七臺(tái)河市城市防洪工程壅水建筑物設(shè)計(jì)綜述

劉彥財(cái)

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

七臺(tái)河市城市防洪工程壅水建筑物設(shè)計(jì)綜述

劉彥財(cái)

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

根據(jù)河道壅水建筑的作用和特點(diǎn)，一般都采取溢流壩、翻板閘和橡膠壩3種建筑物結(jié)構(gòu)形式，但橡膠壩正常運(yùn)用時(shí)，壩袋充水脹起，成為壅水壩，并可壩頂少量溢流，當(dāng)洪水期壩頂水深超過規(guī)定水深時(shí)，壩袋放水，坍平泄洪，不影響河道正常泄洪。優(yōu)點(diǎn)較美觀，運(yùn)行操作方便。

城市防洪；壅水；建筑物；橡膠壩

0 前 言

七臺(tái)河市是一座以煤炭工業(yè)為主的新興城市，目前已成為全國著名的重要煤炭基地。七臺(tái)河市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，在新形勢下出現(xiàn)了新的矛盾，現(xiàn)有水利工程和已經(jīng)規(guī)劃工程不能滿足七臺(tái)河市社會(huì)及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新要求、新形勢、新情況，為進(jìn)一步加強(qiáng)和完善七臺(tái)河市的水利建設(shè)，需盡快完成七臺(tái)河市區(qū)倭肯河治理工程設(shè)計(jì)，以適應(yīng)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)全球化和市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，努力實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)水利向資源水利、生態(tài)水利、現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變，達(dá)到發(fā)展經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)利用資源、保護(hù)環(huán)境、平衡生態(tài)等目的，為建設(shè)生態(tài)文明、人與自然和諧提供科學(xué)依據(jù)。

1 壅水建筑物型式選擇

根據(jù)河道壅水建筑的作用和特點(diǎn)，擬定溢流壩、翻板閘和橡膠壩3種建筑物進(jìn)行比較。

溢流壩堰頂高程較高，不設(shè)閘門調(diào)節(jié)，由于壅水后河道泄洪斷面減少，遇大洪水行洪抬高水位較大，不安全。

翻板閘在河道修建翻板閘，以閘門控制河道水位和泄流。枯水期閘門關(guān)閉，壅高水位后在閘門頂少量溢流，汛期則根據(jù)預(yù)報(bào)，隨時(shí)啟動(dòng)閘門泄放洪水。缺點(diǎn)閘門較多，運(yùn)行操作不方便[1]。

橡膠壩正常運(yùn)用時(shí)，壩袋充水脹起，成為壅水壩，并可壩頂少量溢流，當(dāng)洪水期壩頂水深超過規(guī)定水深時(shí)，壩袋放水，坍平泄洪，不影響河道正常泄洪。優(yōu)點(diǎn)較美觀，運(yùn)行操作方便。

綜合以上比較，橡膠壩相比翻板閘運(yùn)行方便，且省內(nèi)有多處建橡膠壩經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合景觀綜合考慮壅水建筑物初選為橡膠壩。

2 橡膠壩總體布置

根據(jù)景觀要求，河道平直段布設(shè)兩座橡膠壩，1#橡膠壩位于左岸2+823，2#橡膠壩位于左岸8+952，壩軸線與河道水流方向垂直，橡膠壩段兩側(cè)與固灘連接。

2.1 1#橡膠壩布置

2.1.1 橡膠壩布置

1#橡膠壩布置在倭肯河右岸，順?biāo)鞣较蚩傞L36 m，由進(jìn)口段、閘室段、消力池、海漫組成。進(jìn)口段長6 m，進(jìn)口底高程160.30 m，進(jìn)口邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，進(jìn)口鋪蓋采用50 cm厚混凝土板。閘室段長10 m，閘底板高程160.60 m，底板厚1.2 m，橡膠壩充水頂高程為162.60 m，壩高2 m，壩袋長100 m，兩側(cè)設(shè)鋼筋混凝土擋墻，墻頂高程與固灘高程齊平，均為163.00 m，閘室底板預(yù)埋Ф400充排水管，兩側(cè)邊墻內(nèi)設(shè)Ф200超壓溢流管，其溢出中心高程為162.80 m。消力池長10 m，池深0.5 m，消力池底板厚0.8 m，兩側(cè)設(shè)懸臂式鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程163.00 m。海漫段長15 m，采用30 cm厚干砌石護(hù)坡護(hù)底，下設(shè)20 cm碎石墊層和土工布一層，末端設(shè)1 m深防沖槽[2]。

