長興島2#河道主渠多級跌水工程設計

湯 慧

(大連市水利規劃設計院，遼寧 大連 116024)

1 工程背景

大連市長興島臨港工業區2#河道總長1163.2m，河道下游南疏港路南側至渤海入海口段長870m，已完成施工圖設計；2#河道主渠即河道上游南疏港路北側至兩條支渠匯入口段，長293.2m，樁號0+000～0+293.2，本段為新建工程。主渠上游兩條支渠分別從東、西兩方向匯入，匯入口(樁號0+293.2)河底高程7.00m，下游銜接處(樁號0+000)根據現有施工圖紙可知河底高程為3.43m，則主渠比降為1.22%，流速在3.5～4.7m/s之間，水流對岸墻和河底沖刷嚴重。為了調整河道比降，使上游渠道流速小于河道抗沖流速，并綜合考慮工程項目經濟、美觀、實用的效果，決定采用多級跌水工程[1]銜接上、下游河道，解決跌差大的問題。

2#河道所在區域地貌單元屬低山丘陵，根據地質勘察報告[2]地表以下簡單介紹為：

(5)弱風化泥灰巖(Zc)：灰色，微晶～泥質結構，塊狀構造，屬較軟巖，較完整，巖體基本質量等級為Ⅳ級，該層揭露厚度：2.50～12.00m。地基土承載力特征值fa=800kPa。

2 跌水工程結構布置

2.1 主體結構布置

跌水由進口、跌水墻、側邊墻、消力池和出口等部分組成。進口包括進口翼墻、護底及跌水口三部分[3]。進口銜接段起始樁號0+269.3，終止樁號0+249.3，順水流方向總長20m。跌水口的過水斷面比上游渠道過水斷面小，上游渠道為梯形斷面型式，跌水口采用矩形缺口，樁號0+249.3，寬25m，底高程與上游渠底高程同為7.00m；扭曲面翼墻銜接上游渠道和跌水口側邊墻，保證水流平順，側邊墻墻頂高程9.10m；為防止水流對渠底的沖刷，采用0.5m厚干砌石護底，下鋪設土工布反濾。

跌水墻為重力式混凝土擋土墻，墻頂寬度0.4m；側邊墻為重力式漿砌石擋土墻，墻頂寬度0.5m；墻內設Ф75排水管，跌水墻和側邊墻按一般擋土墻設計。

跌水墻下設矩形消力池，第一級消力池順水流方向長11m，底板高程5.00m；第二級消力池順水流方向長10m，其中水平段長度9.5m，尾坎段0.5m，底板高程3.50m；消力池底板采用鋼筋混凝土結構，厚0.5m，下鋪設0.1m厚素混凝土墊層；跌水墻與消力池底板連接處設橡膠止水。左、右岸側邊墻高程由9.10m漸變至8.00m，漸變至6.40m。

為調整出池的水流，設計20m長出口段[4]，寬度與下游渠道同為25m，底高程4.10m漸變至4.04m。采用0.5m厚干砌石護底，下鋪設土工布反濾，始、末端做1.0m深的齒墻伸入渠底以下。

2.2 地基處理方法

根據地質資料顯示：地基雜填土、素填土和淤泥質粉質黏土不宜做持力層，根據軟弱土層的深度以及下臥土層的承載力，設計采用1.0m厚碎石料換填處理地基。碎石料墊層底面兩側向上放坡坡比為1∶1，頂面每邊超出基礎底邊緣1.5m。采用的碎石料須級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質，壓實數須達到0.95。換填墊層地基應按JGJ79-2012《建筑地基處理技術規范》進行檢測，保證0+228.7～0+249.27段地基承載力達到160kPa，其余段地基承載力達到100kPa。

3 多級跌水工程設計計算

多級跌水工程位于樁號0+249.3，渠底總跌差2.9m。若修建單級跌水，則跌水墻墻高3.5m左右，渠道側邊墻墻高5.6m左右，斷面尺寸較大，增加地基承載負擔。為了節省工程量和投資，根據渠道的設計縱坡和實際地形情況分為兩級跌水。

