王　冰

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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基于南岔區(qū)湯旺河治理工程中穿堤建筑物設(shè)計(jì)

王冰

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：湯旺河是松花江左岸的一級支流，是黑龍江省23條主要支流之一。發(fā)源于伊春市境內(nèi)的小興安嶺南麓，源頭分為東湯旺河和西湯旺河兩支。兩河在湯旺河區(qū)上游匯合后稱湯旺河干流。湯旺河流域洪澇災(zāi)害頻繁，曾給沿岸人民群眾財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。2013年黑龍江省發(fā)展和改革委員會對《黑龍江省伊春市南岔區(qū)湯旺河治理工程可行性研究報(bào)告》進(jìn)行了批復(fù)。批復(fù)中確定堤防設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20a一遇，建設(shè)堤防總長度2.85km，護(hù)岸2.4km，新建排水閘1座。文章闡述了湯旺河及伊春市南岔區(qū)的現(xiàn)狀、湯旺河治理工程概況、實(shí)施工程建設(shè)的必要性和其中穿堤建筑物的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：伊春市南岔區(qū)；湯旺河治理工程；工程建設(shè)的必要性；穿堤建筑物設(shè)計(jì)

1基本情況

湯旺河是松花江左岸的一級支流，是我省23條主要支流之一。發(fā)源于伊春市境內(nèi)的小興安嶺南麓，由北向南流經(jīng)伊春市所屬的12個(gè)區(qū)和佳木斯市所屬湯原縣，于湯原縣城南約5 km的新發(fā)村附近匯入松花江。湯旺河河源海拔高程580 m，干流全長509 km，落差474 m，流域總面積20 557 km2，其中山區(qū)面積12 355 km2，占總面積的60%[1]。伊春市南岔區(qū)位于黑龍江省東北部，行政管轄2個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)鄉(xiāng)、27行政個(gè)村、4個(gè)街道辦事處、24個(gè)社區(qū)，山上林場、經(jīng)營所家屬委員會4個(gè)。行政區(qū)總面積3 088 km2，林業(yè)施業(yè)區(qū)面積30 萬 hm2，耕地面積1.73 萬 hm2，全區(qū)總?cè)丝?3.1萬。2010年全區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值完成156 143萬元?！笆濉逼陂g，南岔區(qū)全面實(shí)施“生態(tài)立區(qū)、工業(yè)強(qiáng)區(qū)、和諧興區(qū)”發(fā)展戰(zhàn)略和“南部崛起、北部跨越、中部跟進(jìn)”工作方針，更加注重產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目建設(shè)，加速發(fā)展接續(xù)替代產(chǎn)業(yè)。到2015年，全區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)31.4億元，人均地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到23 265元，地方財(cái)政收入達(dá)到4 537萬元。

2工程建設(shè)必要性

2.1洪水災(zāi)害頻繁，損失嚴(yán)重

湯旺河流域洪澇災(zāi)害頻繁，給沿岸人民群眾財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。1961年大水，南岔區(qū)共有32 000余人受災(zāi)，死亡2人，倒塌房屋780間，水災(zāi)損失達(dá)0.88億多元。因此，新建湯旺河南岔區(qū)堤防工程是十分必要的。

2.2堤防工程建設(shè)是湯旺河干流綜合防洪體系的基礎(chǔ)

湯旺河干流防洪建設(shè)主要采用工程措施和非工程措施構(gòu)成的綜合防洪體系，湯旺河干流沒有修建大中型水庫的條件，防洪工程以堤防建設(shè)為主。湯旺河干流主槽和灘地寬度變化較大，主槽平均寬度一般在50～300 m；灘地平均寬度一般在0.5～3.5 km；如南岔區(qū)一面被山，三面環(huán)水，每遇大洪水，居民處于洪水包圍狀態(tài)，防汛抗洪搶險(xiǎn)壓力較大。南岔區(qū)工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，若發(fā)生洪災(zāi)損失越來越大，盡快修建高標(biāo)準(zhǔn)堤防工程，保護(hù)兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全，保障湯旺河流域工、農(nóng)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，新建堤防工程是十分迫切和必要的。

3湯旺河治理工程批復(fù)情況

1997年根據(jù)黑龍江省水利廳黑水字〔1997〕18號文《關(guān)于編制中小河流治理規(guī)劃的通知》的指示精神，伊春市水利勘測設(shè)計(jì)院編制了《湯旺河防洪工程規(guī)劃》。1999年黑龍江省水利廳以黑水政字[1999]112號文“關(guān)于湯旺河防洪工程規(guī)劃的批復(fù)”。通過兩次規(guī)劃，伊春市湯旺河干流堤防工程建設(shè)初具規(guī)模。2013年黑龍江省發(fā)展和改革委員會對《黑龍江省伊春市南岔區(qū)湯旺河治理工程可行性研究報(bào)告》(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院)進(jìn)行了批復(fù)(黑發(fā)改農(nóng)經(jīng)函[2013]197號)。批復(fù)中確定堤防設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20a一遇，建設(shè)堤防總長度2.85 km，護(hù)岸2.4 km；新建排水閘1座。

