于思洋

(沈陽宇坤工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

十家子河為大凌河的I級(jí)支流，發(fā)源于朝陽縣大廟鄉(xiāng)北部的大青山脈，流經(jīng)龍城區(qū)的邊杖子鄉(xiāng)、七道泉子鎮(zhèn)和雙塔區(qū)的孟克鄉(xiāng)，由西向東于朝陽城區(qū)北部的扣北村匯入大凌河。鐵路橋以上流域面積643.4 km2，河道全長42 km，河道平均比降13‰。十家子河3號(hào)人工湖工程主要由1座擋水建筑物形成的1片人工湖水域及其景觀帶組成。擋水建筑物為十家子河3號(hào)橡膠壩，壩址位于龍城橋上游75 m。十家子河3號(hào)橡膠壩壩長為165 m，橡膠壩分為3跨，每跨長55 m，壩高為2.3 m。橡膠壩底板高程為162.00 m，蓄水水面高程為164.30 m。

1 十家子河橡膠壩現(xiàn)狀

橡膠壩在北方地區(qū)技術(shù)成熟[1]，外形美觀，壩高可以調(diào)節(jié)，運(yùn)行方便，汛期塌壩，對(duì)河道行洪影響較小，泄流量大，造價(jià)適中。加之大凌河干流上景觀攔河建筑物均為橡膠壩，運(yùn)行管理協(xié)調(diào)方便，資源配置合理，采用橡膠壩方案對(duì)于總體防洪調(diào)度也是比較方便和有利的[3]，因此，在十家子河攔河建筑物采取橡膠壩方案特別合適。

十家子河3號(hào)攔河建筑物采用橡膠壩擋水，為充水式橡膠壩，總長為165 m，每跨長55 m，蓄水水面高程為164.5 m。橡膠壩底板高程為162.0 m，厚為1.0 m，順?biāo)鞣较蜷L7.0 m。上游鋪蓋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L5.0 m，鋪蓋頂高程162.0 m，厚0.4 m。下設(shè)500 g/m2復(fù)合土工膜與原河道土工膜相接。兩側(cè)翼墻頂高程為165.95 m。下游消力池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，消力池順?biāo)鞣较蜷L8.0 m，深度0.55 m，消力池底板高程161.45 m，厚0.5 m，兩側(cè)翼墻高程為165.95 m。護(hù)坦為鉛絲石籠結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L10.0 m，護(hù)坦高程162.00 m，厚0.4 m，下設(shè)100 mm厚粗砂墊層，粗砂墊層下為400 mm厚砂礫料墊層。護(hù)坦下游設(shè)置長7.0 m，深1.0 m的防沖槽。橡膠壩管理房設(shè)在壩的左岸堤內(nèi)。

2 橡膠壩水力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橡膠壩布置

十家子河3號(hào)橡膠壩位于龍城橋上游66 m，回水至龍城橋上游780 m處。攔河壩由橡膠壩及泵房組成，橡膠壩壩軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1 橡膠壩控制點(diǎn)坐標(biāo)

2.1.1 壩長的確定

根據(jù)橡膠壩壩址所在位置的河槽寬度、檢修需要，同時(shí)滿足坍壩時(shí)河道設(shè)計(jì)行洪要求，確定橡膠壩壩長、泄洪凈寬、跨數(shù)，以及中墩厚度。

2.1.2 壩頂高程的確定

依據(jù)城市整體規(guī)劃，在河道上修建橡膠壩以形成一片人工水域，滿足開發(fā)旅游、美化環(huán)境、改善自然景觀的要求[4]。同時(shí)考慮橡膠壩需形成連續(xù)水面的要求，結(jié)合地面高程，確定橡膠壩壩頂高程。

2.1.3 橡膠壩底板高程的確定

本工程屬于北方多泥沙河流，為最大限度地滿足泄洪斷面的要求，使洪水暢行無阻，采用橡膠壩底板高程與河道底坡齊平。

2.2 泄流能力計(jì)算

2.2.1 橡膠壩溢流能力計(jì)算

為防止橡膠壩袋在共振區(qū)運(yùn)行，根據(jù)規(guī)范壩上溢流水深控制在0.3 m，依據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》在不同壩高時(shí)的泄流量按下列公式計(jì)算：

(1)

