)為0.022,設(shè)計底寬為60m。

        3 引水渠過流能力分析

        3.1 引水渠測量方式

        本次測量采用2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng),3°分帶,中央經(jīng)線為東經(jīng)117°。地面數(shù)據(jù)采集是在山東省建立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考網(wǎng)系統(tǒng)(SDCORS)下,采用徠卡GS15型GPS衛(wèi)星接收機(jī),運用GPS實時動態(tài)測量RTK技術(shù)獲得各點的2000國家大地坐標(biāo),室內(nèi)使用CASS數(shù)字成圖軟件繪制地形圖;水下數(shù)據(jù)采用測量船上架設(shè)GNSS接收機(jī)掛接中海達(dá)HD310型全數(shù)字雙頻測深儀的方式,由GNSS接收機(jī)獲取平面坐標(biāo)及正常高,測深儀獲取水深數(shù)據(jù),通過計算獲取水下點的高程數(shù)據(jù),完成渠道內(nèi)水下地形測量,最終室內(nèi)生成水下等高線。利用采集到的數(shù)據(jù),使用斷面生成軟件形成渠道縱、橫斷面成果及縱、橫斷面圖。

        3.2 工程變形觀測數(shù)據(jù)分析

        受煤礦地下采煤影響,自施工期引水渠不同渠段就開始發(fā)生不同程度的沉降變形,部分渠段和引水渠交通橋現(xiàn)已沉入水中。2009年4月30日至2012年11月25日,觀測點最大沉降值在-(1+639)樁號處,沉降值為3.52m。2013年3月通水初步驗收后,對樁號-(0+183.2)至-(1+659)已發(fā)生沉陷的部分引水渠進(jìn)行了測量,樁號-(0+183.2)至-(1+059)段未發(fā)生沉降,-(1+059)至-(1+659)段發(fā)生沉降,沉降量最大值在-(1+638)斷面上,沉降值為3.748m。2019年12月觀測報告顯示自2013年2月引水渠東岸觀測點(H6)累計沉降量最大,為426.4mm,引水渠西岸觀測點(S5)累計沉降量最大,為600.5mm目前,設(shè)計樁號-0+600~-0+850范圍內(nèi),引水渠右岸已完全沉入水下,設(shè)計樁號-1+300~-2+295.6范圍內(nèi)引水渠兩岸已完全沉入水下。最南端引水渠交通橋于2017年10月開始發(fā)生急劇沉降,至當(dāng)年12月累計沉降量超過700mm,2018年初已完全沉沒至水面以下。目前該橋整體仍然沉沒于水面以下,橋面高程31.20m,沉降約3.1m。

        3.3 引水渠過流能力分析

        根據(jù)2019年測量資料,因沉降原因,引水渠整體下沉,如圖1,圖2所示。

        通過現(xiàn)狀斷面與設(shè)計斷面對比,引水渠過水?dāng)嗝嫫毡樵龃螅罴由?,在樁?0+600~-0+850,引水渠右堤已沉降至水位下,樁號-1+300后,引水渠已沉降至水下。

        河道按天然河道恒定非均勻流基本方程式計算:

        圖1 -0+600橫斷面圖

        圖2 -1+304橫斷面圖

        式中:z1、z2分別為上、下斷面水位,m;v1、v2分別為上、下斷面流速,m;△hW為水頭損失,m;△hf為沿程水頭損失,m;△hj為局部水頭損失,m。計算結(jié)果詳見表1。

        表1 過水?dāng)嗝婷娣e統(tǒng)計表

        根據(jù)測量結(jié)果顯示,過流斷面普遍增加10%以上,部分?jǐn)嗝娴谭酪殉林了灰韵拢ㄟ^計算,現(xiàn)狀引水渠過流能力滿足泵站提水運行要求,且對原連接?xùn)|股引河與泵站進(jìn)水池,將南水北調(diào)的水順利引至泵站進(jìn)水池的功能無不利影響。

        3.4 交通橋沉降及斷面過流能力分析

        由于橋墩及橋板等的阻礙和束窄作用,在橋前形成一定的水位壅高。采用《橋梁水力學(xué)》中公式進(jìn)行壅水計算:

        式中:ΔZm為橋前最大壅水高度,m;η為阻水系數(shù),根據(jù)規(guī)范,η值根據(jù)橋墩阻斷流量與設(shè)計流量的比值選取,當(dāng)比值小于10%時,η=0.05;當(dāng)比值介于11%~30%時,η=0.07;當(dāng)比值介于31%~50%時,η=0.10;當(dāng)比值大于50%時,η=0.15。

        Vm為橋下平均流速,按照設(shè)計洪水流量除以橋址斷面凈過水面積;V為橋前平均流速,按照設(shè)計洪水流量除以橋址前斷面過流面積。經(jīng)計算,現(xiàn)狀交通橋壅水高度0.05m,原交通橋壅水高度0.06m。

        原交通橋處設(shè)計過流斷面279.71m2,根據(jù)2019年7月測量資料,交通橋樁號處,扣除交通橋橋面、欄桿、橋墩等,過水?dāng)嗝鏋?62.21m2,增加65%,經(jīng)計算,交通橋處過流能力滿足泵站調(diào)度運行要求。但沉入水中的交通橋橋面結(jié)構(gòu)物對引水渠的水上運行管理存在隱患與威脅。

        4 結(jié)語

        現(xiàn)狀引水渠過流能力滿足設(shè)計輸水功能要求,引水渠采煤沉陷對泵站的調(diào)度運行無不利影響,符合泵站實際運行情況,現(xiàn)階段可不對引水渠采取處理措施。但為確保泵站工程安全,建議繼續(xù)在二級壩泵站樞紐工程范圍內(nèi)進(jìn)行安全監(jiān)測,及時掌握泵站安全運行狀況,若后期引水渠沉陷對工程安全及運行產(chǎn)生影響時,應(yīng)及時制定方案,對工程采取措施,保證工程安全運行。交通橋已沉入水中,該處過流能力滿足設(shè)計輸水功能要求,可不拆除,為防止船只誤入引水渠,建議設(shè)置明顯、能顯示構(gòu)筑物輪廓的安全標(biāo)識。

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