橡膠壩工程對(duì)河道行洪影響分析

薛東闖

（營(yíng)口市應(yīng)急管理事務(wù)中心，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 概 述

珍珠河發(fā)源于瓦房店市駝山鄉(xiāng)平山屯，河源海拔高程196.0m。在復(fù)州城鎮(zhèn)那家屯注入復(fù)州河。珍珠河是復(fù)州河右岸一級(jí)支流，干流總長(zhǎng)度為19.31km，流域面積為71.99km2，河道平均比降為2.48‰。珍珠河現(xiàn)狀為多年形成的天然河道及部分經(jīng)過(guò)治理的河堤，從本工程現(xiàn)場(chǎng)考察情況看，本次治理段河道兩岸建有漿砌石直墻，但防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10a 一遇標(biāo)準(zhǔn)，且邊墻破損較為嚴(yán)重。設(shè)計(jì)對(duì)堤防進(jìn)行加高，使其防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到10a 一遇標(biāo)準(zhǔn)。大窯河為珍珠河一級(jí)支流，大窯河發(fā)源于瓦房店市復(fù)州城鎮(zhèn)大窯村，流經(jīng)復(fù)州城鎮(zhèn)鎮(zhèn)海村，在復(fù)州城鎮(zhèn)永豐村匯入珍珠河。干流總長(zhǎng)5.9km，流域面積14km2。地勢(shì)北高南低，河源點(diǎn)高程71m，河口點(diǎn)高程19m，河道平均比降9.67‰。珍珠河及其支流大窯河位于復(fù)州城鎮(zhèn)主城區(qū)，城鎮(zhèn)化程度高，工商業(yè)發(fā)達(dá)，人口較多且集中。多年以來(lái)，復(fù)州城鎮(zhèn)主城區(qū)建設(shè)緩慢，環(huán)境質(zhì)量不高，大窯河雖在主城區(qū)穿過(guò)，但整體建設(shè)水平不高，主要以防洪建設(shè)為主，未充分發(fā)揮城區(qū)河流在生態(tài)景觀方面的效益。大窯河（鎮(zhèn)海村段）兩岸已治理。

2 工程建設(shè)

復(fù)州城中心鎮(zhèn)作為大連全域城市化發(fā)展格局上的重要節(jié)點(diǎn)，堅(jiān)持“農(nóng)穩(wěn)鎮(zhèn)、工強(qiáng)鎮(zhèn)、商旅興鎮(zhèn)”的發(fā)展戰(zhàn)略，各項(xiàng)城鎮(zhèn)建設(shè)有序展開，經(jīng)濟(jì)勢(shì)頭發(fā)展良好，社會(huì)面貌逐步提升。通過(guò)對(duì)水泵等機(jī)械制造、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)及加工等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)資源的整合，重點(diǎn)發(fā)展商業(yè)服務(wù)業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)，合理利用歷史文化資源發(fā)展古城文化旅游，建設(shè)成遼南工商重鎮(zhèn)。珍珠河及其支流大窯河位于復(fù)州城鎮(zhèn)主城區(qū)，城鎮(zhèn)化程度高，工商業(yè)發(fā)達(dá)，人口較多且集中。復(fù)州城鎮(zhèn)水泵組裝、軸承、機(jī)械加工等城鎮(zhèn)小微企業(yè)較多，形成軸承、農(nóng)機(jī)生產(chǎn)、機(jī)械制造及水泵生產(chǎn)的小的集群。珍珠河現(xiàn)狀為多年形成的天然河道及部分經(jīng)過(guò)治理的河堤，本次治理段河道兩岸建有漿砌石直墻，但防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10a 一遇標(biāo)準(zhǔn)，且邊墻破損較為嚴(yán)重，洪水發(fā)生時(shí)，河水出槽，對(duì)復(fù)州城鎮(zhèn)主城區(qū)造成較大威脅。大窯河在主城區(qū)穿過(guò)，主要以防洪建設(shè)為主，未充分發(fā)揮城區(qū)河流在生態(tài)景觀方面的效益。