式中：Q為過壩流量，m3/s；δ為淹沒系數(shù)，δ=1；ε為側(cè)收縮系數(shù)，ε=1.0；B為泄流壩寬，取B=165 m；h0為計(jì)入行近流速的堰頂水頭；m為流量系數(shù)。

(2)

式中： H0為壩袋內(nèi)壓水頭(m)；H為運(yùn)行時(shí)壩袋充脹的實(shí)際壩高(m)；h1為壩上游水深(m)；h2為壩下游水深(m)；橡膠壩溢流能力計(jì)算結(jié)果見表2和表3。

表2 十家子3號(hào)橡膠壩溢流水位與流量關(guān)系

2.2.2 橡膠壩泄流能力計(jì)算

當(dāng)壩上水深超過0.3 m時(shí)，橡膠壩坍壩開始泄洪，視作寬頂堰，泄流量按下列公式計(jì)算：

公式同上，m取0.35，計(jì)算結(jié)果見表3。滿足河道泄洪要求。

表3 橡膠壩壩址水位與泄量

2.3 消能防沖設(shè)計(jì)

2.3.1 消能型式及控制工況選定

當(dāng)河道流量較大時(shí)，橡膠壩處于坍壩狀態(tài)，建在河道上的橡膠壩，一般采用底流消能，隨著橡膠壩坍壩，若按上游水位初期不變，流量隨橡膠壩落而增大，下游水深也逐漸升高，按(hc"-ht)為最大值的工況進(jìn)行下游消能防沖計(jì)算。

2.3.2 橡膠壩消力池計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，橡膠壩壩袋兩孔坍壩時(shí)，(hc"-ht)為最大值。計(jì)算成果見表4。

表4 橡膠壩消力池計(jì)算成果表

2.3.3 消力池底板厚度計(jì)算

消力池底板厚度根據(jù)抗沖和抗浮計(jì)算，采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 橡膠壩消力池底板厚度表

(3)

(4)

式中：q為過壩單寬流量(m3/s)；K1為消力池底板計(jì)算系數(shù)，K1=0.2；△H′為壩泄水時(shí)的上、下游水位差(m)；K2為消力池底板安全系數(shù)，K2=1.3；U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力(KPa)；W為作用在消力池底板頂面的水重(KPa)；Pm為作用在消力池底板上的脈動(dòng)壓力(KPa)； γb為消力池底板的飽和重度(KN/m3)；

2.3.4 滲流穩(wěn)定計(jì)算

防滲長度計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式：

L=CΔH

(5)

式中：L為防滲長度(m)；C為允許滲徑系數(shù)，采用5；△H為上下游水位差(m)。

橡膠壩實(shí)際防滲長度見表6。

表6 橡膠壩防滲長度及鋪蓋長度表

2.3.5 下游護(hù)坦設(shè)計(jì)

下游護(hù)坦計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式：

(6)

式中：Ks為護(hù)坦長度計(jì)算系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況，Ks取12.0；qs為消力池末端單寬流量(m3/s)。

計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 橡膠壩護(hù)坦長度表

2.3.6 下游防沖槽設(shè)計(jì)

河床沖刷深度計(jì)算，采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 橡膠壩防沖槽結(jié)構(gòu)表

(7)

式中：dm為護(hù)坦末端河床沖刷深度(m)；qm為護(hù)坦末端單寬流量(m3/s)；[v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速(m/s)；hm為護(hù)坦末端河床水深(m)。

防沖槽結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》6中公式：

(8)

式中：h為防沖槽砌置深度(m)；t為沖刷坑上游鋪砌厚度，t=0.6 m；m1，m2為防沖槽上下游邊坡系數(shù)， m1=2～3，m2=3；m為沖刷坑上游邊坡系數(shù)， m=3；K為考慮塊石在水流作用下鋪砌不均勻的安全系數(shù)， K=1.3。

2.4 壩體穩(wěn)定計(jì)算

2.4.1 確定壩底板長度

壩底板長度按《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》確定。經(jīng)過計(jì)算并考慮橡膠壩地基及穩(wěn)定分析等綜合因素，壩底板長度選定見表9。根據(jù)計(jì)算情況選定橡膠壩底板長度為7.0 m。

表9 橡膠壩底板長度選定表

Ld=L+l1+l2+l3

(9)