2.1.2 固灘布置

橡膠壩兩側(cè)與固灘連接，考慮景觀協(xié)調(diào)和交通需要，固灘頂高程163.00 m，頂寬取4 m，采用25 cm厚混凝土板，其下設(shè)砂礫石墊層20 cm，上游邊坡1∶2.5，其下設(shè)砂礫石墊層20 cm，下游邊坡1：5.0，其下設(shè)砂礫石墊層20 cm，上下游坡腳均設(shè)混凝土固腳，固腳下游設(shè)5 m寬干砌石護(hù)底。

2.2 2#橡膠壩布置

2.2.1 橡膠壩布置

2#橡膠壩布置在倭肯河右岸，順?biāo)鞣较蚩傞L36 m，由進(jìn)口段、閘室段、消力池、海漫組成。進(jìn)口段長6 m，進(jìn)口底高程158.50 m，進(jìn)口邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，進(jìn)口鋪蓋采用50 cm厚混凝土板。閘室段長10 m，閘底板高程158.80 m，底板厚1.2 m，橡膠壩充水頂高程為160.80 m，壩高2 m，壩袋長100 m，兩側(cè)設(shè)鋼筋混凝土擋墻，墻頂高程與固灘高程齊平，均為161.20 m，閘室底板預(yù)埋Ф400充排水管，兩側(cè)邊墻內(nèi)設(shè)Ф200超壓溢流管，其溢出中心高程為161.00 m。消力池長10 m，池深0.5 m，消力池底板厚0.8 m，兩側(cè)設(shè)懸臂式鋼筋混凝土擋土墻，墻頂高程161.20 m。海漫段長15 m，采用30 cm厚干砌石護(hù)坡護(hù)底，下設(shè)20 cm碎石墊層和土工布一層，末端設(shè)1 m深防沖槽。

2.2.2 固灘布置

橡膠壩兩側(cè)與固灘連接，考慮景觀協(xié)調(diào)和交通需要，固灘頂高程161.20 m，頂寬取4 m，采用25 cm厚混凝土板，其下設(shè)砂礫石墊層20 cm層，上游邊坡1：2.5，其下設(shè)砂礫石墊層20 cm，下游邊坡1∶5.0，其下設(shè)砂礫石墊層20 cm，上下游坡腳均設(shè)混凝土固腳，固腳下游設(shè)5 m寬干砌石護(hù)底。

3 橡膠壩壩袋設(shè)計(jì)

1#橡膠壩與2#橡膠壩的壩袋設(shè)計(jì)均為充水式，壩袋內(nèi)壓比α為1.3，壩袋強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)按規(guī)定大于6.0，橡膠壩壩袋型號(hào)JBD2.0—200—1,膠布強(qiáng)度：J200200—1,200/200。壩袋膠布除滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)具有耐老化、耐腐蝕、抗沖擊，耐寒等特性。

橡膠壩的錨固系統(tǒng)采用螺栓壓板式錨固，形成一個(gè)密封的袋體，用水將壩袋充脹，構(gòu)成可升高或降低泄流的橡膠壩。因此其錨固構(gòu)件必須滿足強(qiáng)度和耐久性要求，達(dá)到牢固可靠和嚴(yán)密不透水的要求。

橡膠壩控制系統(tǒng)包括壩袋的充脹、排空，壩袋的超壓溢流、空氣排除及上下段水位觀測等。充排系統(tǒng)包括水泵房、進(jìn)排水管路及集水井等。

4 橡膠壩水力計(jì)算

橡膠壩水力計(jì)算包括過流能力計(jì)算、消能防沖計(jì)算、滲透穩(wěn)定計(jì)算。

4.1 泄流能力計(jì)算

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227—98)，橡膠壩泄流能力采用計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q為過壩流量，m3/s；σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)；b為溢流斷面平均寬度，m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水頭，m。

根據(jù)調(diào)洪計(jì)算塌壩后洪水全部在橡膠壩段泄流的橡膠壩過流能力，1#橡膠壩與2#橡膠壩設(shè)計(jì)過流量均為120 m3/s。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 橡膠壩(塌平)過流能力計(jì)算成果表

