長興島2#河道主渠多級(jí)跌水工程設(shè)計(jì)

湯 慧

(大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116024)

1 工程背景

大連市長興島臨港工業(yè)區(qū)2#河道總長1163.2m，河道下游南疏港路南側(cè)至渤海入?？诙伍L870m，已完成施工圖設(shè)計(jì)；2#河道主渠即河道上游南疏港路北側(cè)至兩條支渠匯入口段，長293.2m，樁號(hào)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(hào)0+293.2)河底高程7.00m，下游銜接處(樁號(hào)0+000)根據(jù)現(xiàn)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(yán)重。為了調(diào)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(xiàng)目經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的效果，決定采用多級(jí)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(qū)域地貌單元屬低山丘陵，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告[2]地表以下簡單介紹為：

(5)弱風(fēng)化泥灰?guī)r(Zc)：灰色，微晶～泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，屬較軟巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，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(jié)構(gòu)布置

2.1 主體結(jié)構(gòu)布置

跌水由進(jìn)口、跌水墻、側(cè)邊墻、消力池和出口等部分組成。進(jìn)口包括進(jìn)口翼墻、護(hù)底及跌水口三部分[3]。進(jìn)口銜接段起始樁號(hào)0+269.3，終止樁號(hào)0+249.3，順?biāo)鞣较蚩傞L20m。跌水口的過水?dāng)嗝姹壬嫌吻肋^水?dāng)嗝嫘。嫌吻罏樘菪螖嗝嫘褪?，跌水口采用矩形缺口，樁?hào)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(cè)邊墻，保證水流平順，側(cè)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(hù)底，下鋪設(shè)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(cè)邊墻為重力式漿砌石擋土墻，墻頂寬度0.5m；墻內(nèi)設(shè)Ф75排水管，跌水墻和側(cè)邊墻按一般擋土墻設(shè)計(jì)。

跌水墻下設(shè)矩形消力池，第一級(jí)消力池順?biāo)鞣较蜷L11m，底板高程5.00m；第二級(jí)消力池順?biāo)鞣较蜷L10m，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(jié)構(gòu)，厚0.5m，下鋪設(shè)0.1m厚素混凝土墊層；跌水墻與消力池底板連接處設(shè)橡膠止水。左、右岸側(cè)邊墻高程由9.10m漸變至8.00m，漸變至6.40m。

為調(diào)整出池的水流，設(shè)計(jì)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(hù)底，下鋪設(shè)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(jù)地質(zhì)資料顯示：地基雜填土、素填土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土不宜做持力層，根據(jù)軟弱土層的深度以及下臥土層的承載力，設(shè)計(jì)采用1.0m厚碎石料換填處理地基。碎石料墊層底面兩側(cè)向上放坡坡比為1∶1，頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊緣1.5m。采用的碎石料須級(jí)配良好，不含植物殘?bào)w、垃圾等雜質(zhì)，壓實(shí)數(shù)須達(dá)到0.95。換填墊層地基應(yīng)按JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行檢測，保證0+228.7～0+249.27段地基承載力達(dá)到160kPa，其余段地基承載力達(dá)到100kPa。

3 多級(jí)跌水工程設(shè)計(jì)計(jì)算

多級(jí)跌水工程位于樁號(hào)0+249.3，渠底總跌差2.9m。若修建單級(jí)跌水，則跌水墻墻高3.5m左右，渠道側(cè)邊墻墻高5.6m左右，斷面尺寸較大，增加地基承載負(fù)擔(dān)。為了節(jié)省工程量和投資，根據(jù)渠道的設(shè)計(jì)縱坡和實(shí)際地形情況分為兩級(jí)跌水。

根據(jù)城市保護(hù)對象的重要程度和防洪保護(hù)區(qū)人口數(shù)量，按照相關(guān)規(guī)范中的規(guī)定，確定河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇[5]，河道堤防工程及跌水建筑物級(jí)別為5級(jí)[6]。

多級(jí)跌水本質(zhì)上屬于多級(jí)消力池，但二者在水力計(jì)算上仍有差別[7]，本次多級(jí)跌水工程的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算過程如下。

3.1 第一級(jí)消力池計(jì)算

2#河道主渠10年一遇洪峰流量為109.47m3/s，進(jìn)口寬25m，則單寬流量q=4.38m2/s。第一級(jí)跌水高差P1=2.0m，由下列經(jīng)驗(yàn)公式[8]計(jì)算可求解：

(1)第一級(jí)消力坎高c1

(1)

(2)

(3)

(4)

(2)第一級(jí)平臺(tái)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(jí)平臺(tái)長度

(7)

δc1為消力坎頂長度，流量小的時(shí)候可取跌水墻墻頂寬度，流量大時(shí)取δc1=(1～2)H1，本次設(shè)計(jì)取δc1=H1≈1.6m，則第一級(jí)平臺(tái)長度l1=10.46m，本次設(shè)計(jì)取11m。

3.2 第二級(jí)消力池計(jì)算

第二級(jí)即最后一級(jí)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(jì)算成果可知為1.8m。因最后一級(jí)消力池計(jì)算受下游河床水深影響，故按照SL265- 2006《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B計(jì)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(shù)，可采用1.05～1.10，取σ0=1.10；φ—流速系數(shù)，φ值與堰的進(jìn)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(guān)，寬頂堰自由溢流時(shí)可采用0.80～0.90，取φ=0.85；α—水流動(dòng)能校正系數(shù)，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(jì)算

(2)消力池長度Lsj

Lsj=βLj

(12)

(13)

式中，β—水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8，本次設(shè)計(jì)取0.75；Lj—水躍長度,m。

消力池長度的設(shè)計(jì)流量是通過的最大流量。經(jīng)計(jì)算Lsj=8.69m，消力池長度取9.5m，尾坎寬度0.5m，則計(jì)尾坎寬度的消力池長度為10.0m。

4 結(jié)語

長興島2#河道多級(jí)跌水工程運(yùn)行兩年多來，岸墻和河底未見沖刷破壞現(xiàn)象，水流銜接較平順，且河道過流時(shí)可形成瀑布景觀。河道跌水工程國內(nèi)較少[9]，在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中，可以參考上述設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法確定多級(jí)跌水的設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合地形、地質(zhì)情況綜合考慮基礎(chǔ)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(jí)跌水設(shè)計(jì)中還應(yīng)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(shè)計(jì)方案。

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