式中：Ld為底板順?biāo)鞣较虻拈L度，m；L為壩袋底墊片有效長度，m；l1、l2為上、下游安裝、檢修通道，l3為壩袋坍落貼地長度。

2.4.2 壩體穩(wěn)定計(jì)算

設(shè)計(jì)條件：上游正常蓄水，下游無水。壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表10。根據(jù)表10中成果，橡膠壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，故滿足要求。

表10 橡膠壩穩(wěn)定計(jì)算表

(10)

式中：Kc為計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為壩基底面與基礎(chǔ)之間的摩擦系數(shù)，取0.45；∑G為作用在壩底板上的全部豎向荷載之和；∑H為作用在壩底板上的全部水平荷載之和；[Kc]為基礎(chǔ)底面允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，[Kc]=1.25。

2.4.3 壩基應(yīng)力計(jì)算

壩基底應(yīng)力由下式確定在：計(jì)算結(jié)果見表11。通過計(jì)算表明，基底壓力小于圓礫層地基允許承載力P允=150 KPa，基底壓力不均勻系數(shù)小于規(guī)范允許值。

表11 橡膠壩應(yīng)力計(jì)算表

(11)

式中：T為壩底寬；∑W為垂直力的總和(向下為正，向上為負(fù))；∑M為全部垂直力和水平力對(duì)計(jì)算截面形心的力矩。

2.5 壩袋設(shè)計(jì)

2.5.1 壩袋充脹介質(zhì)方案選擇

橡膠壩壩袋充脹介質(zhì)的選擇應(yīng)綜合考慮壩區(qū)自然條件，遵循管理運(yùn)用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則。初擬橡膠壩壩型為充水式。其優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)充水式橡膠壩最顯著的特點(diǎn)是適用于低水頭大跨度的攔河工程；操作靈活，有效壩高易于控制；汛期可快速放空壩袋，不影響河道行洪。

(2)充水式橡膠壩在壩頂溢流時(shí)性能比較穩(wěn)定，過水均勻，對(duì)下游沖刷小。

(3)充水式橡膠氣密性要求較低，可以降低施工難度，提高運(yùn)行的可靠性。

(4)充水式橡膠壩具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價(jià)低、節(jié)省三材和抗震性能好的特點(diǎn)。

鑒于充水式橡膠壩的以上特點(diǎn)，推薦采用充水式橡膠壩。

2.5.2 壩袋設(shè)計(jì)

橡膠壩壩袋為黑色橡膠制作，采用螺栓錨固。

1)壩袋強(qiáng)度計(jì)算及壩袋膠布的選用

采用公式如下：

(12)

式中：T為壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度，KN/m；γ為水的容重，KN/m3；α為內(nèi)壓比，H0/H1；H0為內(nèi)壓水頭，m；H1為設(shè)計(jì)壩高，m。

根據(jù)工程的重要性和制造廠家的實(shí)際條件，按《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》要求橡膠壩強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)K值應(yīng)大于6以上來選用壩袋膠布的材質(zhì)，使之滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算結(jié)果見表12。

表12 壩袋膠料物理機(jī)械性能要求

2)壩袋有效周長

采用雙錨固線的壩袋，分為壩袋有效周長和底墊片有效長度兩部分。按《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》計(jì)算并考慮壩袋和底墊片加工時(shí)所需的錨固長度。

3)壩袋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》壩袋膠布技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本工程橡膠壩高2.3 m選用二布三膠，壩袋型號(hào)為JBD2.3-300-2，骨架材料型號(hào)為J300300-2型錦綸帆布；堵頭采用二布三膠，采用J160160-2型錦綸布；壩袋錨固型式選用螺栓錨固型式；底墊片：厚≥3 mm。

表13 壩袋及堵頭工程量

4)壩袋充脹容積計(jì)算

由《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》查表得單寬壩袋的充水容積，計(jì)算結(jié)果見表14。

表14 單寬壩袋的充水容積計(jì)算表

3 結(jié)語

十家子河橡膠壩的建成，可以使龍城橋至鐵路橋之間河道內(nèi)污水橫流，垃圾成堆，生態(tài)環(huán)境惡化得到改善，完善了朝陽新城區(qū)的河道景觀建設(shè)，改善了該地區(qū)的居住及投資環(huán)境，使得上下游景觀水面銜接，并在建設(shè)中建設(shè)中結(jié)合河道清理等內(nèi)容改善、加強(qiáng)現(xiàn)有河道行洪能力。