根據(jù)《復(fù)州城中心鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展總體規(guī)劃（2016—2030）》，要完善村鎮(zhèn)體系，推進(jìn)大連全域城市化發(fā)展，按照集約、高效、科學(xué)、合理的思路，結(jié)合復(fù)州城中心鎮(zhèn)的定位和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展特征，將復(fù)州城中心鎮(zhèn)確定為“兩核、三區(qū)、三軸、一帶”的發(fā)展格局。其中“一帶”為珍珠河與大窯河生態(tài)景觀廊帶，注重生態(tài)廊道的生態(tài)效應(yīng)和觸媒效應(yīng)，使其成為集健康、休閑、運(yùn)動(dòng)于一體的獨(dú)具活力的公共空間廊帶。因此，為了落實(shí)《復(fù)州城中心鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展總體規(guī)劃（2016—2030）》，完善珍珠河與大窯河水環(huán)境及沿線生態(tài)綠化設(shè)施，保護(hù)并恢復(fù)自然生態(tài)為重點(diǎn)，開展環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)等工作，在大窯河入珍珠河匯合口處建設(shè)橡膠壩是十分必要的。河道的建設(shè)能保證河道沿線居民生活、人身安全，保證區(qū)內(nèi)企業(yè)的安全生產(chǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)，從而有利于推進(jìn)復(fù)州城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，提升復(fù)州城鎮(zhèn)的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)復(fù)州城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響，對(duì)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義，工程的建設(shè)是十分必要的。

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定。珍珠河沿線的主要防護(hù)對(duì)象是鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村居民區(qū)和基本農(nóng)田，保護(hù)區(qū)內(nèi)人口7.8 萬(wàn)人。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》，農(nóng)村保護(hù)區(qū)等級(jí)為Ⅳ，因此防洪標(biāo)準(zhǔn)按洪水每10a 一次設(shè)計(jì)[1-2]。橡膠壩工程根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》確定其工程等別。由于本工程主蓄水量約為0.39 萬(wàn)m3，因此確定本工程等級(jí)應(yīng)為V 級(jí)，工程規(guī)模小( 2 )，建筑等級(jí)為5 級(jí)，根據(jù)橡膠壩的工程等級(jí)和規(guī)模，橡膠壩的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10a 一遇[3-4]。

3 充排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 集水井

橡膠壩近期利用上游地下水采用集水井作為水源，未來(lái)橡膠壩的充水水源為正在建設(shè)中的污水處理廠中水。在泵房的上游側(cè)左岸設(shè)置集水井，尺寸為2.30m×2.00m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)且井壁開孔，成套購(gòu)買。集水井頂高程與河道現(xiàn)狀河底高程保持一致，周圍1m 范圍內(nèi)采用250mmC30 素混凝土抹面防護(hù)。

3.2 控制室

控制室是操縱橡膠壩充脹和排空塌落的電機(jī)設(shè)備及附屬設(shè)備的維修結(jié)構(gòu)，為節(jié)省投資，便于運(yùn)輸，控制室布置在橡膠壩左岸。緊鄰橡膠壩的左邊墩布置。地下部分平面尺寸為5.30m×5.30m 地上部分平面尺寸為5.30m×5.30m 共兩層。一層為地下部分，高度為5.05m，是設(shè)備層，主要放置充放壩袋的水泵、電機(jī)和壓力測(cè)量設(shè)備[5-6]。底板厚度為0.50m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。二層為地上部分高度為3.50m，主要為配電管理層，主要放置配電柜及控制柜等。樓板為整體現(xiàn)澆板梁結(jié)構(gòu)，板厚200mm。控制室向外引出兩個(gè)DN200 的管子，一個(gè)引向下游消力池，一個(gè)連接上游集水井，以便橡膠壩內(nèi)水的排放與引入。