從表1中可以看出，1#橡膠壩與2#橡膠壩分別對應(yīng)上游水位162.80 m和161.00 m的工況，計(jì)算過流量均為326.63 m3/s，均大于主河槽平槽最大泄流量120 m3/s，由于1#橡膠壩與2#橡膠壩所在位置河床總寬度分別約420 m和468 m，考慮橡膠壩與整體景觀的協(xié)調(diào)和美觀，橡膠壩壩長均采用100 m，其寬度能夠滿足泄流要求。

4.2 消能防沖計(jì)算

消能防沖計(jì)算采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

水躍長度計(jì)算公式為：

(3)

消力池長度計(jì)算公式為：

Lsj=Ls+βLj

(4)

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù),采用0.80。

消力池深度計(jì)算公式為：

d=σ0-hc″-hs′-△Z

(5)

消力池底板厚度計(jì)算公式：

(6)

式中：t為消力池底板厚度，m；△H為泄水時(shí)的上下游水位差，m；K1為消力池底板計(jì)算系數(shù)。

海漫長度計(jì)算公式為:

(7)

式中：Lp為海漫長度，m；q′為消力池未端單寬流量，m3/s/ m；Ks為海漫長度計(jì)算系數(shù),根據(jù)地質(zhì)資料取Ks=12。

海漫未端河床沖刷深度計(jì)算公式為：

(8)

式中：d″為海漫未端河床沖刷深度，m；q″為海漫未端單寬流量，m3/s/ m；[v0]為河床土質(zhì)的不沖流速，m/s，取[v0]=0.6 m/s；hs″為海漫未端河床水深，m。

橡膠壩消能防沖計(jì)算成果見表2。

表2 橡膠壩消能防沖計(jì)算成果表

根據(jù)表2中計(jì)算結(jié)果，1#橡膠壩與2#橡膠壩均采用消力池池深0.5 m，池長10 m，海漫長15 m，海漫末端防沖槽深度1.0 m。

4.3 防滲設(shè)計(jì)

防滲計(jì)算采用公式：

J=△H/L

(9)

式中：L為滲經(jīng)長度，m；△H為上下游水位差，m。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 橡膠壩滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

從表3中可以看出，滲透穩(wěn)定滿足要求。

5 結(jié) 語

橡膠壩在運(yùn)行過程中，由于在日曬、水浸的環(huán)境中使用，受到復(fù)雜的自然條件影響，在各種外力作用和人為因素的影響下，其狀態(tài)隨時(shí)都在變化，如機(jī)械磨損、老化變質(zhì)等。在管理運(yùn)行中如不及時(shí)養(yǎng)護(hù)修理，則缺陷必將逐步發(fā)展，影響橡膠壩的安全，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致工程失事。實(shí)踐證明，有的橡膠壩工程，雖然原來有些缺陷，但由于認(rèn)真管理，采取了積極的養(yǎng)護(hù)修理措施，而保證了工程的正常運(yùn)用。相反，一個(gè)較好的橡膠壩工程，由于管理不善或無人管理，工程出現(xiàn)了缺陷，沒有及時(shí)地發(fā)現(xiàn)或者沒有采取必要的修補(bǔ)措施，造成壩袋撕裂，失去了橡膠壩的擋水作用?？梢娤鹉z壩能否充分發(fā)揮效益，除了有合理地規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及高質(zhì)量的壩袋外，加強(qiáng)對工程的管理和維護(hù)是十分重要的，而建立管理機(jī)構(gòu)又是搞好運(yùn)用管理的基礎(chǔ)和保證。又由于橡膠壩本身的特點(diǎn)是需要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)維修，為確保工程的正常運(yùn)行，要求工程竣工后，必須建立管理機(jī)構(gòu)。

[1]胡春艷.基于橡膠壩損壞原因和防治措施[J].黑龍江省水利科技，2008，36(03)：62-63.

[2]黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.七臺(tái)河市區(qū)倭肯河近期治理工程可行性研究報(bào)告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2012.

1007-7596(2014)12-0164-03

2014-10-16

劉彥財(cái) (1976-)，男，黑龍江青岡人，工程師。

TV644

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