淮南市田家庵區曹咀孜涵排澇工程設計研究

黃曼茹

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司安徽分公司,安徽 合肥 230000）

1 排水工況分析

1.1 自排及抽排工況

本次工程的任務主要是提高曹咀孜涵排澇能力,保障人民的生產財產安全。具體建設內容為拆除原有涵閘,新建為3 孔4 m×3 m（寬×高）鋼筋砼箱涵,配套防洪閘等附屬設施。現狀曹咀孜排水區主要排澇設施有曹咀孜涵、曹咀孜排澇站、姚灣排澇站、新曹咀孜排澇站（抽自排結合）和化肥廠排澇站,澇水可通過抽排和自排兩種方式外排。

（1）自排工況

當淮河水位較低時,通過曹咀孜涵再經新曹咀孜排澇站自排涵自排至淮河。

（2）抽排工況

當淮河水位較高無法自排時,曹咀孜片澇水主要通過曹咀孜排澇站抽排入淮河,多余無法排出的澇水通過曹咀孜涵排出,再由新曹咀孜排澇站、姚灣排澇站和化肥廠排澇站抽排入淮河。

1.2 匯水面積

曹咀孜排水區位于淮南市田家庵圈堤保護區內,匯水面積11.78 km2,由于目前龍王溝排水區有3.91 km2的匯水通過地下涵進入曹咀孜排水分區,曹咀孜片排區實際匯水總面積為15.69 km2。洞化截洪溝下段（匯水面積約6.58 km2）通過高排渠直接匯入淮河。

1.3 設計暴雨分析

由于曹咀孜涵附件流域無雨量站,本次設計采用淮南站實測雨量資料分析,并利用安徽省水利水電勘測設計院1995 年編制的《安徽省長短歷時年最大暴雨統計參數等值線圖》進行復核。

根據淮南站多年實測雨量資料進行分析計算,最大24 h多年平均值為98.7 mm,年最大24 h暴雨的最大值發生在1991 年,為212.7 mm,1974 年居第二位,為186.6 mm,1997 年居第三位,為171.1 mm。最大3 d 多年平均值為131 mm,年最大3 d 暴雨的最大值發生在1991 年,為342 mm。

根據《安徽省長短歷時年最大暴雨統計參數等值線圖》,查圖得本地區年最大24 h 點雨量均值為100 mm,年最大3 d點雨量均值為125 mm,與采用實測資料分析成果基本一致。

由于等值線圖參數考慮了面上平衡,能反映短歷時暴雨地區分布規律,同時比實測資料計算成果稍大,因此,本次設計暴雨采用等值線圖參數進行計算,曹咀孜涵最大24 h 暴雨多年平均點雨量均值采用值為100 mm,20 年一遇、30 年一遇最大24 h 暴雨量分別為212 mm、234 mm,計算成果見表1。

表1 曹咀孜和石姚段暴雨頻率計算成果

2 設計流量計算

本次設計曹咀孜涵設計排澇標準為30 年一遇,排澇模數按最大24 h 暴雨24 h 排出計算,分別計算抽排工況和自排工況兩種工況下的排澇模數,進而求得曹咀孜涵設計流量。

通過量算項目區萬分之一地形圖,結合現有城區地形地貌和城區規劃情況,曹咀孜現狀總排澇面積為15.69 km2,現有城區面積為14.91 km2,水面面積為0.78 km2。由于城區不同地面的下墊面條件不同,不同類型地形的徑流系數也隨地面坡度、土壤滲透情況及暴雨量等因素不同而不同。參考類似工程經驗取值,一般調蓄溝塘等水面徑流系數為1.0,其他城市用地徑流系數取值0.85,道路、房屋等硬化地面徑流系數為0.9,綜合考慮項目區現有城區建設下墊面條件和溝塘分布,從工程設計偏安全角度考慮,項目區綜合徑流系數取0.85。