4 穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 壩體穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1.1 計(jì)算情況

1）當(dāng)抬高大壩阻擋水流時(shí)，此時(shí)上游水位為19.20m，但下游無(wú)水。

2）竣工期間，上下游無(wú)水，壩袋內(nèi)注滿水。其中（1）是最不利的計(jì)算條件。

4.1.2 荷載計(jì)算

主要設(shè)計(jì)荷載為結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、水重。

4.1.3 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算及基底應(yīng)力

抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：? 為壩基底部摩擦系數(shù)，計(jì)算取0.38；∑G為作用于基礎(chǔ)底部的所有垂直荷載;∑H為荷載作用在大壩底板上的總水平荷載。

壩底板基底應(yīng)力計(jì)算

式中：A為壩基礎(chǔ)底面面積；e為基底應(yīng)力偏心距；B為基礎(chǔ)寬度。

表1 正常擋水情況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算

表2 壩底板基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算表

計(jì)算表 1 和 2 表明：壩底板的抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范允許值；壩底板基底應(yīng)力不均勻系數(shù)小于規(guī)范允許值，其中，正常擋水情況時(shí)，壩地板基礎(chǔ)滿足中等堅(jiān)實(shí)允許值；基底應(yīng)力小于地基容許承載力，壩體是安全的。

4.2 滲透穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算水閘水平段和出口段滲透坡降。由于滲透坡降的計(jì)算主要與上下水位差有關(guān)，而在設(shè)計(jì)水位時(shí)，上下游水位差小于正常擋水時(shí)水頭差，所以本次的不利工況為正常擋水位工況。

土基上水閘的地基有效深度Te按如下公式計(jì)算：

式中：L0為地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度，m；S0-為地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度，m；Te為土基上水閘的地基有效深度，m。

4.2.1 阻力系數(shù)確定

式中：Lx為水平段長(zhǎng)度，m；S1，S2為進(jìn)、出口段板樁或齒墻的入土深度，m。

4.2.2 各分段水頭損失值

式中：hi為各段水頭損失，m。

進(jìn)出口段水頭損失值：

式中：β'為阻力系數(shù)修正值；S'為板底埋深與板樁入土深度之和，m；T'為板樁另一側(cè)地基透水層深度，m；h0' 為進(jìn)出口段修正后的水頭損失，m。

4.2.3 出口段滲流坡降值

4.2.4 底板水平段平均滲透坡降

計(jì)算公式：

式中：J為滲透坡降；H'底板為底板水頭損值，m；L'底板為底板長(zhǎng)度，m。

鋪蓋水平段及消力池水平段平均滲透坡降計(jì)算公式同閘底板段。

各角隅點(diǎn)的水頭計(jì)算結(jié)果如下表3 所示。

表3 各角隅點(diǎn)滲壓水頭計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地勘資料，該粗砂層為級(jí)配連續(xù)土，判斷不均勻系數(shù)：

相應(yīng)于該粒徑的細(xì)顆粒含量25≤P=25.52%≤35%，因此可判斷本工程粗砂的滲透破壞類型為過(guò)渡型。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》出口設(shè)置反濾設(shè)施時(shí)，表中各值可增加30%，即粗砂的出口段允許滲流坡降值修正為0.52～0.59，水平段的允許滲流坡降值為0.20～0.22。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算水平段和出口段滲透坡降，經(jīng)計(jì)算，出口段及橡膠壩底板水平段滲透坡降均滿足規(guī)范要求。

5 橡膠壩底板高程確定

新建橡膠壩壩址在珍珠河匯入口上游40m 處大窯河主河道內(nèi)，現(xiàn)狀河底高程為17.60～17.80m。洪水期橡膠壩塌壩運(yùn)行，為不影響工程建設(shè)后大窯河河道的行洪能力，閘底板頂高程與現(xiàn)狀河底高程基本保持一致，因此本設(shè)計(jì)橡膠壩底板頂高程確定為17.70m。

