基于臺山市公益水治理方案的閘基防滲設(shè)計(jì)研究

張祥明

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529030)

1 現(xiàn)狀問題分析

公益水干流全程長度23.6 km,控制集雨面積134.62 km2，自臺山市大江鎮(zhèn)境內(nèi)東南起，經(jīng)水步鎮(zhèn)、大江鎮(zhèn)后匯入潭江。公益水兩岸堤防規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，目前公益水大部分未滿足20年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)狀河道斷面主要以梯形斷面和矩形斷面為主，其中梯形斷面兩岸堤坡多為土坡，堤后為魚塘或者農(nóng)田，土質(zhì)松散，河岸結(jié)構(gòu)單薄易坍塌，防洪標(biāo)準(zhǔn)低。矩形斷面兩岸多為廠房或者道路，當(dāng)?shù)鼐匦螖嗝孀o(hù)岸主要采用混凝土擋墻、漿砌石擋墻及磚砌墻等，除了公益水大江段少部分近期治理河段兩岸擋墻比較完好以外，其余大部分矩形斷面河道兩岸的護(hù)岸均較差。河道狹窄彎曲，上游河道坡降較陡，下游河道平緩，河灘逐年淤積，加上出口受潭江潮水頂托，當(dāng)暴雨來臨時(shí)上游河道洪水陡漲陡落，下游排泄不暢，兩岸低洼地勢被淹沒，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，對附近集鎮(zhèn)村莊居民及農(nóng)田耕地等人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅[1-2]。

綜上，公益水大部分堤圍均未達(dá)標(biāo)，但由于沿岸土地難以征用，且公益水經(jīng)過村莊、集鎮(zhèn)的河段長，難以采取堤防達(dá)標(biāo)加固措施。根據(jù)公益水存在的主要問題，本次擬在公益水河口處新建公益泵閘，達(dá)到擋潮、排洪及排澇的目的。

2 工程總體布置方案

工程總布置擬比較兩個(gè)方案。方案一是水閘布置在公益水左岸原空地處，泵站布置在原河道位置。方案二是泵站布置在公益水左岸原空地處，水閘布置在原河道位置，見圖1。

圖1 工程總布置方案

方案一和方案二比選見表1。通過水流條件、工程地質(zhì)、工程造價(jià)、施工導(dǎo)流等方面的綜合比選，采用方案一的水閘泵站位置設(shè)計(jì)優(yōu)勢明顯[3-4]。

表1 工程布置方案比選

3 水力計(jì)算與分析

3.1 水閘結(jié)構(gòu)布置

閘室布置為整體式混凝土結(jié)構(gòu)，充分考慮承載力后，閘室地基矩形布置成間距為2 m×2 m的φ500預(yù)應(yīng)力PHC預(yù)制樁基礎(chǔ)。閘堰型采用開敞式寬頂堰，7孔布置，形式為“2+3+2”。上底板與上游河床基本齊平，上下底板高差8.5 m，閘門使用鋼閘門，啟閉機(jī)為固定式卷揚(yáng)機(jī)。消能防沖池長度、厚度分別設(shè)定為18.0 m和0.7 m，其中消能池斜坡段長4.4 m，坡比為1∶4，防沖槽底面寬5.0 m，頂面寬10.0 m，厚2.0 m，上下游邊坡 1∶2，底板頂面高程-4.6 m，消能池以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)布置，以確保其使用壽命。為進(jìn)一步增強(qiáng)側(cè)向防滲能力，水閘邊墩和樓梯間均設(shè)置有空箱。按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)設(shè)計(jì)擋水和泄水時(shí)閘門頂部高程。擋水時(shí)，設(shè)計(jì)洪水位為外江潭江設(shè)計(jì)洪(潮)水位，即30年一遇設(shè)計(jì)洪(潮)水位；校核水位取最高擋水位，為歷史最高洪(潮)水位。表2是確定兩種情況高程的安全超高值表。

運(yùn)用莆田公式[5-6]計(jì)算本工程，設(shè)計(jì)波浪波列累積頻率值p=5%，按照3級水閘級別查閱該閘設(shè)計(jì)波浪波列累積頻率，波浪計(jì)算高度為：設(shè)計(jì)0.58 m。

擋水時(shí)閘頂高程=設(shè)計(jì)潮(洪)水位+波浪計(jì)算高度+安全超高，泄水時(shí)閘頂高程=設(shè)計(jì)潮(洪)水位+安全超高，計(jì)算成果列已入在表3，公益水閘擋洪(潮)閘閘頂高程為3.63 m。兩側(cè)連接堤頂高程約為3.7 m左右，因此本工程閘頂高程確定為3.7 m。

表3 閘頂高程復(fù)核計(jì)算結(jié)果

3.2 水力設(shè)計(jì)計(jì)算

公益水閘門過流能力計(jì)算采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253—2016)公式，根據(jù)實(shí)際情況不同，本次工程采用式(1)計(jì)算[7-9]。

