許 可

（安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230088）

0 引言

水利工程在長(zhǎng)期使用過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)一定程度的老化、破損[1～3]，這將對(duì)工程作用的穩(wěn)定發(fā)揮產(chǎn)生不利影響，造成建筑物穩(wěn)定性降低。針對(duì)這種情況，往往需要對(duì)水工建筑物的情況進(jìn)行安全鑒定，為其除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)提供參考意見(jiàn)[4～6]。針對(duì)安全情況較差的建筑物，往往采用拆除重建的方法進(jìn)行處理，以保證工程的穩(wěn)定性和其作用的發(fā)揮[7～10]。而鄭集河地涵就屬于拆除重建的水利建筑，本文對(duì)地涵重新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

鄭集河地涵位于順堤河。該工程分兩期建設(shè)。1960 年建成西涵洞，規(guī)劃流域面積250 km2。1973 年順堤河向上延長(zhǎng)至沛縣姚樓河，流域面積增加至326 km2，鄭集河以北流域面積增至254 km2，故又于1976 年在西涵洞以東0.5 km 處擴(kuò)建成東涵洞。西涵洞4 孔，每孔凈寬為3.4 m，涵高4.3 m，涵洞全長(zhǎng)254 m，洞底高程26.77 m。鋼筋混凝土平板閘門，螺桿式啟閉機(jī)。東涵洞2 孔，每孔寬3.5 m，涵高4.42 m，全長(zhǎng)215 m，洞底高程29 m。鋼筋混凝土平板閘門，螺桿式啟閉機(jī)。

2 除險(xiǎn)加固必要性分析

目前，銅山區(qū)鄭集河地涵主要存在以下問(wèn)題：水閘過(guò)流能力不足；涵洞洞身混凝土碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，混凝土厚度已不能達(dá)到保護(hù)層厚度要求，且局部混凝土開(kāi)裂鋼筋出露，涵洞強(qiáng)度難以滿足要求；涵洞埋深較淺，對(duì)鄭集河雨季排洪具有不利影響；閘墩上下游翼墻采用漿砌石結(jié)構(gòu)，對(duì)地涵的抗震及防滲安全較為不利；水閘啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)老化，混凝土閘門出現(xiàn)開(kāi)裂、漏筋、碳化等現(xiàn)象，存在較大的安全隱患；地涵缺乏必要的安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。由于該水利工程已經(jīng)建成并投入使用多年，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，綜合考慮對(duì)其進(jìn)行拆除重建是十分必要的。

3 除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

3.1 方案比選

鄭集河地涵現(xiàn)狀分為西涵洞和東涵洞兩部分，西涵洞建于1960 年，4 孔，每孔凈寬為3.4 m，涵高4.3 m，東涵洞距西涵洞250 m，建于1976 年，2 孔，每孔凈寬3.4 m，凈高4.3 m。東涵洞上建有橡膠壩，擋鄭集河水入微山湖。

現(xiàn)因鄭集河地涵分為西涵洞和東涵洞兩部分，對(duì)新涵洞合建及分建方案進(jìn)行比選。

表1 地涵建設(shè)方案比選表

通過(guò)比選，從工程設(shè)計(jì)、施工導(dǎo)流對(duì)堤防和周圍建筑物影響及投資方面考慮，合建方案實(shí)施起來(lái)更容易，開(kāi)挖堤防少，周圍建筑物少，對(duì)施工影響小，工程投資省，故選擇合建方案。

3.2 引水方案

目前，在下級(jí)湖水位較低，鄭集河引下級(jí)湖水困難的時(shí)期，可通過(guò)順堤河和鄭集河?xùn)|地涵天窗引不牢河水源至鄭集河，然后抬升鄭集河口壩，控制水源向西送水至鄭集站下。本工程對(duì)東地涵拆除重建，順堤河向鄭集河補(bǔ)水無(wú)法實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)對(duì)結(jié)合地涵建設(shè)（開(kāi)天窗）及單獨(dú)新建引水閘兩種方案進(jìn)行比選。

（1）順堤河入鄭集河引水方案

方案一（結(jié)合地涵建設(shè)）：維持現(xiàn)狀布局，結(jié)合本次工程，地涵南端建天窗引順堤河水入鄭集河。天窗設(shè)計(jì)尺寸5孔5.0 m×4.0 m。

方案二（單獨(dú)新建引水閘）：鄭集河?xùn)|地涵與引水閘分開(kāi)建設(shè)，在鄭集河?xùn)|地涵西側(cè)南堤上新建單獨(dú)的引水閘。引水閘布置在鄭集河?xùn)|地涵西側(cè)南堤上，與地涵平行布置，共5 孔5.0 m×4.0 m 進(jìn)水閘。

（2）方案比選及推薦

方案比選見(jiàn)表2。由表2 可知：方案一（結(jié)合地涵建設(shè)）總體布置緊湊、永久占地少，管理運(yùn)行和維護(hù)方便，投資省。經(jīng)比選，推薦方案一。

表2 順堤河送水方案比選表

3.3 地涵整體設(shè)計(jì)

3.3.1 地涵過(guò)流能力設(shè)計(jì)

