陸 思（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

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四家子跌水工程設(shè)計(jì)

陸 思
（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121000）

四家子河段河道順直，上游自然水面寬闊，由于建筑物建成后形成的回水區(qū)水面連續(xù)，很適合修建跌水、護(hù)岸及綠化濕地建設(shè)。這樣能夠有效解決下游防沖問題，同時(shí)也節(jié)省了工程投資。本文對跌水工程主體布設(shè)、下游岸坡防護(hù)及設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了分析，建成的跌水工程所形成生態(tài)濕地，能夠充分體現(xiàn)自然、生態(tài)、親水特點(diǎn)。

跌水工程；設(shè)計(jì)；地質(zhì)；分析

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.033

1 地質(zhì)概況

四家子跌水工程位于遼寧沈陽蒲河生態(tài)廊道建設(shè)的上游段，棋盤山風(fēng)景區(qū)內(nèi)。閘址位于四家子社區(qū)地形測量樁號1 +840m處，河床順直，地勢平坦，屬沖積平原地貌。閘址區(qū)為第四系沖積地層，其巖性，從勘探孔揭露的深度范圍內(nèi)由上至下描述如下。

（1）河床巖性表層為耕土：黑褐色，稍濕，松散，主要成份為粘性土，含少量植物根系，層厚0.5m，層底標(biāo)高110.28～110.08m。

（2）礫砂：黃褐色，稍濕～濕，松散，級配良好，顆粒呈次圓形，長石、石英質(zhì)，含少量粘粒，層厚0.8m，層底標(biāo)高109.48m。

（3）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：黃褐色，灰色，流塑，絮狀結(jié)構(gòu)，略有光澤，干強(qiáng)度、韌性低，無搖震反應(yīng)，層厚1.3～1.5m，層底標(biāo)高108.88～108.58m。

（4）圓礫：級配良好，松散～稍密，顆粒呈次圓形，由石英巖及花崗巖等碎塊組成，最大顆粒110mm，顆粒呈強(qiáng)—中風(fēng)化，中粗砂充填空隙，含少量粘粒，層厚1.4～1.9m，層底標(biāo)高107.86～106.89m。

（5）碎石：級配良好，松散～中密，顆粒呈棱角形，由石英及花崗等碎塊組成，最大顆粒120mm，顆粒呈強(qiáng)—中風(fēng)化，中粗砂充填空隙，含少量粘粒，層厚1.5～2.6m，層底標(biāo)高105.58～105.26m。

（6）強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：黃白色，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖芯呈砂土狀或碎塊狀，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為鉀長石、石英及云母等，層厚4.7～5.8m，層底標(biāo)高100.78～99.46m。

本次勘察期間，在勘察孔揭露的深度范圍內(nèi)，見有主要接受大氣降水補(bǔ)給的上層滯水，其初見水位為1.70～2.10m；穩(wěn)定水位為1.00～1.20m。

2 跌水工程主體結(jié)構(gòu)布置

四家子跌水工程項(xiàng)目建設(shè)主要內(nèi)容：倒伏閘門式跌水，凈寬20m（垂直水流方向），閘門擋水高度1.2m，主體結(jié)構(gòu)包括上游鋪蓋、閘室底板及邊墩、消力池、海漫、防沖槽、兩岸翼墻及閘址下游（50m）岸坡防護(hù)工程。

四家子跌水位于四家子社區(qū)樁號1 +840（連心橋0 +000樁號）處，垂直該河段布置。

跌水進(jìn)口凈寬20m（垂直水流方向），出口凈寬23.4m，設(shè)計(jì)擋水位107.20m，閘門擋水高1.20m，底板頂高程106.00m。跌水結(jié)構(gòu)主要由閘室，上游鋪蓋、下游消力池、石籠海漫、防沖槽及兩岸鋼筋混凝土翼墻等組成。

