蘇家屯區(qū)柳溝攔河閘過流能力計算與水位校核分析

張曉琳

(沈陽順源德工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

柳溝攔河閘所在河流為十里河支流柳溝河，閘址位于沈陽市蘇家屯區(qū)柳家溝，閘址上游河道長17.64 km，閘址上游流域99.3 km2，河道平均比降1.38‰，下游5.09 km柳溝河在二十家子村附近匯入十里河，總河長22.73 km，總面積106.7 km2。閘門翼墻、閘墩及閘室底板下部為漿砌石結(jié)構(gòu)，排架、啟閉機(jī)梁、消力池及閘室底板表層10 cm為混凝土結(jié)構(gòu)，閘門共5孔，總凈寬為10.0 m。柳溝攔河閘主要功能是引水灌溉，現(xiàn)灌溉面積3 000畝。另外，該閘正常蓄水后，在上游河道近1.0 km范圍內(nèi)形成水面，不但可以為兩岸3 000畝耕地提供抗旱緊急用水，還可以補(bǔ)給地下水，提高地下水位和河道兩側(cè)耕地的抗早能力。

水閘于1973年5月建成投入運(yùn)行，至今運(yùn)行40多年，前鋪蓋、閘底板、消力池、海漫等局部破損，閘門大都受到腐蝕、有裂縫，因受力不均啟閉機(jī)的絲杠多數(shù)已發(fā)生明顯變形。經(jīng)現(xiàn)場踏勘、測量、地勘，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：(1)護(hù)坡、翼墻與閘墩：水閘上下游河道均無護(hù)岸工程，河岸受水流沖刷嚴(yán)重，多處坍塌；翼墻局部漿砌石散落，閘墩漿砌石體有裂縫，水位變化區(qū)剝蝕較為嚴(yán)重。(2)閘門及啟閉設(shè)備：閘門嚴(yán)重銹蝕，部分腐爛，已不能正常運(yùn)用；閉機(jī)為單吊點(diǎn)手動螺桿式啟閉機(jī)，經(jīng)多年運(yùn)行螺桿、對軸均有較大損毀；由于無啟閉室及管理房，設(shè)備銹蝕風(fēng)化嚴(yán)重，已無法正常運(yùn)用。(3)交通橋：交通橋路面窄、標(biāo)準(zhǔn)低，橋面、橋墩破損嚴(yán)重，混凝土有裂縫、脫殼、剝落現(xiàn)象；此外，由于閘上交通橋為連接村內(nèi)外交通的要道，經(jīng)常有超重型貨車強(qiáng)行通行，存在極大的安全隱患。(4)消能防沖與管理觀測設(shè)施：消力池下有較大、較深的沖刷坑，下游海漫早己沖毀；柳溝攔河閘無管理房、觀測設(shè)施，管理人員為所在地村委會村民，無專業(yè)人員管理。此外，柳溝攔河閘所在河道寬度約90 m，整個閘孤立在河道之中，縮窄河道，水流經(jīng)消力池后消能不完全，水流不斷沖刷河岸，導(dǎo)致下游河岸出現(xiàn)沖坑[1-4]。

經(jīng)省水電工程質(zhì)量檢測中心現(xiàn)場安全檢測、沈陽市水利勘測設(shè)計院復(fù)核，柳溝攔河閘安全類別評定為四類閘，該座水閘過流能力復(fù)核不滿足現(xiàn)狀要求，且多項運(yùn)用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，存在嚴(yán)重安全問題，已經(jīng)不能正常運(yùn)行。因此，本文校核研究了20 a一遇、10 a一遇柳溝攔河閘的過流能力和水位，以期為攔河閘除險加固設(shè)計提供一定參考。

2 攔河閘過流能力計算

2.1 水文資料

溝攔河閘所在柳溝河，屬小型河流，暫無河道整體規(guī)劃，水閘建成至今僅有幾次應(yīng)急性搶修，沒有經(jīng)過改擴(kuò)建，由于缺少觀測設(shè)施，無水閘沉降觀測資料。柳溝河位于沈陽市蘇家屯,周邊是平原地區(qū)，其設(shè)計洪水與洪峰流量按平原區(qū)排水模數(shù)計算。

2.2 排澇范圍

工程范圍為柳溝攔河閘上游330 m至下游520 m之間，工程區(qū)長度為850 m，為方便工程描述，將上游起始位置樁號設(shè)置為0+000，下游末尾樁號設(shè)置為0+850。柳溝河為流經(jīng)農(nóng)村段的排澇河道，由于河道兩岸為村間鄉(xiāng)路，治理段排澇范圍為村間道路圍成的區(qū)域，閘址以上排澇面積共計99.3 km2，工程區(qū)排澇面積共102.3 km2。

2.3 過流能力

(2)排澇模數(shù)。由于蘇家屯區(qū)市政管網(wǎng)建設(shè)正在逐步推進(jìn)，暫時沒有建成完整的市政管網(wǎng)系統(tǒng)，排水泵站啟用機(jī)會較低，河道流量主要為面源匯流，采用排水模數(shù)公式進(jìn)行排澇模數(shù)和排澇流量的計算，計算公式如下：

(1)