4穿堤建筑物設(shè)計(jì)

4.1概況

本次依據(jù)內(nèi)水規(guī)劃結(jié)論新建建筑物1座，即南岔排水涵閘，位于南岔區(qū)浩良河段堤防樁號2+762處。涵閘相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)排水流量為4.66m3/s。采用涵洞式，出口采用底流消能，主要由進(jìn)口護(hù)砌段、進(jìn)口漸變段、洞身及閘室段、消力池段及出口海漫段組成。

表1　南岔排水涵閘相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.2水力計(jì)算

4.2.1過流能力計(jì)算

按自排涵閘內(nèi)和涵閘外水位和自排流量，并依據(jù)以下公式判斷是有壓涵、半有壓涵還是無壓涵進(jìn)行涵閘過流能力計(jì)算，擬定涵洞尺寸。

4.2.1.1涵洞的流態(tài)判別

考慮施工及檢修要求涵洞高度取1.8m，涵洞流態(tài)辨別成果見表2。

表2　涵洞流態(tài)判別成果表　m

4.2.1.2淹沒壓力流涵洞過流能力計(jì)算

(1)

式中：Q為計(jì)算流量，m3/s；m2為壓力流時(shí)的流量系數(shù)；A為涵洞斷面面積，m2；h2為涵洞出口水深，m；R為水利半徑，m；∑ζ為局部水頭損失系數(shù)的總和；i為洞底坡降；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m。涵閘過流能力及洞徑計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　建筑物過流能力及洞徑設(shè)計(jì)成果表

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，涵閘復(fù)核計(jì)算流量>設(shè)計(jì)流量，涵閘過流能力及洞徑設(shè)計(jì)滿足要求。

4.2.2消能防沖計(jì)算

4.2.2.1消力池深度計(jì)算

(2)

4.2.2.2消力池長計(jì)算

Lsj=Ls+βLj

Lj=6.9(h″c-hc)

(3)

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

4.2.3海漫計(jì)算

4.2.3.1海漫長度計(jì)算

(4)

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度計(jì)算系數(shù)。

4.2.3.2海漫未端河床沖刷深度計(jì)算

(5)

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)采用消力池深度為0.9 m，池長19.05 m，海漫長14 m，防沖槽深1 m。

4.3穩(wěn)定計(jì)算

4.3.1滲流穩(wěn)定計(jì)算

滲流穩(wěn)定采用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。按照地質(zhì)勘察成果，南岔排水涵閘基礎(chǔ)為級配不良中礫。設(shè)計(jì)僅復(fù)核上下游水頭差較大情況，即上游最高水位109.02m，下游無水時(shí)的工況。計(jì)算公式為：

4.3.1.1土基地基有效深度計(jì)算

(6)

式中：Te為土基上水閘的地基有效深度，m；L0為地下輪廓的水平投影長度，m；S0為地下輪廓的垂直投影長度，m。

4.3.1.2分段阻力系數(shù)計(jì)算

1)

(7)

式中：ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻的入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

(8)

式中：ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

3)

(9)

式中：ξx為水平段阻力系數(shù)；Lx為水平段長度，m；S1、S2為進(jìn)、出口板樁或齒墻的入土深度，m。

4.3.1.3各分段水頭損失值

(10)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

4.3.1.4進(jìn)、出口段修正后的損失值

h0′=β′h0

(11)

式中：h0′為進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值，m；h0為進(jìn)、出口段水頭損失值，m；β′為阻力修正系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的β′≥1.0時(shí)，采用β′=1.0；S′為底板埋深與板樁入土深度之和，m；T′為板樁令一側(cè)地基透水地基深度，m。

4.3.1.5水平比降

(12)

式中：J為水平比降；hx為水平水頭損失，m。

4.3.1.6出逸比降

(13)

經(jīng)計(jì)算水平比降J=0.06，<水平段允許水力比降[J允許]=0.10，出逸比降J0=0.14，<出口段允許水力比降[J允許]=0.15，滲流比降滿足要求。

4.3.2抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算

4.3.2.1穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪強(qiáng)度

(14)

式中：f為閘室混凝土與接觸面的抗剪摩擦系數(shù)，取0.45；∑P為作用于閘室的全部荷載對計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量；∑W為作用于閘室的全部荷載對計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量。

4.3.2.2基底應(yīng)力計(jì)算公式

(15)

式中：∑W為鉛直荷載的總和；A為基底面的面積；∑M為作用在閘室的全部荷載對基底面垂直水流流向形心的力矩；B為閘室的長度。

閘室穩(wěn)定計(jì)算分別計(jì)算建成無水、外河設(shè)計(jì)洪水位(對應(yīng)內(nèi)水無水)情況，計(jì)算成果見表6。

表6　南岔排水涵閘閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基底最大正應(yīng)力為70.58 kN/m2小于地質(zhì)勘察報(bào)告提出的地基最小允許應(yīng)力[R]=240 kN/m2，閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的不均勻系數(shù)和閘基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)規(guī)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省伊春市南岔區(qū)湯旺河治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2014.

[作者簡介]王冰(1982-)，男，山東寧津人，助理工程師。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：TV6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)10-0043-03