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        小渾河防洪排澇工程設(shè)計(jì)水面線推求

        2021-03-09 06:23:04桑桂武田斯琳
        四川水利 2021年1期
        關(guān)鍵詞:工程設(shè)計(jì)

        桑桂武,田斯琳

        (1.遼寧蘇文工程設(shè)計(jì)有限公司,沈陽,110000;2.沈陽一方正和工程技術(shù)咨詢有限公司,沈陽,110000)

        1 引言

        洪水泛濫對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定帶來眾多不利影響,為了改善這種情況,很多城市采取了防洪排澇治理工程建設(shè)[1-3]。在工程建設(shè)之前,準(zhǔn)確獲取河道水面線是十分必要的,可為防洪建筑物修建提供基本參數(shù),若水面線推求結(jié)果偏大則直接造成工程投資偏大,若水面線推求結(jié)果偏小則造成設(shè)計(jì)工程不能滿足防洪需求[4-6]。為了準(zhǔn)確獲取河道水面線,較多的專家、學(xué)者研究出了不同的計(jì)算方法,均取得了較為豐碩的成果。目前,針對水面線推求的方法主要包括:HEC-RAS模型模擬、MIKE21模擬、公式計(jì)算等[7-9]。本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對小渾河防洪排澇工程水面線推求進(jìn)行分析。

        2 工程概況

        燈塔市小渾河疏浚及攔河壩工程以防洪為主,兼有景觀、環(huán)境等綜合效益。攔河壩采用水力自控翻板閘,長73.35m,寬53m。攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇標(biāo)準(zhǔn),校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇標(biāo)準(zhǔn)。攔河壩分為水力自控翻板閘段和調(diào)節(jié)閘段。小渾河河長21km,主河槽寬18m,豐水期流量89m3/s。工程以上集水面積由五萬分之一地形圖量算得F=355km2,河道長度L=34.3km,河道平均比降J=0.55‰。水文分區(qū)為Ⅰ2區(qū)。攔河壩平面布置見圖1。

        圖1 攔河壩平面布置

        3 暴雨及洪水特征分析

        3.1 暴雨特征

        小渾河流域暴雨受天氣系統(tǒng)影響,較大降水過程一般集中在3天以內(nèi),而且多以暴雨形式出現(xiàn)。最大3天雨量一般約占年量的15%左右,雨型呈東北西南向或西南西到東北東帶狀分布。

        小渾河流域內(nèi)降水量四季變化明顯,年內(nèi)分配很不均勻。一般6月份才進(jìn)入雨季,7-8月份為降雨全盛時(shí)期,約占全年的85%~95%,其中又以7月下旬、8月上旬為最多,約占全年的56%左右。

        3.2 設(shè)計(jì)洪水

        此次治理工程位于小渾河佟二堡鎮(zhèn)段,由于河道無水文站,缺乏相關(guān)水文數(shù)據(jù),采用以下方法推求設(shè)計(jì)洪水。

        (1)基本資料

        工程以上集水面積為F=355km2,河道長度L=34.3km,河道平均比降J=0.55‰。水文分區(qū)為Ⅰ2區(qū)。

        (2)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

        工程以上集水面積大于300km2,采用“遼寧產(chǎn)匯流計(jì)算方法”進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算,小渾河P=5%洪峰流量Q=326m3/s;P=2%洪峰流量Q=443m3/s。

        4 設(shè)計(jì)水面線計(jì)算

        4.1 攔河壩水位計(jì)算

        攔河壩過流能力采用下式計(jì)算:

        Q=nσεψWQ單

        (1)

        (2)

        式中:Q為翻板壩泄流量;n為閘孔數(shù);σ為淹沒系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù);ψ為行進(jìn)流態(tài)影響系數(shù);W為行進(jìn)流速折減系數(shù);Q單為單扇閘門泄流量。

        泄流曲線計(jì)算成果見表1及圖2。

        表1 翻板閘泄流量計(jì)算成果

        圖2 水位~流量關(guān)系曲線

        采用內(nèi)插法計(jì)算攔河壩20年一遇、50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)水位,計(jì)算結(jié)果為P=5%、P=2%洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)水位分別為16.66m、17.70m。

        4.2 河道水面線推求

        此次河道疏浚及綜合治理工程,水面線推算采用20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),洪峰流量采用326m3/s。

        4.2.1 設(shè)計(jì)河底

        此次治理段河道所處地貌單元為平原,地形平緩,河道比降較小。根據(jù)遼官線佟興橋下游河道現(xiàn)狀、河底高程,進(jìn)行河道疏浚。河道疏浚段內(nèi)小渾河河道設(shè)計(jì)比降15‰。起點(diǎn)為擬建攔河壩壩址上游0.1km處,設(shè)計(jì)河底高程11.93m。河道疏浚及綜合治理工程可分為兩部分,一部分為佟二堡大橋段,起點(diǎn)位于設(shè)計(jì)攔河壩上游0.1km處,終點(diǎn)至佟二堡大橋;另一部分為佟興橋段,起點(diǎn)位于佟興橋,終點(diǎn)至原西小渾河入河口處。