(1)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，取56.0 m；σ為堰流淹沒系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)，可采用0.385；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；g為重力加速度，取9.81 m3/s；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m。

公益水閘7孔閘門及閘室結(jié)構(gòu)尺寸相同，閘門為平板鋼閘門。閘門凈寬8.0 m，堰頂高程為-3.50 m。公益水閘的建設(shè)，不應(yīng)影響河道原有的排洪能力，閘孔總凈寬由排洪工況確定。水閘排洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)洪峰流量為618.66 m3/s。根據(jù)水文水利計(jì)算，排洪時(shí)閘下控制水位為1.96 m。

根據(jù)規(guī)范SL 265—2016，平原區(qū)最大過閘水位差為0.1～0.3 m。公益水閘過閘能力見表4。在水位差為0.12 m，水閘過閘能力就達(dá)到了設(shè)計(jì)過閘流量(水閘設(shè)計(jì)過閘流量為618.66 m3/s)，水閘凈寬56 m滿足規(guī)范的要求。

表4 公益水閘(全開閘門排洪)過閘能力計(jì)算結(jié)果

消力池長度計(jì)算按式(2)～式(3)計(jì)算：

Lsj=Ls+βLj

(2)

(3)

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8；Lj為水躍長度，m。

閘址位于洪潮混合區(qū)，公益水洪水來時(shí)，受外江潭江洪潮水位的影響嚴(yán)重，因此排澇動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)則顯得尤為重要，具體過程表現(xiàn)為：外江水位比內(nèi)涌水位高時(shí)，采用開泵抽排降低外江水位，反之，當(dāng)外江水位低于內(nèi)涌水位時(shí)，只需開閘實(shí)現(xiàn)自排即可。當(dāng)公益水發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，遇外江水位較閘內(nèi)低時(shí)，應(yīng)全開閘門排洪，這一過程為靜態(tài)排洪。根據(jù)水文水利分析計(jì)算，選擇調(diào)節(jié)計(jì)算過程中水位差較大、排洪流量較大的水位進(jìn)行計(jì)算，水位組合見表5。然后按不同的閘門開度進(jìn)行水閘過流量計(jì)算，成果見表6，并對開閘過程進(jìn)行消能防沖計(jì)算，成果見表7。

表5 公益水閘消能計(jì)算水位組合 m

表6 公益水閘各閘門開度下過閘流量

表7 公益水閘消力池計(jì)算成果

經(jīng)計(jì)算，外江側(cè)消力池深度0.75 m、消力池長度13.22 m、底板厚度0.70 m。本次設(shè)計(jì)公益水閘消能設(shè)施如下：下游消力池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，消力池長18.00 m，底板厚0.70 m，池深0.80 m；其中消力池斜坡段長4.40 m，坡比為1∶4，底板頂面高程-3.50 m。海漫緊接消力池布置，為11.0 m長C25混凝土海漫厚0.50 m，11.0 m長C25混凝土框格裝塊石海漫厚1.00 m。下游防沖槽底面寬-3.50 m，頂面寬10 m，底寬5.0 m，深2.0 m，上下游邊坡1∶2。所以消能防沖設(shè)計(jì)滿足要求。

4 防滲分析

4.1 上游鋪蓋長度

按照相關(guān)規(guī)范要求，上游鋪蓋長度通常取決于上下游水位差。本工程中上下游水位差范圍值為0.80～2.26 m，由此確定上游鋪蓋長度為3.20～6.78 m，上游設(shè)置5 m鋪蓋。

4.2 防滲長度驗(yàn)算

按照勃萊法[10]計(jì)算閘基所需防滲長度，依據(jù)規(guī)范SL 265—2016規(guī)定：閘基防滲長度應(yīng)滿足下面公式要求：

L=C×ΔH

(4)

式中：L為水閘基礎(chǔ)防滲長度,m;C為允許滲徑系數(shù)值，淤泥取8；ΔH為上、下游水位差,m。

選擇最大水位差作為計(jì)算工況，防滲計(jì)算包括：內(nèi)涌最低控制水位-0.60 m、對應(yīng)的外江校核洪水位2.26 m，圍內(nèi)正常水位0.80 m、外江水位多年平均低潮位-0.68 m。閘基防滲驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果見表8。結(jié)果表明，處在外江水位與內(nèi)江水位范圍內(nèi)的計(jì)算所需防滲長度均小于實(shí)際防滲長度，滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 公益水閘閘基防滲長度驗(yàn)算結(jié)果 m

5 結(jié) 語

公益水兩岸堤防規(guī)劃對兩岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全和流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著決定性的保障作用，在方案選取上挑選了較為合理的方案一：水閘布置在公益水左岸原空地處，泵站布置在原河道位置。通過對水閘泵站工程的加固設(shè)計(jì)與計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)滿足工程建設(shè)規(guī)范要求，該工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)合理，工程建設(shè)切實(shí)可行。