6 橡膠壩特征水位的確定

6.1 正常蓄水位的確定

橡膠壩工程的主要目的為蓄水，形成一定面積的水面，滿足生態(tài)水面需求，且兩岸既有擋墻頂高程19.50～19.70m，因此確定橡膠壩擋水高度為1.50m，即正常擋水位為19.20m，能回水到壩址上游330m處，回水面積0.39萬(wàn)m2，滿足生態(tài)水面需求。

6.2 上下游設(shè)計(jì)洪水位的確定

新建橡膠壩壩址位于大窯河主河道上，壩址下游約40m 即為珍珠河樁號(hào)0+000 處，該處10a 一遇洪水位為19.49m。橡膠壩建設(shè)后，行洪時(shí)，壩體處于坍塌狀態(tài)，此時(shí)橡膠壩上游水位根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》中堰流公式推算，公式如下：

當(dāng)0 ＜P/H ＜3.0 時(shí)：

當(dāng)P/H ≥3.0 時(shí)：m=0.32

式中：Q為堰上流量，103.17m3/s；σs為淹沒(méi)系數(shù)；σc為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；N為閘孔孔數(shù)；b為每孔凈寬，m；Н0為包括行近流速水頭的堰前水頭，m;P為上游堰高，m；H 為堰前水頭，m。

經(jīng)計(jì)算，橡膠壩上、下游設(shè)計(jì)洪水時(shí)水位流量關(guān)系如表4 所示。

表4 橡膠壩上、下游設(shè)計(jì)水位計(jì)算結(jié)果

7 橡膠壩工程對(duì)河道行洪影響分析

由于橡膠壩工程修建在大窯河主河道上，原則上不應(yīng)減小河道的行洪能力。壩址處現(xiàn)狀河底高程為17.60～17.80m，本次對(duì)壩址處河底進(jìn)行平整，確定橡膠壩底板頂設(shè)計(jì)高程為17.70m，洪水期橡膠壩塌壩運(yùn)行，閘底板頂高程與現(xiàn)狀河底高程基本相同，其河道行洪與天然狀態(tài)相差不大。正常運(yùn)行工況下，河道正常蓄水位為19.20m，壩址處兩岸現(xiàn)狀岸墻頂高程為19.60～19.70m，滿足正常蓄水要求。

設(shè)計(jì)洪水工況下，工程建設(shè)前壩前水位為20.41m，工程建設(shè)后壩前水位為20.50m，兩岸現(xiàn)狀岸墻頂高程均不滿足行洪要求，工程建設(shè)后水位較建設(shè)前僅壅高0.09m，對(duì)河道防洪基本無(wú)影響。且工程建設(shè)后對(duì)橡膠壩段兩岸邊墻進(jìn)行加高至21.00m，滿足設(shè)計(jì)洪水工況下的行洪要求。因此，本工程的建設(shè)對(duì)河道行洪影響是積極的。

8 結(jié) 語(yǔ)

工程的實(shí)施可有效解決復(fù)州城鎮(zhèn)主城區(qū)的防洪排澇問(wèn)題，改善了區(qū)域治理環(huán)境，符合復(fù)州城鎮(zhèn)總體規(guī)劃發(fā)展。從資金來(lái)源方面上看，本項(xiàng)目資金來(lái)源為市級(jí)財(cái)政資金，資金落實(shí)有保障；從社會(huì)穩(wěn)定分析調(diào)查上看，百姓期盼、積極參與的熱情，促使項(xiàng)目向前進(jìn)行；河道治理工程的實(shí)施，將具有很好的社會(huì)效益。該項(xiàng)目的實(shí)施不僅可以保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，而且可以改善周邊的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，將促進(jìn)復(fù)州經(jīng)濟(jì)發(fā)展，進(jìn)一步提高現(xiàn)代化水平，減少污染，切實(shí)提高人民生活水平質(zhì)量，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。