徐州市銅山區鄭集河地涵除險加固工程設計

2020-11-20 08:48:32許可

陜西水利 2020年8期

許可

（安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽合肥 230088）

0 引言

水利工程在長期使用過程中均會出現一定程度的老化、破損[1～3]，這將對工程作用的穩定發揮產生不利影響，造成建筑物穩定性降低。針對這種情況，往往需要對水工建筑物的情況進行安全鑒定，為其除險加固方案設計提供參考意見[4～6]。針對安全情況較差的建筑物，往往采用拆除重建的方法進行處理，以保證工程的穩定性和其作用的發揮[7～10]。而鄭集河地涵就屬于拆除重建的水利建筑，本文對地涵重新設計方案進行研究。

1 工程概況

鄭集河地涵位于順堤河。該工程分兩期建設。1960 年建成西涵洞，規劃流域面積250 km2。1973 年順堤河向上延長至沛縣姚樓河，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254 m，洞底高程26.77 m。鋼筋混凝土平板閘門，螺桿式啟閉機。東涵洞2 孔，每孔寬3.5 m，涵高4.42 m，全長215 m，洞底高程29 m。鋼筋混凝土平板閘門，螺桿式啟閉機。

2 除險加固必要性分析

目前，銅山區鄭集河地涵主要存在以下問題：水閘過流能力不足；涵洞洞身混凝土碳化現象嚴重，混凝土厚度已不能達到保護層厚度要求，且局部混凝土開裂鋼筋出露，涵洞強度難以滿足要求；涵洞埋深較淺，對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構，對地涵的抗震及防滲安全較為不利；水閘啟閉機金屬結構老化，混凝土閘門出現開裂、漏筋、碳化等現象，存在較大的安全隱患；地涵缺乏必要的安全監測設施。由于該水利工程已經建成并投入使用多年，結構強度較低，綜合考慮對其進行拆除重建是十分必要的。

3 除險加固工程設計

3.1 方案比選

鄭集河地涵現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。

現因鄭集河地涵分為西涵洞和東涵洞兩部分，對新涵洞合建及分建方案進行比選。

表1 地涵建設方案比選表

通過比選，從工程設計、施工導流對堤防和周圍建筑物影響及投資方面考慮，合建方案實施起來更容易，開挖堤防少，周圍建筑物少，對施工影響小，工程投資省，故選擇合建方案。

3.2 引水方案

目前，在下級湖水位較低，鄭集河引下級湖水困難的時期，可通過順堤河和鄭集河東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。本工程對東地涵拆除重建，順堤河向鄭集河補水無法實現，現對結合地涵建設（開天窗）及單獨新建引水閘兩種方案進行比選。

（1）順堤河入鄭集河引水方案

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

方案二（單獨新建引水閘）：鄭集河東地涵與引水閘分開建設，在鄭集河東地涵西側南堤上新建單獨的引水閘。引水閘布置在鄭集河東地涵西側南堤上，與地涵平行布置，共5 孔5.0 m×4.0 m 進水閘。

（2）方案比選及推薦

方案比選見表2。由表2 可知：方案一（結合地涵建設）總體布置緊湊、永久占地少，管理運行和維護方便，投資省。經比選，推薦方案一。

表2 順堤河送水方案比選表

3.3 地涵整體設計

3.3.1 地涵過流能力設計

5 年一遇水位：下游水位31.65 m，過流127.09 m3/s；10 年一遇水位：下游水位31.85 m，過流185.78 m3/s。

鄭集河地涵現狀東涵洞為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，現地涵擬取5 孔，每孔凈寬5 m，凈高5 m，倒虹吸式。

倒虹吸過流能力按下式進行計算：

式中：Q 設計流量，m3/s；m 流量系數；A 過水斷面面積，m2；g重力加速度，m/s2；Z 水位差，m；∑ξ 水頭損失系數總和；λ 能力損失系數；L 倒虹吸總長度，m；倒虹吸斷面為圓形時，D 為斷面直徑，斷面為矩形時，D 為4R；R 水力半徑（m）；C 謝齊系數。

計算結果見表3。根據表3 計算結果，組合1 過流能力不滿足要求；組合2 和組合3，過流能力均能滿足要求，但前者過流能力與設計流量更吻合，本次設計采用5 年一遇、10 年一遇過閘水位差分別為0.15 m、0.30 m 進行水力計算。

表3 各種水力條件下所需過流能力

3.3.2 地涵消能防沖設計

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