式中：M為設(shè)計排澇模數(shù)[(m3/s)/km2]；T為排澇歷時(d)，文中取為1 d；R為設(shè)計徑流深(mm)。

由于排澇區(qū)距離城市中心很近，土地用地性質(zhì)為居住區(qū)用地，建筑稀疏，集水區(qū)的土壤特性、地表植被情況、平均坡度、流域特性因子和地形等是影響徑流系數(shù)的主要因素。參考《室外排水設(shè)計規(guī)范》，城市建筑稀疏區(qū)綜合徑流系數(shù)基本為0.20～0.45?？紤]到不同重現(xiàn)期的暴雨前期影響雨量不同，綜合徑流系數(shù)按照降雨重現(xiàn)期不同進(jìn)行了調(diào)整。設(shè)計取20 a、10 a一遇暴雨對應(yīng)的徑流系數(shù)分別為0.55、0.45，排澇模數(shù)計算結(jié)果如表1。

表1 排澇模數(shù)計算表

(3)過流能力。柳溝攔河閘過流能力主要由本河段承泄區(qū)域的雨洪流量決定，河道沿途納入市政管網(wǎng)雨水和漫流雨水后的過流能力計算過程如下：

由于柳溝河為平原地區(qū)的排澇河段，攔河閘過流能力仍采用平均排除法確定，即：

Qp=M×F

(2)

式中：Qp為設(shè)計過流能力(m3/s)；M為設(shè)計排澇模數(shù)[(m3/s)/km2]；F為排澇面積(km2)；過流能力計算成果如表2。

表2 河道過流能力計算成果表

本次工程區(qū)攔河閘段20 a一遇過流能力為122.88 m3/s，10 a一遇過流能力為81.46 m3/s。工程區(qū)終點(diǎn)20 a一遇過流能力為126.60 m3/s，10 a一遇過流能力為83.92 m3/s。過流能力計算嚴(yán)格分析項目區(qū)實際情況，通過對比《建筑給水排水規(guī)范》中選取的合適徑流系數(shù)，故過流能力計算成果較為合理可靠，建議采用本次計算成果作為攔河閘除險加固設(shè)計依據(jù)。

3 過閘水位計算分析

3.1 基本資料

3.2 計算方法

采用能量方程式推算一般斷面水面線，利用鮑氏公式計算橋壅水。其中，水流能量方程即非均勻流恒定水面曲線基本方程，其表達(dá)式如下：

(3)

K=K灘1+K灘2+K槽1+K槽2+…

(4)

橋壅水計算采用的公式如下：

(5)

(6)

vs=Q/(W過+W阻)

(7)

式中：ΔZ為橋壅水高度，m；ξ為與水流進(jìn)入橋孔的阻力有關(guān)的系數(shù)，取ξ=1；v為有沖刷情況時，橋下平均流速，m/s；v1為天然條件下橋處平均流速，m/s；P為與橋孔沖刷有關(guān)的系數(shù)，取P=1.1；W過、W阻分別為橋的過水和阻水?dāng)嗝婷娣e，m2；vs為橋下設(shè)計洪水流速，m/s。

表3 二十年一遇設(shè)計水面線

3.3 糙率與起始水位

蘇家屯柳溝河河床糙率的采用數(shù)值，結(jié)合歷史洪水調(diào)查采用值及實地查勘等資料，根據(jù)河道現(xiàn)狀、河床地質(zhì)及植被等情況，參考水力手冊的糙率表選取。本次項目區(qū)主河槽糙率選為0.035，邊灘糙率選為0.045。

設(shè)計水面線推求以工程區(qū)終點(diǎn)樁號0+850處控制斷面為起始斷面，該處斷面采用本次實地踏勘測量所得的河道設(shè)計斷面型式，并采用HEC軟件進(jìn)行均勻流水位多次試算作為起調(diào)水位。試算所得工程區(qū)終點(diǎn)斷面20 a一遇起始洪水位為39.75 m，10 a一遇起始洪水位為39.32 m。

3.4 計算結(jié)果

經(jīng)計算，蘇家屯柳溝河段過閘水位與流量推算成果見表3、表4，柳溝攔河閘過閘水位與流量取樁號0+250斷面。

表4 十年一遇設(shè)計水面線

由表3可知，20 a一遇洪峰流量為122.88 m3/s時的過閘水位為41.08 m，10 a一遇洪峰流量為81.46 m3/s時的過閘水位為38.16 m。因此，建議按照20 a一遇和10 a一遇兩種情況分別進(jìn)行攔河閘除險加固設(shè)計，依據(jù)以上計算成果為柳溝攔河閘除險加固設(shè)計提供一定數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)語

在保證泄洪安全和運(yùn)行使用功能的情況下，應(yīng)正確處理好攔河閘引水灌溉與排砂矛盾，從而長久、穩(wěn)定發(fā)揮攔河閘工程效益。本文以蘇家屯區(qū)柳溝攔河閘為例，全面梳理了攔河閘現(xiàn)存問題，并計算分析了攔河閘20 a一遇、10 a一遇的洪水過流能力及其過閘水位，旨在為攔河閘除險加固方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

攔河閘除險加固是水資源合理開發(fā)利用以及保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的迫切要求，從消除柳溝攔河閘、交通橋安全隱患，確保工程度汛安全，到保障攔河閘灌溉、防汛調(diào)度運(yùn)用靈活，改善啟閉設(shè)施設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，優(yōu)化閘址整體工程面貌，與上游水面相映，形成水利工程景觀，改善周邊環(huán)境等，柳溝攔河閘除險加固工程都勢在必行。