2.1 抽排模數計算

根據《淮南市城市排水（雨水）防澇綜合規劃》（淮南市規劃設計研究院、無錫市政設計研究院有限公司,2014 年）,淮南市城市最新排澇標準確定為30 年一遇,本次設計曹咀孜匯水區抽排模數按30 年一遇最大24 h 暴雨24 h 排出計算,考慮溝塘調蓄（泵站機排調蓄水深一般為500 mm～1000 mm,本次根據項目區溝塘實際可調蓄水深取600 mm）,計算公式及參數選擇參照《淮南市曹咀孜匯水區及石姚段排水骨干工程規劃》（安徽省水利水電勘測設計院,2010 年）。計算過程及結果如下：

式中：q 為排澇模數（m3/s/km2）；P 為30 年一遇最大24 h 設計暴雨,為234 mm；F 為排區總面積,15.69 km2；F城區為城區面積,14.91 km2；F水面為水面面積,0.78 km2；C城區為城區地面徑流系數,取0.85；H 為水面調節水深,取600 mm；t 為泵站日開機小時數。取22 小時。

經計算,曹咀孜片30 年一遇平均設計抽排模為2.16 m3/s/km2。

2.2 自排模數計算

本次設計曹咀孜匯水區自排模數按30 年一遇最大24 h暴雨24 h 排出計算,計算公式及參數選擇參照《淮南市曹咀孜匯水區及石姚段排水骨干工程規劃》（安徽省水利水電勘測設計院,2010 年）。為充分利用自排機遇、盡量減少泵站運行費用,同時兼顧考慮城區景觀水體蓄水要求和海綿城市雨水花園、生態滯留池、滲透池、人工濕地等滯蓄設施的調蓄作用,參考類似工程經驗取值,自排流量計算時溝塘調蓄水深按200 mm 考慮。

計算過程及結果如下：

式中：q 為自排模數（m3/s/km2）；P 為30 年一遇最大24 h 設計暴雨,為234 mm；F 為排區總面積,15.69 km2；F城區為城區面積,14.91 km2；F水面為水面面積,0.78 km2；Hs為調蓄水深,mm；C城區為城區地面徑流系數,取0.85；t 為日自排時間,取24 小時。

經計算,曹咀孜片30 年一遇平均設計自排模為2.21 m3/s/km2。

2.3 抽排及自排工況設計流量

抽排時,曹咀孜匯水區澇水一部分經過曹咀孜排澇站排出,另一部分通過曹咀孜涵再由新曹咀孜排澇站、化肥廠排澇站和姚灣排澇站排出。

曹咀孜匯水區抽排流量為2.16 m3/s/km2×15.69 km2=33.8 m3/s,曹咀孜排澇站規劃設計流量為15.0 m3/s,故抽排時曹咀孜涵過流量為33.8 m3/s-15.0 m3/s=18.8 m3/s。

自排時,曹咀孜匯水區澇水通過曹咀孜涵再經新曹咀孜排澇站自排涵排出,曹咀孜涵過流量為2.21 m3/s/km2×15.69 km2=34.7 m3/s。

2.4 設計流量

本次曹咀孜涵設計最大過流流量選擇抽排和自排工況下的較大值,即34.7 m3/s。主要考慮到解決現狀曹咀孜涵規模不足、阻水嚴重導致區內低洼區域頻繁受淹的問題刻不容緩,防汛壓力較大,亟待實施,本階段暫不引用曹咀孜片遠期排水規劃前期成果,從工程偏安全角度考慮,曹咀孜涵設計最大過流流量仍取為34.7 m3/s。

根據曹咀孜涵上下游排澇溝現狀地形情況, 當上游遭遇30 年一遇暴雨且具備自排條件時, 排澇溝過流流量為34.7 m3/s,求得工程建設前后曹咀孜涵相應閘上水位和閘下水位,見表2。

