淮南市田家庵區(qū)曹咀孜涵排澇工程設(shè)計研究

黃曼茹

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司安徽分公司,安徽 合肥 230000）

1 排水工況分析

1.1 自排及抽排工況

本次工程的任務(wù)主要是提高曹咀孜涵排澇能力,保障人民的生產(chǎn)財產(chǎn)安全。具體建設(shè)內(nèi)容為拆除原有涵閘,新建為3 孔4 m×3 m（寬×高）鋼筋砼箱涵,配套防洪閘等附屬設(shè)施。現(xiàn)狀曹咀孜排水區(qū)主要排澇設(shè)施有曹咀孜涵、曹咀孜排澇站、姚灣排澇站、新曹咀孜排澇站（抽自排結(jié)合）和化肥廠排澇站,澇水可通過抽排和自排兩種方式外排。

（1）自排工況

當(dāng)淮河水位較低時,通過曹咀孜涵再經(jīng)新曹咀孜排澇站自排涵自排至淮河。

（2）抽排工況

當(dāng)淮河水位較高無法自排時,曹咀孜片澇水主要通過曹咀孜排澇站抽排入淮河,多余無法排出的澇水通過曹咀孜涵排出,再由新曹咀孜排澇站、姚灣排澇站和化肥廠排澇站抽排入淮河。

1.2 匯水面積

曹咀孜排水區(qū)位于淮南市田家庵圈堤保護(hù)區(qū)內(nèi),匯水面積11.78 km2,由于目前龍王溝排水區(qū)有3.91 km2的匯水通過地下涵進(jìn)入曹咀孜排水分區(qū),曹咀孜片排區(qū)實(shí)際匯水總面積為15.69 km2。洞化截洪溝下段（匯水面積約6.58 km2）通過高排渠直接匯入淮河。

1.3 設(shè)計暴雨分析

由于曹咀孜涵附件流域無雨量站,本次設(shè)計采用淮南站實(shí)測雨量資料分析,并利用安徽省水利水電勘測設(shè)計院1995 年編制的《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》進(jìn)行復(fù)核。

根據(jù)淮南站多年實(shí)測雨量資料進(jìn)行分析計算,最大24 h多年平均值為98.7 mm,年最大24 h暴雨的最大值發(fā)生在1991 年,為212.7 mm,1974 年居第二位,為186.6 mm,1997 年居第三位,為171.1 mm。最大3 d 多年平均值為131 mm,年最大3 d 暴雨的最大值發(fā)生在1991 年,為342 mm。

根據(jù)《安徽省長短歷時年最大暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖》,查圖得本地區(qū)年最大24 h 點(diǎn)雨量均值為100 mm,年最大3 d點(diǎn)雨量均值為125 mm,與采用實(shí)測資料分析成果基本一致。

由于等值線圖參數(shù)考慮了面上平衡,能反映短歷時暴雨地區(qū)分布規(guī)律,同時比實(shí)測資料計算成果稍大,因此,本次設(shè)計暴雨采用等值線圖參數(shù)進(jìn)行計算,曹咀孜涵最大24 h 暴雨多年平均點(diǎn)雨量均值采用值為100 mm,20 年一遇、30 年一遇最大24 h 暴雨量分別為212 mm、234 mm,計算成果見表1。

表1 曹咀孜和石姚段暴雨頻率計算成果

2 設(shè)計流量計算

本次設(shè)計曹咀孜涵設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為30 年一遇,排澇模數(shù)按最大24 h 暴雨24 h 排出計算,分別計算抽排工況和自排工況兩種工況下的排澇模數(shù),進(jìn)而求得曹咀孜涵設(shè)計流量。

通過量算項目區(qū)萬分之一地形圖,結(jié)合現(xiàn)有城區(qū)地形地貌和城區(qū)規(guī)劃情況,曹咀孜現(xiàn)狀總排澇面積為15.69 km2,現(xiàn)有城區(qū)面積為14.91 km2,水面面積為0.78 km2。由于城區(qū)不同地面的下墊面條件不同,不同類型地形的徑流系數(shù)也隨地面坡度、土壤滲透情況及暴雨量等因素不同而不同。參考類似工程經(jīng)驗取值,一般調(diào)蓄溝塘等水面徑流系數(shù)為1.0,其他城市用地徑流系數(shù)取值0.85,道路、房屋等硬化地面徑流系數(shù)為0.9,綜合考慮項目區(qū)現(xiàn)有城區(qū)建設(shè)下墊面條件和溝塘分布,從工程設(shè)計偏安全角度考慮,項目區(qū)綜合徑流系數(shù)取0.85。

