鋼壩在沈陽衛(wèi)工明渠-細(xì)河排水防澇中的應(yīng)用

楊仲韜，資 強(qiáng)，渠元闖，燕家琪，孟 濤

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381)

城市河道水系是城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的出口，是城市排澇系統(tǒng)的重要組成部分，雨水管網(wǎng)匯集的城市雨水最終需要經(jīng)過城市河道排出城區(qū)。衛(wèi)工明渠-細(xì)河水系是沈陽市鐵西區(qū)、于洪區(qū)的平原分汊河流，汛期則肩負(fù)著河道沿線雨污排水和農(nóng)田排澇的重要任務(wù)。為保證上述排水系統(tǒng)充分發(fā)揮預(yù)期的排水功能，在對(duì)河道進(jìn)行清淤疏浚的基礎(chǔ)上，通過建設(shè)鋼壩分流雨水泵站汛期排河的大流量水體，調(diào)整下游汊道的泄洪流量，優(yōu)化河道行洪體系，從而保障河道行洪安全。

1 工程概況

衛(wèi)工明渠是沈陽鐵西區(qū)的一條人工河，北起新開河分水閘，一路向南在大通湖街橋北側(cè)約2.1km處匯入細(xì)河，全長約7.6km。細(xì)河是渾河的一級(jí)支流，全長78.2km，源于衛(wèi)工明渠南端，沿渾河北側(cè)流向西南，流經(jīng)鐵西區(qū)、楊士屯、翟家、大潘、寬場(chǎng)、土臺(tái)子，在遼中縣黃臘坨北村匯入渾河；細(xì)河河寬8～35 m，水深0.5～1.5 m，河床坡降為0.26‰，河道彎曲系數(shù)約為1.81[1- 2]。衛(wèi)工明渠-細(xì)河水系是典型的平原分汊型河流，存在一個(gè)分流點(diǎn)和一個(gè)匯流點(diǎn)，該水系平面及沿線排河泵站、水廠的點(diǎn)位如圖1所示。

目前，衛(wèi)工明渠-細(xì)河水系主要功能是接納河道沿線匯入的雨水和污水處理廠排放的尾水[3]，其中汛期衛(wèi)工明渠上游沿線雨水排入量為17.5m3/s；沈遼泵站設(shè)計(jì)最大排河流量為5.5m3/s；攬軍合流泵站設(shè)計(jì)最大排河流量為4.5m3/s；攬軍雨水泵站設(shè)計(jì)最大排河流量為30m3/s；滑翔泵站設(shè)計(jì)最大排河流量為10m3/s；騰飛二街泵站設(shè)計(jì)最大排河流量為5m3/s；仙女河污水廠尾水排河流量為6m3/s。

圖1 衛(wèi)工明渠和細(xì)河水系平面示意圖

自2017年以來，沈陽市先后啟動(dòng)了兩批次排水防澇工程項(xiàng)目，通過新建和改造排水管網(wǎng)、泵站和河道以全面提升沈陽市排水防澇系統(tǒng)的能力，使之達(dá)到3年一遇排水標(biāo)準(zhǔn)。但是，在對(duì)衛(wèi)工明渠下游河段進(jìn)行清淤疏浚、堤防整修后，由于該段“攬軍路箱涵”的過流能力不足，僅約為50m3/s，造成該段河道排水不暢，依然面臨洪水漫堤的風(fēng)險(xiǎn)，如果繼續(xù)加高河道堤防則會(huì)與兩岸地勢(shì)不協(xié)調(diào)，且工程經(jīng)濟(jì)性較差。

基于上述河道排水防澇現(xiàn)狀及存在的問題，擬在攬軍雨水泵站的排水口處建設(shè)擋水壩，具體位置如圖2所示。此擋水壩在非汛期時(shí)可以與橡膠壩共同起到蓄水、營造水面景觀的作用，在汛期河道行洪時(shí)可以全部升起以分流攬軍雨水泵站的出水，合理分配下游汊道在行洪時(shí)的流量，以達(dá)到充分利用衛(wèi)工明渠和細(xì)河過流能力、保障排澇安全的目的。

圖2 擋水壩選址位置

擋水壩建成后可以將攬軍雨水泵站30m3/s的排河流量分流，其中的20m3/s流量通過東側(cè)排水箱涵排入細(xì)河，充分利用“路官二街倒虹吸”的過流能力分擔(dān)衛(wèi)工明渠“攬軍路箱涵”的泄洪流量；攬軍雨水泵站另外的10m3/s流量通過西側(cè)排水箱涵排入細(xì)河，與攬軍合流泵站排河的4.5m3/s流量一起通過衛(wèi)工明渠排至下游河段。上述方案可在不增加額外工程投資的基礎(chǔ)上減小衛(wèi)工明渠“攬軍路箱涵”的泄洪壓力，保障相應(yīng)河段在行洪期間的堤頂超高滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)SL252—2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[4]及GB50288—2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]，本攔水壩主要建筑物(壩體基礎(chǔ)、翼墻等)級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物(鋪蓋、消力池等)級(jí)別為4級(jí)。

