劈柴河治理工程翻板閘及人工濕地設計

尚真宇

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

河道建設對地區防洪排澇、農業灌溉、流域生態環境等均具有直接影響，有關部門調查統計，目前我國中小流域有超過80%河段存在嚴重的水土流失問題，河流水質及生態環境也在不斷惡化，各項標準很低，平均使用年齡超過30a，因此大范圍內的河道治理工程也迫在眉睫。

1 工程概況

劈柴河為大沙河支流，在蛤蟆塘鎮匯入大沙河，河流保護區域內涉及3個鄉鎮，人口約為1.16萬人，保護耕地面積達0.428萬畝。本工程的主要任務是從黑溝水庫引水至劈柴河，利用其多余水量改善劈柴河水生態環境，提高河道防洪標準。其主要工程量如下：引水管線2.2km(黑溝水庫—劈柴河)；分水閘1座、翻板閘2座、潛壩2座；劈柴河河道治理長度4.33km，修建1.0萬m2人工濕地。受篇幅限制，在此只針對翻板閘和人工濕地工程的設計工作進行詳細分析。

2 洪峰計算

劈柴河集水面積為18.7km2，河道長8.93km，平均比降為9.79‰。在此以沙河鎮和湯山城兩處水文站數據為依據，采用面積比法計算劈柴河設計洪峰值，具體成果見表1[1]。由表1數據可知，劈柴河洪峰流量分別為303和217m3/s，在此按照303m3/s作為設計標準。

表1 設計洪峰成果表(P=5%)

3 水力自動翻板閘工程設計分析

本項目設計的水力自動翻板閘軸線與河道正交，成“一”字布置[2]。參考其他工程項目，翻板閘總體結構自上而下共分為四段：鋪蓋段、翻板閘段、消力池段、海漫段[3]，下面針對其主要結構設計進行分析。

3.1 自動翻板閘工程設計

(1)閘基礎設計

本項目翻板閘鋪蓋段長5.0m，底板為0.5m厚鋼筋混凝土結構，以下設計0.1m厚C15混凝土墊層，結構簡單，在此不再詳述[4]。鋪蓋段下游連接翻板閘閘基，閘基整體為C20混凝土澆筑結構，總寬10000mm，兩側基礎(寬2000mm)深入鋪蓋層以下200mm，保證閘基穩定性，如圖1所示[5]。

圖1 水力自動翻板閘基本結構示意圖(單位：m)

(2)泄流寬度設計

水力自動翻板閘要求在上游來水量少時閉閘蓄水，來水量大時開閘放水，所以其工作過程如圖2所示。本項目翻板閘角度e=75°時，看作閘門全開放水，此時需滿足劈柴河洪峰流量Q=303m3/s，以此為標準計算閘門總寬度，計算公式見式(1)[6]。

圖2 水力自動翻板閘工作過程簡圖

(1)

式中，σ—翻板門段淹沒系數；m—翻板門段流量系數；ε—翻板門段側收縮系數;B—泄流總寬度，m；H0—閘孔全水頭，m。

經計算，B=35.7m，取值36.0m，共設計6孔閘門，每孔凈寬6.0m，高2.5m，泄流總寬36.0m，加上兩端防護墩各1m，翻板閘工程總寬度為38.0m。

(3)翻板閘抗滑穩定計算

在此翻板閘抗滑穩定組合工況有兩種：①上游水位取正常蓄水位14.44m，下游水位取河底高程11.44m；②上游水位取20年一遇的14.91m，下游水位取14.66m。計算成果見表2，由此可知，各項參數均滿足規范要求[7]。

表2 翻板閘穩定計算成果表

3.2 消力池參數設計

本項目設計在翻板閘下游建設一處消力池，由于流量不大，所以采用“底流式消能”形式，設計洪水標準也是P=5%。

(1)池深計算

消力池深度與消力能力呈正比關系，池深d計算公式見式(2)[8]。

d=σ0·hc-hs-ΔZ

(2)

式中，σ0—水躍淹沒系數，取值1.0；hc—躍后水深，m；hs—出池河床水深，m；△Z—出池落差，m。

經計算，劈柴河翻板閘后接消力池池深d=0.5m。

(2)池長、底厚、海漫計算

本項目的消力池長度及底厚均按照“理論計算+實際經驗”確定，計算公式分別見式(3)、式(4)，最終確定池長L=14.0m，底板厚t=0.5m(以防沖為標準)[9]。

L=Ls+β·Lj

(3)

(4)

式中，Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正參數，取值0.8；Lj—消力池水躍長度，m；k—底板計算系數，取值0.2；q—過閘單寬流量，m2/s；△H—上下游水頭落差，m。

參照其他工程經驗，本項目消力池下游20.0m為海漫段，采用固濱籠干砌石護砌，固濱籠以下設0.2m厚礫石墊層及400g/m2土工布一層[10]。

4 人工濕地工程設計分析

本次劈柴河治理工程中的人工濕地對提高河流環境承載力、水質自凈能力意義重大。本項目通過實地考察，發現劈柴河主要污染源為附近城鎮生活污水，主要污染物濃度并不高，因此本項目設計采用“表面流+潛流”相結合的人工濕地[11]。濕地位置設計距離蛤蟆塘鎮2.5km，借機打造一處生態公園。

4.1 濕地結構設計

(1)濕地進出水管路設計

人工濕地進水系統管路設計的首要原則就是應保證配水的均勻性，本項目按照200m3/d規模利用多孔管進行配水，進水管比濕地床要高出0.3～0.5m，濕地總體坡度為1.0%；濕地出水系統管路應當根據濕地中部水位進行調節，在此設計將集水管安設于出水口礫石填料層底部，加一個旋轉彎頭和控制閥門來實現對床內的水位調節，如圖3所示[12]。

圖3 人工潛流濕地總體結構示意圖

(2)濕地填料層設計

該項目水平表面流濕地與潛流濕地的面積比為3∶1，兩種濕地結構層存在一些差別，具體參數詳見表3[13]。

表3 人工濕地結構層詳細參數

4.2 濕地植被選擇

濕地植被選取時應當兼顧生態適應性、環境美化、水質凈化能力、管理費用低等因素，盡量優先選擇本地天然濕地中的植物。本項目根據植物多樣性設計了不同配置[14]。

(1)植物選擇分析

漂浮植物選擇水葫蘆、浮萍、大薸等；根莖植物選擇荷花、睡蓮、馬蹄蓮等；挺水植物選擇蘆葦、香蒲、水莎草等[15]。

(2)投資成本計算

本項目濕地植物以挺水植物為主，具體數量、投資分配見表4。經計算，總投資為13.25萬元，滿足成本控制要求。

表4 濕地植被分配表

5 結語

本次劈柴河的治理，可顯著改善劈柴河流域生態環境，提高其通洪排澇能力，取得良好的社會、生態效益。治理所取得的成功經驗可較好地應用于中小型河道治理工程中，但切不可盲目照搬，因為河道水流是一個動態變化參數，必須根據實際狀況進行“量身定做”。此外，河道治理工程一般涉及范圍較廣，因此工程投資較大，所以在實施過程中盡量利用原河道基礎。劈柴河通過此次治理工程，也應當吸取之前疏于管理的教訓，必須加強日常管理工作，制止污染水質、傾倒垃圾、私自在河道旁開墾農田等行為。