2.1 抽排模數(shù)計算

根據(jù)《淮南市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》（淮南市規(guī)劃設(shè)計研究院、無錫市政設(shè)計研究院有限公司,2014 年）,淮南市城市最新排澇標(biāo)準(zhǔn)確定為30 年一遇,本次設(shè)計曹咀孜匯水區(qū)抽排模數(shù)按30 年一遇最大24 h 暴雨24 h 排出計算,考慮溝塘調(diào)蓄（泵站機(jī)排調(diào)蓄水深一般為500 mm～1000 mm,本次根據(jù)項目區(qū)溝塘實(shí)際可調(diào)蓄水深取600 mm）,計算公式及參數(shù)選擇參照《淮南市曹咀孜匯水區(qū)及石姚段排水骨干工程規(guī)劃》（安徽省水利水電勘測設(shè)計院,2010 年）。計算過程及結(jié)果如下：

式中：q 為排澇模數(shù)（m3/s/km2）；P 為30 年一遇最大24 h 設(shè)計暴雨,為234 mm；F 為排區(qū)總面積,15.69 km2；F城區(qū)為城區(qū)面積,14.91 km2；F水面為水面面積,0.78 km2；C城區(qū)為城區(qū)地面徑流系數(shù),取0.85；H 為水面調(diào)節(jié)水深,取600 mm；t 為泵站日開機(jī)小時數(shù)。取22 小時。

經(jīng)計算,曹咀孜片30 年一遇平均設(shè)計抽排模為2.16 m3/s/km2。

2.2 自排模數(shù)計算

本次設(shè)計曹咀孜匯水區(qū)自排模數(shù)按30 年一遇最大24 h暴雨24 h 排出計算,計算公式及參數(shù)選擇參照《淮南市曹咀孜匯水區(qū)及石姚段排水骨干工程規(guī)劃》（安徽省水利水電勘測設(shè)計院,2010 年）。為充分利用自排機(jī)遇、盡量減少泵站運(yùn)行費(fèi)用,同時兼顧考慮城區(qū)景觀水體蓄水要求和海綿城市雨水花園、生態(tài)滯留池、滲透池、人工濕地等滯蓄設(shè)施的調(diào)蓄作用,參考類似工程經(jīng)驗取值,自排流量計算時溝塘調(diào)蓄水深按200 mm 考慮。

計算過程及結(jié)果如下：

式中：q 為自排模數(shù)（m3/s/km2）；P 為30 年一遇最大24 h 設(shè)計暴雨,為234 mm；F 為排區(qū)總面積,15.69 km2；F城區(qū)為城區(qū)面積,14.91 km2；F水面為水面面積,0.78 km2；Hs為調(diào)蓄水深,mm；C城區(qū)為城區(qū)地面徑流系數(shù),取0.85；t 為日自排時間,取24 小時。

經(jīng)計算,曹咀孜片30 年一遇平均設(shè)計自排模為2.21 m3/s/km2。

2.3 抽排及自排工況設(shè)計流量

抽排時,曹咀孜匯水區(qū)澇水一部分經(jīng)過曹咀孜排澇站排出,另一部分通過曹咀孜涵再由新曹咀孜排澇站、化肥廠排澇站和姚灣排澇站排出。

曹咀孜匯水區(qū)抽排流量為2.16 m3/s/km2×15.69 km2=33.8 m3/s,曹咀孜排澇站規(guī)劃設(shè)計流量為15.0 m3/s,故抽排時曹咀孜涵過流量為33.8 m3/s-15.0 m3/s=18.8 m3/s。

自排時,曹咀孜匯水區(qū)澇水通過曹咀孜涵再經(jīng)新曹咀孜排澇站自排涵排出,曹咀孜涵過流量為2.21 m3/s/km2×15.69 km2=34.7 m3/s。

2.4 設(shè)計流量

本次曹咀孜涵設(shè)計最大過流流量選擇抽排和自排工況下的較大值,即34.7 m3/s。主要考慮到解決現(xiàn)狀曹咀孜涵規(guī)模不足、阻水嚴(yán)重導(dǎo)致區(qū)內(nèi)低洼區(qū)域頻繁受淹的問題刻不容緩,防汛壓力較大,亟待實(shí)施,本階段暫不引用曹咀孜片遠(yuǎn)期排水規(guī)劃前期成果,從工程偏安全角度考慮,曹咀孜涵設(shè)計最大過流流量仍取為34.7 m3/s。

根據(jù)曹咀孜涵上下游排澇溝現(xiàn)狀地形情況, 當(dāng)上游遭遇30 年一遇暴雨且具備自排條件時, 排澇溝過流流量為34.7 m3/s,求得工程建設(shè)前后曹咀孜涵相應(yīng)閘上水位和閘下水位,見表2。