2 壩型比選

城市河道治理設(shè)計(jì)中常用的可以滿足汛期坍壩行洪的壩型有鋼壩、液壓壩、橡膠壩、水力自提翻板壩[6- 7]等，每種水壩各有其特點(diǎn)和使用條件。首先，水力自提翻板壩建設(shè)價(jià)格相對(duì)較低，施工安裝簡單，運(yùn)行管理方便，無須外接動(dòng)力電源[8]，但啟閉完全由上下游水位控制，無法在本工程中起到對(duì)泵站排水的分流作用，故首先排除。其次，液壓壩的啟閉原理是采用液壓支撐桿直頂活動(dòng)攔水壩面的背部以實(shí)現(xiàn)升壩攔水[9]，其工作原理限定了它只能阻擋上游一側(cè)的來水而不能雙側(cè)擋水，可以在非汛期起到蓄水作用，但是在汛期同樣無法起到對(duì)泵站排水的分流作用，并且液壓桿及支撐桿長期浸泡水中被水沖刷極易發(fā)生故障，液壓油路管埋在砼基座下，無法檢修，難以用于本工程的使用工況。再次，橡膠壩是通過對(duì)壩袋充氣或水使其膨脹以達(dá)到阻水目的[10]，可以用于雙側(cè)擋水，但壩袋采用合成纖維織物結(jié)合橡膠制成，易受河中漂浮物劃傷及人為破壞，需常檢修，壽命較短，且橡膠壩的充高與坍壩不如液壓壩或鋼壩快捷方便，如遇暴雨驟降難以及時(shí)啟閉。

鋼壩是河道整治工程中常用的水工建筑物，在國內(nèi)的工程實(shí)例較多[11- 14]。鋼壩又稱底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門，它由土建構(gòu)筑物、帶固定軸的鋼性壩體、動(dòng)力裝置設(shè)備等組成。當(dāng)閘門豎起或部分開啟時(shí)允許門頂溢流，形成人工瀑布的景觀效果，可以調(diào)節(jié)上下游水位；當(dāng)閘門倒下時(shí)，門葉與上游閘底板處于同一高程，泄洪時(shí)不阻水。鋼壩壩門的啟閉是靠底軸傳動(dòng)，適用于上下游雙側(cè)擋水的工況，并且啟閉速度快，能及時(shí)對(duì)暴雨驟降或泵站強(qiáng)排等突發(fā)工況做出及時(shí)反映。鋼壩的造價(jià)雖然較前三種壩型高，但是結(jié)合本工程總體投資情況，考慮本攔河壩在河道排水防澇治理工程中的重要性，其造價(jià)還是可以接受的。綜上所述，本攔水壩壩型采用鋼壩。

3 鋼壩總體布置

鋼壩所在河段為矩形斷面，底寬20.0m，河底高程35.0m，堤頂高程38.30m。鋼壩設(shè)計(jì)總長度(沿水流方向)58.6m，設(shè)計(jì)孔口寬度20.0m，壩門高度3.0m，壩門數(shù)量1扇。鋼壩兩側(cè)設(shè)啟閉機(jī)室，采用2 臺(tái)液壓啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉操作。鋼壩與攬軍泵站統(tǒng)一管理運(yùn)營，鋼壩控制柜置于泵站內(nèi)，鋼壩自動(dòng)控制系統(tǒng)接入泵站管理平臺(tái)。鋼壩的設(shè)計(jì)縱剖面和橫剖面如圖3—4所示，其土建部分由上游消力池、上游鋪蓋、壩體及下游消力池四部分組成，因鋼壩上下游河道均采用混凝土硬化，故本設(shè)計(jì)不設(shè)置海漫及防沖槽，鋼壩各部分設(shè)計(jì)如下。

圖3 鋼壩縱剖面圖

圖4 鋼壩橫剖面圖

(1)上游消力池

上游消力池主要功能為防止泵站西側(cè)箱涵排水對(duì)河底的沖刷。該段設(shè)計(jì)長度(沿水流方向)為18.6m，采用鋼筋混凝土整體澆筑，底板厚度為800mm，下設(shè)100mm厚素混凝土墊層及300mm厚碎石墊層。