上游防沖鋪蓋采用格賓石籠結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L5.0m，鋪蓋頂高程106.00m，厚0.50m，兩側(cè)翼墻高程由108.6漸變至107.80m。

閘門跌水為液壓倒伏式鋼閘門結(jié)構(gòu)，閘室底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板頂高程為106.0m，順?biāo)鞣较蜷L13.81m，前底板厚0.5m，閘門錨固段厚1.0m。兩側(cè)邊墩頂高程為108.6m。

下游消力池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蚩傞L6.6m，其中池底水平段6.0m，尾坎段0.6m。消力池底板頂高程105.01m，厚0.50m，兩側(cè)翼墻高程由108.6漸變至107.80m。

海漫采用格賓石籠結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L15.0m，海漫頂高程106.00m，厚0.50m，下鋪設(shè)反濾土工布；下游防沖槽為拋石結(jié)構(gòu)，梯形斷面，上頂寬4.5m，深1.00m，下底寬1.00m。

鋪蓋、閘底板、消力池部分左右岸灘面均采用0.3m厚石籠網(wǎng)墊進(jìn)行平面防護(hù)，防護(hù)寬度15.0m。

3 跌水下游岸坡防護(hù)

跌水工程下游岸坡防護(hù)左右岸長度均為50m，防護(hù)結(jié)構(gòu)為0.3m厚石籠網(wǎng)護(hù)墊，上鋪0.1m種植土，并進(jìn)行植物防護(hù)，設(shè)計(jì)邊坡坡度1∶2.5。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 閘址斷面設(shè)計(jì)水位推求

由推求得：二十年一遇洪水流量為313.9m3/ s，設(shè)計(jì)邊坡1∶2.5（m=2.5），糙率n =0.025，設(shè)計(jì)主槽河道底寬20m，左岸灘地過水寬度15m，右岸灘地過水寬度15m，河道比降1 /500。計(jì)算能滿足二十年一遇設(shè)計(jì)流量的水深，即求出閘址處二十年一遇設(shè)計(jì)水位。經(jīng)試算，求出閘址處二十年一遇設(shè)計(jì)水位為109.4m。

4.2 消能防沖計(jì)算

消能防沖計(jì)算工況為下游初始狀態(tài)無水，設(shè)上游每隔0.3m一個(gè)翻板門開啟高度，進(jìn)行消能防沖計(jì)算。

（1）消力池深度計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄B，消力池深度可按下式計(jì)算：

式中：

d—消力池深度，m；

h"c—躍后水深，m；

hc—收縮水深，m；

T0—由消力池底板頂面算起的總勢能，m；

ΔZ—出池落差，m；

h's—出池河床水深，m。

σ0—水躍淹沒系數(shù)，可采用1.05～1.10，取σ0=1.05；

ψ—孔流流量系數(shù)，可采用0.95～1.0，取ψ=0.95；

b1—消力池首端寬度，m；

b2—消力池末端寬度，m；

α—水流動能校正系數(shù)，可采用1.0～1.05，取α=1.05；

q—過閘單寬流量（m2/s），q =Q/B0。

經(jīng)計(jì)算，各工況消力池深度最深需0.42m，本次設(shè)計(jì)消力池池深根據(jù)閘門底板構(gòu)造，取0.99m。

（2）消力池長度計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄B，消力池長度按下式計(jì)算：

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；

Lsj—消力池長度，m；

Ls—消力池傾斜段水平投影長度，為0.0；

Lj—水躍長度，m。

經(jīng)計(jì)算，各工況消力池長度最長需5.51m，本次設(shè)計(jì)消力池池長取6.00m。

（3）消力池底板厚度計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄B，消力池厚度按抗沖公式進(jìn)行計(jì)算，之后對計(jì)算結(jié)果按抗浮公式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：

t—消力池底板厚度，m；

K1—消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.15～0.20，取0.15；

q—出閘單寬流量，m3/s；

△H—上下游水位差，m。

按消力池底板抗浮公式對以上計(jì)算結(jié)果（抗沖計(jì)算）進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：