5 年一遇水位：下游水位31.65 m，過(guò)流127.09 m3/s；10 年一遇水位：下游水位31.85 m，過(guò)流185.78 m3/s。

鄭集河地涵現(xiàn)狀東涵洞為2 孔，每孔凈寬3.4 m，凈高4.3 m，西涵洞4 孔，每孔凈寬為3.4 m，涵高4.3 m，現(xiàn)地涵擬取5 孔，每孔凈寬5 m，凈高5 m，倒虹吸式。

倒虹吸過(guò)流能力按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q 設(shè)計(jì)流量，m3/s；m 流量系數(shù)；A 過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；g重力加速度，m/s2；Z 水位差，m；∑ξ 水頭損失系數(shù)總和；λ 能力損失系數(shù)；L 倒虹吸總長(zhǎng)度，m；倒虹吸斷面為圓形時(shí)，D 為斷面直徑，斷面為矩形時(shí)，D 為4R；R 水力半徑（m）；C 謝齊系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)表3 計(jì)算結(jié)果，組合1 過(guò)流能力不滿足要求；組合2 和組合3，過(guò)流能力均能滿足要求，但前者過(guò)流能力與設(shè)計(jì)流量更吻合，本次設(shè)計(jì)采用5 年一遇、10 年一遇過(guò)閘水位差分別為0.15 m、0.30 m 進(jìn)行水力計(jì)算。

表3 各種水力條件下所需過(guò)流能力

3.3.2 地涵消能防沖設(shè)計(jì)

鄭集河地涵上游正常蓄水位32.50 m，下游蓄水位31.50 m。上游蓄水位嚴(yán)格控制在32.50 m 以下，當(dāng)上游水位超過(guò)32.50 m 時(shí)，開(kāi)始提閘放水，放水情況視下游水位而定。當(dāng)下游水位在28.00 m 以上時(shí)，提升閘門0.5 m，待下游水位穩(wěn)定后，再依次提升閘門，直至超出泄流水面；當(dāng)下游無(wú)水時(shí)，開(kāi)啟中間孔閘門控制泄流量不超過(guò)25 m3/s，待下游水位回升至1 m 后，控制泄流量不超過(guò)120 m3/s。

表4 鄭集河地涵消能水位組合表

根據(jù)下式計(jì)算：

（1）池深計(jì)算：

式中：hc收縮水深，m；T0總勢(shì)能，m；q 過(guò)閘單寬流量，m3/s；α 校正系數(shù)，取1.05；φ 流速系數(shù)，取0.95。

表5 消力池深度計(jì)算結(jié)果表

由表5 可知，計(jì)算消力池池深最小為0.75 m，本次設(shè)計(jì)消力池池深取0.8 m。

（2）池長(zhǎng)計(jì)算：

式中：Lsj池長(zhǎng)，m；Ls斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β 水躍長(zhǎng)度修正系數(shù)，可采用0.7～0.8；Lj水躍長(zhǎng)度，m。

表6 消力池長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果表

由表6 可知，計(jì)算消力池池長(zhǎng)為16.1 m，本次設(shè)計(jì)消力池長(zhǎng)度為20 m。

（3）海漫計(jì)算

式中：Lp長(zhǎng)度，m；qs單寬流量，m3/s；Ks系數(shù)，取11。

經(jīng)計(jì)算所得最大海漫長(zhǎng)度為29.7 m，本次設(shè)計(jì)海漫長(zhǎng)度取為39.0 m。

（4）河床沖刷深度計(jì)算

河床沖刷深度下式計(jì)算：

式中：dm沖刷深度，m；qm單寬流量，m3/s；[v0]不沖流速，取0.7 m/s；hm水深，m。

經(jīng)計(jì)算，下游河床沖刷深度為4.69 m。需設(shè)防沖槽斷面面積為6.29 m2，設(shè)計(jì)防沖槽斷面面積為10 m2。

3.3.3 閘頂高程確定

（1）閘頂高程確定

閘頂高程分為擋水、泄水兩種運(yùn)用情況，計(jì)算結(jié)果如下：水位組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。

表7 閘頂高程計(jì)算表

該閘上游最高洪水位為32.15 m，下游最高洪水位為31.85 m，擬定橋厚0.5 m，擬定上游控制段閘頂高程為33.15 m，下游檢修段閘頂高程為32.85 m。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，上游控制段閘頂高程為33.50 m，下游控制段閘頂高程為33.20 m。

（2）翼墻頂高程確定

翼墻高程分為擋水、泄水兩種運(yùn)用情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 翼墻頂高程計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算表確定上游翼墻頂高程為33.50 m；下游翼墻頂高程為33.20 m。

4 結(jié)論

根據(jù)分析，鄭集河地涵工程老化、破損現(xiàn)象較為嚴(yán)重，屬于四類閘，采用拆除重建的方式對(duì)其進(jìn)行除險(xiǎn)加固治理；通過(guò)方案比選采用東、西涵洞合建方案和地涵南端建天窗引順堤河水入鄭集河的引水方案具有工程投資低、占地面積小、管理方案等優(yōu)勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)狀防洪需求，對(duì)地涵結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，可滿足過(guò)水需求。