(2)上游鋪蓋

上游鋪蓋段主要起過渡水流、保護(hù)鋼壩壩體穩(wěn)定、增加滲徑的作用，設(shè)計(jì)長度(沿水流方向)為8.0m，采用鋼筋混凝土整體澆筑，底板厚度為800mm。

(3)壩體

擋水壩壩體段由壩門、壩軸、防鎮(zhèn)墩及基礎(chǔ)底板等組成?；A(chǔ)底板為平板式，采用鋼筋混凝土整體澆筑，設(shè)計(jì)長度(沿水流方向)為10.0m，底板(最薄處)厚度為1500mm。底板上設(shè)二期澆筑混凝土預(yù)留槽以安裝壩軸、電纜穿管、止水橡膠等。

(4)下游消力池

下游消力池主要功能為防止上游來水及泵站東側(cè)箱涵排水對(duì)河底的沖刷，本段消能防沖設(shè)計(jì)按最不利工況即河道來水達(dá)到最大流量時(shí)壩體突然下坍考慮，采用SL265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中的公式計(jì)算。該段設(shè)計(jì)長度(沿水流方向)為22.6m，采用鋼筋混凝土整體澆筑，底板厚度800mm，消力池前端為坡連接段，長度1.5m，坡度1∶3，池深1000mm。

上述四部分結(jié)構(gòu)之間均設(shè)30mm伸縮縫，采用瀝青木絲板填充；底板兩側(cè)均設(shè)鋼筋混凝土擋墻與底板整體澆筑，擋墻長度同各段長度，并順接上下游河道擋墻。

4 鋼壩的分流作用計(jì)算

4.1 計(jì)算方程

河道一維水動(dòng)力模型采用圣維南方程組，該方程包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量方程，公式為：

(1)

(2)

式中，Z—水位，m；B—河寬，m；Q—流量，m3/s；

A—河道過水面積，m2；R—水力半徑，m；q—單位河長側(cè)向入流量，m2/s；α—斷面動(dòng)量修正系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；C—謝才系數(shù)，m；t—時(shí)間，s；x—沿河歷程，m。

除式(1)—(2)外，針對(duì)河道汊點(diǎn)補(bǔ)充連接條件[16]，公式為：

ΣQi-ΣQ0=0

(3)

Zi-Z0=0

(4)

采用Preissmann隱式差分格式離散式(1)—(2)，并利用Newton-Raphson方法求解離散形成的非線性方程組；同樣采用Newton-Raphson法求解式(3)—(4)[16]。具體求解方法較為成熟，本文不再冗述。

4.2 計(jì)算范圍及邊界條件

本模型上游計(jì)算邊界為兩河北側(cè)交匯點(diǎn)上游500m處，下游邊界為兩河南側(cè)交匯點(diǎn)下游300m處，上游邊界條件為流量，下游邊界條件為正常水深。河道斷面形態(tài)及底高程采用河道清淤疏浚工程實(shí)施后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。行洪期間河道沿線匯流雨水及泵站、水廠的排水以側(cè)向流量的形式加入模型，具體流量值詳見本文第1部分。

4.3 計(jì)算工況

按以下兩種工況分別計(jì)算河道水面線。

倦怠和抑郁有密切關(guān)聯(lián)，所以2018年醫(yī)景網(wǎng)特別調(diào)查了抑郁狀況，調(diào)查結(jié)果說明抑郁會(huì)使美國醫(yī)生減少工作投入，對(duì)患者和同事更加缺乏耐心，甚至導(dǎo)致醫(yī)療差錯(cuò)。長期倦怠會(huì)造成抑郁，抑郁會(huì)帶來更加嚴(yán)重的后果，倦怠作為抑郁的前兆，應(yīng)作為醫(yī)生健康的重要指針常態(tài)化觀測(cè)，防患于未然。

工況1：鋼壩完全開啟，攬軍雨水泵站及攬軍合流泵站的排水進(jìn)入細(xì)河后根據(jù)實(shí)際地形和水勢(shì)情況，通過衛(wèi)工明渠和細(xì)河分別流至河道下游。

工況2：鋼壩完全升起，攬軍雨水泵站排河流量中的20m3/s通過東側(cè)排水箱涵排入細(xì)河；另外的10m3/s通過西側(cè)排水箱涵排入細(xì)河，與攬軍合流泵站排河的4.5m3/s一起通過衛(wèi)工明渠排至下游河段。