        4.2.2 起點(diǎn)水位及糙率

        經(jīng)分析計(jì)算,20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí),攔河壩處水位高程為16.66m,該斷面作為水面線推求的起點(diǎn)水位。

        小渾河具有典型的平原河道特征,河道較為平緩、順直,是單一的U形河槽,河床質(zhì)大多由耕植土、粉質(zhì)粘土以及河道沉積物組成。根據(jù)臨近地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn),小渾河糙率系數(shù)應(yīng)在0.025~0.032間,綜合考慮取0.03。

        4.2.3 水面線計(jì)算

        疏浚段河道水面線推求采用能量方程進(jìn)行推算,公式如下:

        (3)

        式中:Z1、Z2分別為下、上游斷面的水位,m;hf、hj分別為上下斷面間的沿程、局部水頭損失,m;u1、u2分別為下、上游斷面的流速,m/s。

        由以上公式計(jì)算,小渾河水面線推算成果見表2。從表2中可知,擬建攔河壩址處設(shè)計(jì)河底高程為11.91m,設(shè)計(jì)水面線為16.66m。

        表2 小渾河水面線計(jì)算成果

        5 攔河壩設(shè)計(jì)

        5.1 攔河壩穩(wěn)定分析及地基應(yīng)力計(jì)算

        本工程攔河壩采用水力自控翻板閘,攔河壩地基換填砂礫料層,基礎(chǔ)承載能力按照280kPa考慮。

        5.1.1 計(jì)算工況與允許安全系數(shù)

        根據(jù)工程建設(shè)情況,計(jì)算以下5種工況下攔河壩的穩(wěn)定性情況,分別為完建、正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和地震。

        5.1.2 計(jì)算公式

        抗滑穩(wěn)定計(jì)算

        (4)

        式中:KC為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為基底與地基的摩擦系數(shù),取0.4;∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載,kN;∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載,kN。

        5.1.3 基底應(yīng)力計(jì)算

        (5)

        式中:Pminmax為閘室基地應(yīng)力的最大值、最小值,kPa;∑M為對于地基底面垂直水流方向的形心軸的力矩,kN·m;A為基底面積,m2;W為對于垂直水流方向的形心軸的截面距,m3。

        計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

        表3 攔河壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

        表4 攔河壩基底應(yīng)力最大值與最小值之比值成果

        根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算成果,攔河壩在各工況下穩(wěn)定性均滿足要求,大壩結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)攔河壩極低最大應(yīng)力小于280kPa,壩基土承載力也滿足需求。

        5.2 消力池底板厚度計(jì)算

        消力池底板厚度需要滿足抗沖、抗浮要求。

        5.2.1 計(jì)算情況

        分別計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量為洪峰流量值的25%、50%、75%、100%時(shí)的消力池底板厚度。

        5.2.2 計(jì)算公式

        (1)抗沖計(jì)算

        (6)

        式中:t為底板厚度,m;k1為計(jì)算系數(shù),取0.2;q為設(shè)計(jì)單寬流量,m3/s·m;△H為上、下游水位差,m。

        (2)抗浮計(jì)算

        (7)

        式中:k2為安全系數(shù),取1.2;U為揚(yáng)壓力,m3/s;W為水重,m;γb為底板飽和重度,kN/m3;Pm為脈動(dòng)壓力,其值取躍前收縮斷面流速水頭值的5%。

        計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

        表5 消力池底板抗沖計(jì)算成果

        表6 消力池底板抗浮計(jì)算成果

        通過以上分析計(jì)算,消力池在設(shè)計(jì)洪峰流量25%時(shí),底板計(jì)算厚度最大。考慮到施工方便和預(yù)留富余安全余量,消力池底板厚度取0.5m。

        6 結(jié)論

        (1)通過內(nèi)插法計(jì)算不同頻率下小渾河的洪水水位,攔河壩20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)水位16.66m;50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)水位17.70m。

        (2)通過地質(zhì)調(diào)查結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定小渾河工程河道糙率取值為0.03,利用能量公式推求水面線。

        (3)通過計(jì)算,河道地基土承載力滿足小渾河攔河壩承載力需求,在各個(gè)工況下攔河壩的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。通過計(jì)算,為了滿足抗浮、抗沖刷要求,同時(shí)預(yù)留施工安全余量,確定消力池板厚為0.5m??蔀轭愃乒こ烫峁﹨⒖?。

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