徐州市銅山區鄭集河地涵除險加固工程設計

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。

表4 鄭集河地涵消能水位組合表

根據下式計算：

（1）池深計算：

式中：hc收縮水深，m；T0總勢能，m；q 過閘單寬流量，m3/s；α 校正系數，取1.05；φ 流速系數，取0.95。

表5 消力池深度計算結果表

由表5 可知，計算消力池池深最小為0.75 m，本次設計消力池池深取0.8 m。

（2）池長計算：

式中：Lsj池長，m；Ls斜坡段水平投影長度，m；β 水躍長度修正系數，可采用0.7～0.8；Lj水躍長度，m。

表6 消力池長度計算結果表

由表6 可知，計算消力池池長為16.1 m，本次設計消力池長度為20 m。

（3）海漫計算

式中：Lp長度，m；qs單寬流量，m3/s；Ks系數，取11。

經計算所得最大海漫長度為29.7 m，本次設計海漫長度取為39.0 m。

（4）河床沖刷深度計算

河床沖刷深度下式計算：

式中：dm沖刷深度，m；qm單寬流量，m3/s；[v0]不沖流速，取0.7 m/s；hm水深，m。

經計算，下游河床沖刷深度為4.69 m。需設防沖槽斷面面積為6.29 m2，設計防沖槽斷面面積為10 m2。

3.3.3 閘頂高程確定

（1）閘頂高程確定

閘頂高程分為擋水、泄水兩種運用情況，計算結果如下：水位組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位。

表7 閘頂高程計算表

該閘上游最高洪水位為32.15 m，下游最高洪水位為31.85 m，擬定橋厚0.5 m，擬定上游控制段閘頂高程為33.15 m，下游檢修段閘頂高程為32.85 m。

綜合以上計算結果，上游控制段閘頂高程為33.50 m，下游控制段閘頂高程為33.20 m。

（2）翼墻頂高程確定

翼墻高程分為擋水、泄水兩種運用情況，計算結果見表8。

表8 翼墻頂高程計算表

根據計算表確定上游翼墻頂高程為33.50 m；下游翼墻頂高程為33.20 m。

4 結論

根據分析，鄭集河地涵工程老化、破損現象較為嚴重，屬于四類閘，采用拆除重建的方式對其進行除險加固治理；通過方案比選采用東、西涵洞合建方案和地涵南端建天窗引順堤河水入鄭集河的引水方案具有工程投資低、占地面積小、管理方案等優勢，結合現狀防洪需求，對地涵結構重新設計，可滿足過水需求。