表2 曹咀孜涵主要規劃設計參數表

現狀曹咀孜涵上游地面高程為19.1 m～42.0 m,為由表2可知,30 年一遇暴雨工況下現狀曹咀孜涵閘上水位為19.41 m,閘上部分地區已經淹沒,涵洞阻水較為嚴重,故對曹咀孜涵實施拆除重建是十分必要的。

3 曹咀孜涵排澇設施設計

（1）進出口護砌

涵閘進口設八字圓弧形翼墻,C20 砼結構,兩側水平長各10 m,對稱布置,墻身高4.1 m,頂寬0.5 m,迎水側直立,背水側坡比1∶0.5,基礎厚0.5 m,翼墻以上至岸頂設草皮護坡,坡比不陡于1∶2.5。翼墻上游兩側分別設70 mC20 砼預制塊+草皮護坡與現狀岸坡順接。

涵閘出口設八字形翼墻,C20 砼結構,兩側各長15 m,對稱布置,墻身高2.5 m～4.0 m,頂寬0.5 m,迎水側直立,背水側坡比1∶0.5,基礎厚0.5 m。

（2）穿堤箱涵

穿堤箱涵共3 孔,孔口尺寸為4.0 m×3.0 m（寬×高）,頂板、底板及邊墻厚度均為0.6 m,中墩厚0.5 m,底板下設0.1 m厚C15 素砼墊層,總長度52 m,分5 節（4×10.5 m+1×10 m）。箱涵為C25 鋼筋砼結構,底板高程同現狀,15.9 m。接縫部位均設止水和鋼筋混凝土包箍。

（3）防洪控制段

穿堤箱涵出口為防洪閘段,設置防洪工作閘門,3 孔,孔口尺寸為4.0 m×3.0 m（寬×高）。上部設置排架柱、啟閉機平臺和啟閉機房,排架柱截面為0.5 m×0.5 m,高3.9 m；啟閉機平臺長15.6 m,寬4.3 m,厚0.15 m,平臺高程25.3 m；啟閉機房為15.6 m×4.3 m×4 m（長×寬×高））磚混結構。啟閉機房與堤頂間設置1.5 m 寬C25 鋼筋砼棧橋。涵洞出口側棧橋及防洪閘檢修平臺均設置防護欄桿。

4 穩定分析計算

4.1 過流能力計算

（1）水流流態判別

曹咀孜涵進口水深小于1.2 倍洞高,出口水深小于洞高,判斷為無壓流。設計涵洞洞長63 m 大于8 倍進口水深,判斷為長洞。

（2）流量復核

根據涵洞水位和高程確定曹咀孜涵為無壓流長洞,過流能力計算采用公式。

式中：Q 為流量,m3/s；σ 為淹沒系數,0.594；m 為流量系數取0.36；ε為側收縮系數,0.95；H0為行近流速水頭在內的進口水深；B 為洞寬,12 m。

經核算,涵洞實際過流量為41.18 m3/s；大于設計過流量36.4m3/s,滿足要求。

4.2 滲流穩定分析

根據《水閘設計規范》（SL 265-2001）,閘基防滲長度下式計算。

式中：L 為閘基防滲長度,m；Δ H 為最大水位差,m；C 為滲徑系數,7。

計算閘基防滲長度21 m,實際閘基防滲長度大于63 m,滿足要求。

5 結論

考慮到曹咀孜涵建成以后,可將上游曹咀孜片澇水迅速排入下游新曹咀孜站匯水區,但曹咀孜涵閘上水位快速下降以后,一方面可能會加大下游排澇壓力,另一方面可能會導致老曹咀孜站無法正常運行,故曹咀孜涵的調度運行應根據閘上水位情況,合理控制閘門開度,控制下泄流量,在優先保障老曹咀孜站正常運行的前提下,將超出老曹咀孜站排澇能力的澇水排入下游,統籌調度區域排澇設施進行排水,保障區域防洪排澇安全。