表2 曹咀孜涵主要規(guī)劃設(shè)計參數(shù)表

現(xiàn)狀曹咀孜涵上游地面高程為19.1 m～42.0 m,為由表2可知,30 年一遇暴雨工況下現(xiàn)狀曹咀孜涵閘上水位為19.41 m,閘上部分地區(qū)已經(jīng)淹沒,涵洞阻水較為嚴(yán)重,故對曹咀孜涵實(shí)施拆除重建是十分必要的。

3 曹咀孜涵排澇設(shè)施設(shè)計

（1）進(jìn)出口護(hù)砌

涵閘進(jìn)口設(shè)八字圓弧形翼墻,C20 砼結(jié)構(gòu),兩側(cè)水平長各10 m,對稱布置,墻身高4.1 m,頂寬0.5 m,迎水側(cè)直立,背水側(cè)坡比1∶0.5,基礎(chǔ)厚0.5 m,翼墻以上至岸頂設(shè)草皮護(hù)坡,坡比不陡于1∶2.5。翼墻上游兩側(cè)分別設(shè)70 mC20 砼預(yù)制塊+草皮護(hù)坡與現(xiàn)狀岸坡順接。

涵閘出口設(shè)八字形翼墻,C20 砼結(jié)構(gòu),兩側(cè)各長15 m,對稱布置,墻身高2.5 m～4.0 m,頂寬0.5 m,迎水側(cè)直立,背水側(cè)坡比1∶0.5,基礎(chǔ)厚0.5 m。

（2）穿堤箱涵

穿堤箱涵共3 孔,孔口尺寸為4.0 m×3.0 m（寬×高）,頂板、底板及邊墻厚度均為0.6 m,中墩厚0.5 m,底板下設(shè)0.1 m厚C15 素砼墊層,總長度52 m,分5 節(jié)（4×10.5 m+1×10 m）。箱涵為C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu),底板高程同現(xiàn)狀,15.9 m。接縫部位均設(shè)止水和鋼筋混凝土包箍。

（3）防洪控制段

穿堤箱涵出口為防洪閘段,設(shè)置防洪工作閘門,3 孔,孔口尺寸為4.0 m×3.0 m（寬×高）。上部設(shè)置排架柱、啟閉機(jī)平臺和啟閉機(jī)房,排架柱截面為0.5 m×0.5 m,高3.9 m；啟閉機(jī)平臺長15.6 m,寬4.3 m,厚0.15 m,平臺高程25.3 m；啟閉機(jī)房為15.6 m×4.3 m×4 m（長×寬×高））磚混結(jié)構(gòu)。啟閉機(jī)房與堤頂間設(shè)置1.5 m 寬C25 鋼筋砼棧橋。涵洞出口側(cè)棧橋及防洪閘檢修平臺均設(shè)置防護(hù)欄桿。

4 穩(wěn)定分析計算

4.1 過流能力計算

（1）水流流態(tài)判別

曹咀孜涵進(jìn)口水深小于1.2 倍洞高,出口水深小于洞高,判斷為無壓流。設(shè)計涵洞洞長63 m 大于8 倍進(jìn)口水深,判斷為長洞。

（2）流量復(fù)核

根據(jù)涵洞水位和高程確定曹咀孜涵為無壓流長洞,過流能力計算采用公式。

式中：Q 為流量,m3/s；σ 為淹沒系數(shù),0.594；m 為流量系數(shù)取0.36；ε為側(cè)收縮系數(shù),0.95；H0為行近流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深；B 為洞寬,12 m。

經(jīng)核算,涵洞實(shí)際過流量為41.18 m3/s；大于設(shè)計過流量36.4m3/s,滿足要求。

4.2 滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2001）,閘基防滲長度下式計算。

式中：L 為閘基防滲長度,m；Δ H 為最大水位差,m；C 為滲徑系數(shù),7。

計算閘基防滲長度21 m,實(shí)際閘基防滲長度大于63 m,滿足要求。

5 結(jié)論

考慮到曹咀孜涵建成以后,可將上游曹咀孜片澇水迅速排入下游新曹咀孜站匯水區(qū),但曹咀孜涵閘上水位快速下降以后,一方面可能會加大下游排澇壓力,另一方面可能會導(dǎo)致老曹咀孜站無法正常運(yùn)行,故曹咀孜涵的調(diào)度運(yùn)行應(yīng)根據(jù)閘上水位情況,合理控制閘門開度,控制下泄流量,在優(yōu)先保障老曹咀孜站正常運(yùn)行的前提下,將超出老曹咀孜站排澇能力的澇水排入下游,統(tǒng)籌調(diào)度區(qū)域排澇設(shè)施進(jìn)行排水,保障區(qū)域防洪排澇安全。