根據城市保護對象的重要程度和防洪保護區人口數量，按照相關規范中的規定，確定河道防洪標準為10年一遇[5]，河道堤防工程及跌水建筑物級別為5級[6]。

多級跌水本質上屬于多級消力池，但二者在水力計算上仍有差別[7]，本次多級跌水工程的設計思路和計算過程如下。

3.1 第一級消力池計算

2#河道主渠10年一遇洪峰流量為109.47m3/s，進口寬25m，則單寬流量q=4.38m2/s。第一級跌水高差P1=2.0m，由下列經驗公式[8]計算可求解：

(1)第一級消力坎高c1

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)第一級平臺長度l1

跌落水舌長度ld=4.30D0.27P1

(5)

收縮水深hc=0.54D0.425P1

(6)

第一級平臺長度

(7)

δc1為消力坎頂長度，流量小的時候可取跌水墻墻頂寬度，流量大時取δc1=(1～2)H1，本次設計取δc1=H1≈1.6m，則第一級平臺長度l1=10.46m，本次設計取11m。

3.2 第二級消力池計算

第二級即最后一級消力池跌差P2=0.9m，跌水高差為P2+C1+d，其中，d為消力池深度，P2+C1由3.1計算成果可知為1.8m。因最后一級消力池計算受下游河床水深影響，故按照SL265- 2006《水閘設計規范》附錄B計算消力池深度、長度。

(1)消力池深度d

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，σ0—水躍淹沒系數，可采用1.05～1.10，取σ0=1.10；φ—流速系數，φ值與堰的進口形狀、出流型式、單寬流量、堰面糙度和流程長度等影響因素有關，寬頂堰自由溢流時可采用0.80～0.90，取φ=0.85；α—水流動能校正系數，可采用1.0～1.05，取α=1.0；hS′—出池河床水深,m；T0—由消力池底板頂面算起的總勢能,m；ΔZ—出池落差,m。

表1 消力池池深計算

(2)消力池長度Lsj

Lsj=βLj

(12)

(13)

式中，β—水躍長度校正系數，可采用0.7～0.8，本次設計取0.75；Lj—水躍長度,m。

消力池長度的設計流量是通過的最大流量。經計算Lsj=8.69m，消力池長度取9.5m，尾坎寬度0.5m，則計尾坎寬度的消力池長度為10.0m。

4 結語

長興島2#河道多級跌水工程運行兩年多來，岸墻和河底未見沖刷破壞現象，水流銜接較平順，且河道過流時可形成瀑布景觀。河道跌水工程國內較少[9]，在實際工程的設計中，可以參考上述設計原則和計算方法確定多級跌水的設計參數，并結合地形、地質情況綜合考慮基礎安全性和銜接美觀性。本文因渠底總跌差不大未做方案比選，多級跌水設計中還應注意比選不同跌差條件下的工程量、整體美觀以及上下游銜接等[10- 11]，選出最合理的設計方案。

[1] 陸思. 四家子跌水工程設計[J]. 水利規劃與設計, 2016(01): 101- 104.

[2] 大連市水利建筑設計院. 長興島臨港工業區2#河道上游截洪溝工程初步設計報告[R]. 2013.

[3] 趙文龍, 靳秀梅, 孫立升. 渠道跌水設計[J]. 黑龍江水利科技, 2007(05): 45- 46.

[4] 白陽. 跌水與陡坡適用范圍及優缺點分析[J]. 水利技術監督, 2015(02): 49- 54.

[5] GB/T50805- 2012. 城市防洪工程設計規范[S].

[6] GB50286- 2013. 堤防工程設計規范[S].

[7] 高徐軍, 李權, 王瑞科, 等. 多級跌水消能在攔河筑湖工程中的應用[J]. 水利科技與經濟, 2016(06): 29- 32.

[8] 李煒. 水力計算手冊第二版[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2006.

[9] 曹延明. 東遼河7號跌水復核設計與實踐[J]. 吉林水利, 2015(12): 12- 14.

[10] 龐牧華. 多級跌水消能優化設計的研究[J]. 建材與裝飾, 2016 (09): 284.

[11] 潘輝. 溢洪道多級跌水消能探析[J]. 水利技術監督, 2010(04).