4.4 計(jì)算結(jié)果

兩種工況下衛(wèi)工明渠“攬軍路箱涵段”和細(xì)河“路宮二街倒虹吸段”的水面線計(jì)算結(jié)果如圖5—6所示。通過該計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在工況1(鋼壩完全開啟)的條件下，攬軍路箱涵上游段水面線高程為37.88～37.98m，下游段水面線高程為36.58～37.68m，攬軍路箱涵已承壓，且城東湖橋街附近水面線高程已高于設(shè)計(jì)堤頂，河道堤防無法滿足汛期行洪要求；細(xì)河“路宮二街倒虹吸”上游段水面線高程為36.96～37.08m，該段的設(shè)計(jì)堤頂仍有較大的富裕高度沒有利用。在工況2(鋼壩完全升起)的條件下，攬軍路箱涵上游段水面線高程為36.85～37.12m，下游段水面線高程為36.07～36.79m，平均值較工況1下降了約0.8m，且攬軍路箱涵變?yōu)榉菨M流，此工況下該段河道堤防可以滿足汛期行洪要求；細(xì)河“路宮二街倒虹吸”上游段水面線高程為37.65～37.78m，平均值較工況1上升了約0.71m，但也能滿足該段堤防的防洪要求。綜上所述，衛(wèi)工明渠-細(xì)河水系在工況2下的防洪條件明顯好于工況1，鋼壩的分流作用對(duì)于優(yōu)化該分汊河流行洪體系的效果顯著。

圖5 衛(wèi)工明渠攬軍路箱涵段水面線計(jì)算結(jié)果

圖6 細(xì)河路宮二街倒虹吸段水面線計(jì)算結(jié)果

5 防滲排水設(shè)計(jì)

本工程鋼壩壩址處地基持力層為②級(jí)配不良粗砂，該地層為黃褐色，稍密-中密，濕，礦物成分以石英、長石、云母為主，含少量圓礫，該層連續(xù)分布于場(chǎng)地各建筑物地層下方，層厚3.20～10.20m。該土層為強(qiáng)透水，滲透穩(wěn)定性較差，級(jí)配不良粗砂層在動(dòng)水壓力作用下，可能產(chǎn)生滲透變形，經(jīng)判別其變形形式為管涌，建議J允=0.20。

本設(shè)計(jì)主要對(duì)擋水壩進(jìn)行水平防滲：在壩體上游連接段布置8m長鋼筋混凝土鋪蓋，以增加地基滲徑長度；上游及下游消力池底板均勻布設(shè)φ75塑料排水孔，排水孔伸至碎石墊層，端頭包裹300g/m2土工布起到濾土排水作用。

SL265—2016[17]中規(guī)定閘基防滲輪廓線長度應(yīng)滿足如下公式要求：

L=CΔH

(5)

式中，L—閘基防滲長度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和，m；ΔH—上、下游水位差，m；C—允許滲徑系數(shù)值。

本鋼壩基底粗砂的允許滲徑系數(shù)C取5，上、下游最大水位差ΔH為2.8m，防滲長度[L]=CΔH=5×2.8=14m，設(shè)計(jì)防滲輪廓線總長24.2m>[L]，滿足要求。此外，本鋼壩下游河底配合河道整治工程采用混凝土硬化，所以閘基出口段不會(huì)發(fā)生滲流破壞，抗?jié)B穩(wěn)定滿足要求。

6 壩體穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)SL265—2001[17]，復(fù)核壩體底板的地基承載力、抗滑穩(wěn)定及抗浮穩(wěn)定。

地基承載力計(jì)算公式為：

(6)

閘室底板抗滑穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算公式為：

(7)

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

式中，Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f—堰體基礎(chǔ)與地基接觸面抗剪摩擦系數(shù)，0.3；ΣH—作用在閘室上全部水平荷載，kN；其他變量含義同前。

閘室底板抗浮穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算公式為：

(8)

式中，Kc—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣV—作用在閘室基底面上的揚(yáng)壓力，kN；其他變量含義同前。

經(jīng)計(jì)算，鋼壩閘室在各種工況下的基底壓力均小于地基允許承載力260kPa，基底應(yīng)力的最大值與最小值之比、抗滑穩(wěn)定系數(shù)、抗浮穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

7 結(jié)語

本鋼壩自建成后，已經(jīng)歷多次大強(qiáng)度、長歷時(shí)的降雨考驗(yàn)，運(yùn)行良好，啟閉速度快，壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。鋼壩升起后對(duì)攬軍雨水泵站汛期排河的大流量水體的分流作用顯著，有效的降低了另一側(cè)汊道的洪水位，優(yōu)化了衛(wèi)工明渠-細(xì)河的行洪體系并保障了河道行洪安全。本設(shè)計(jì)成果為城市分汊河流排澇治理和鋼壩工程設(shè)計(jì)提供了新思路，今后的相關(guān)研究可以在本文的基礎(chǔ)上采用二維河道水動(dòng)力模型研究鋼壩位置的水動(dòng)力特性，優(yōu)化鋼壩開啟角度，進(jìn)一步完善相關(guān)研究工作。