t—消力池底板厚度，m；

K2—消力池底板安全系數(shù)，可采用1.10～1.30，取1.20；

U—作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力，kPa；

W—作用在消力池底板頂面的水重，kPa；

Pm—作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa；

γb—消力池底板的飽和重度，kN/m3。

按消力池抗沖要求進(jìn)行計(jì)算，各工況消力池底板厚度要求不小于0.42m，本次設(shè)計(jì)消力池底板厚取0.50m。按消力池抗浮要求進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算得各工況消力池底板抗浮厚度要求不小于0.29m，消力池底板厚度0.50m滿足要求。

（4）海漫長度計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄B，海漫長度按下式計(jì)算：

式中：

Lp—海漫長度，m；

Ks—海漫長度計(jì)算系數(shù)，可由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄B表B.2.1查得，本次設(shè)計(jì)根據(jù)河床土質(zhì)情況取11；

qs—消力池末端單寬流量，m3/s。

經(jīng)計(jì)算，各工況海漫長度最長需13.7m，本次設(shè)計(jì)海漫長度取15m。

4.3 堰基滲透穩(wěn)定計(jì)算

本次滲流計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的改進(jìn)阻力系數(shù)法。計(jì)算工況為上下游水頭差最大的不利工況，即上游水位至堰頂高程（107.2m），下游無水（106.0m），上下游水頭差1.20m。具體過程采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的《理正滲流分析軟件》完成。

地基的有效深度按照揚(yáng)壓力分布曲線、滲流量、出逸坡降值等不在變化時(shí)的原則確定，其有效深度按下式計(jì)算：

式中：

S0—地下輪廓線的垂直投影長度，m；

Te—水閘的地基有效深度，m；

L0—地下輪廓線的水平投影長度，m。

進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)按下式計(jì)算：

內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)按下式計(jì)算：

水平段的阻力系數(shù)按下式計(jì)算：

進(jìn)出口水頭損失修正按下式計(jì)算：

滲流出口段：采用公式

水平段：采用公式

跌水堰體及消力池地基為礫砂及圓礫，根據(jù)規(guī)范查表得［J0］=0.22，［J水平］=0.50。

經(jīng)計(jì)算，堰基水平段滲透比降最大為0.18，出口滲透比降為0.14。堰基滲透穩(wěn)定滿足要求。

4.4 堰體穩(wěn)定計(jì)算

作用在堰體上的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、浮托力、滲透揚(yáng)壓力、泥沙壓力、浪壓力、風(fēng)壓力等。

堰體穩(wěn)定計(jì)算具體過程由《理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件》完成，計(jì)算公式如下：

（1）堰體基底應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：

∑G—作用在堰體上的全部豎向荷載，kN；

A—堰體基底面積，m2；

e—偏心矩。

∑M—各力對底板前趾的力矩。

η—基底應(yīng)力分布不均勻系數(shù)。

各工況堰體基底應(yīng)力計(jì)算成果見表1。

表1 堰體基底應(yīng)力計(jì)算成果表

式中：

Kc—沿堰體底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f—堰體底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.23；

∑G—作用在堰體上的全部豎向荷載，kN；

∑H—作用在堰體上的全部水平荷載，kN。

各工況堰體抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。

經(jīng)計(jì)算，各工況堰體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

（2）堰體抗滑穩(wěn)定按下式計(jì)算：

表2 堰體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，各工況堰體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

在跌水工程設(shè)計(jì)中，遵循上述規(guī)劃設(shè)計(jì)原則和計(jì)算分析方法，采用既經(jīng)濟(jì)防沖效果又好的材料，并根據(jù)工程的地理位置，采取行之有效的防凍措施，建成的跌水工程項(xiàng)目達(dá)到美觀實(shí)用的效果。

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2015-04-15

陸 思（1978年—），女，工程師。