林世巍

（營口市水利勘測建筑設計院，遼寧營口 115000）

近幾年，我國眾多大中國城市內(nèi)澇災害頻繁發(fā)生，不僅造成了嚴重的經(jīng)濟損失，還對市民的出行和人身安全帶來嚴重威脅[1]。如何提升城市的防汛能力，減少城市的內(nèi)澇災害是當前城市建設和管理中亟待解決的問題。城市河道是城市水系的重要組成部分，在不改變河道規(guī)模、不增加用地面積的前提下，增大河道的調(diào)蓄能力，對提升城市的防內(nèi)澇能力具有重要作用。

1 技術(shù)背景

城市河道是城市水系的重要組成部分，擔負著蓄積雨水、分流下滲、地下水補給、改善生態(tài)環(huán)境等諸多功能，在防止城市內(nèi)澇方面可以起到重要作用[2]。但是在當下的城市建設中，由于不重視河道的水利和生態(tài)功能，肆意填埋現(xiàn)象比較普遍，水面積大幅減小，嚴重影響了河道的蓄滯洪功能，成為大中城市易發(fā)內(nèi)澇的重要原因[3]。如何在城市發(fā)展和建設過程中，有效利用寶貴的河道水系，充分利用護岸增加雨水的調(diào)蓄量，就成為解決城市河道排水的重要研究方向。

針對上述分析，本文提出城市河道增大調(diào)蓄量裝置技術(shù)，在不增加河道用地和不改變河道基本功能的前提下，增大河道對雨水的調(diào)蓄容量，減少和延遲暴雨徑流，體現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)的城市內(nèi)澇治理理念。

2 技術(shù)內(nèi)容

河道增大調(diào)蓄量裝置的基本理念是由緊鄰河道的進水口、蓄水箱體和水工逆止閥三部分組成。其中進水口的主要作用是進水滯洪，而水工逆止閥的主要作用是放空箱體[4]。該裝置完全利用蓄水箱體與河道之間的水位差實現(xiàn)自動蓄水和放空，無需任何外部動力和人為操作，可以自動完成河道的蓄洪和排澇功能，具有安全可靠、便于安裝、節(jié)省投資等技術(shù)優(yōu)勢，具有廣泛的應用前景。

2.1 裝置各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與功能

2.1.1 進水口

河道增大調(diào)蓄量裝置的進水口截面為矩形，設置于蓄水箱體河道側(cè)的墻體上部。進水口的大小需要按照當?shù)氐乃馁Y料計算確定，其底部高程一般應低于河道設計最高水位50 cm，如果高度太高或太低，都不利于調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮。為防止使用過程中有垃圾或其他漂浮物隨水流進入蓄水箱體，在進水口的外側(cè)設置攔污柵。

2.1.2 蓄水箱體

蓄水箱體是河道增大調(diào)蓄量裝置的主要部分，設計采用鋼筋混凝土空箱式結(jié)構(gòu)，既是裝置中雨水調(diào)節(jié)的主要空間，同時也作為河道護岸。因此，在設計上應該同時具備護岸和蓄水兩種基本的功能需求。為充分發(fā)揮箱體的基本功能，應該在河口線一側(cè)沿河岸線進行布設。鑒于一般城市的河道兩側(cè)均為軟土地基，因此每隔15～20 m設置一道沉降縫，兩個沉降縫之間為一節(jié)蓄水箱體，其具體結(jié)構(gòu)見圖1?？紤]到箱體的強度設計需要，每節(jié)蓄水箱體可以沿河岸線方向進行分割，形成多個蓄水箱體，并在隔墻的底部設計聯(lián)通孔，實現(xiàn)各個箱體的互聯(lián)互通。單個箱體在靠近河道一側(cè)的墻體上設置一個進水口，在底部設置若干排水逆止閥與河道相通。

圖1 河道增大調(diào)蓄量裝置平面圖

蓄水箱體的頂面可以按照河岸原有用途和功能進行設計，可以設計為綠化帶、防汛通道或親水景觀等。為了方便清淤和維修，在蓄水箱體的上方設置一個進人孔，為安全起見，在進人孔的上方按常規(guī)設計設置蓋板。蓄水箱體的底板高程應低于河道設計最低水位20～50 cm，蓄水箱體內(nèi)低于最低水位部分用于使用過程中的泥沙沉積，以免堵塞排水系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)設計見圖2。此外，底板高程的設計還應該照顧到蓄水箱體的整體結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。

圖2 河道增大調(diào)蓄量裝置平面圖剖面圖

2.1.3 水工逆止閥

水工逆止閥設置于蓄水箱體河道側(cè)墻體的下部，其高程設計為河道的最低水位。水工逆止閥的個數(shù)要依據(jù)箱體的大小和當?shù)氐乃馁Y料計算確定，一般情況可以設置1～3個。水工逆止閥的結(jié)構(gòu)為球芯閥，其中的球芯為不銹鋼制作的空心球體，其外徑與圓形的漏斗閥門底座相匹配，一般可取進水管直徑的1.42倍[5]。球芯中空部分的大小需要通過比重計算獲得，其要求是比重比水略大，能夠依靠自重和水壓作用于閥門基座形成密封結(jié)構(gòu)，切斷河道水流倒灌，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖3所示。

2.2 運行原理

圖3 水工逆止閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

河道增大調(diào)蓄量裝置由進水口進水蓄積洪水，位于箱體底部的水工逆止閥用于放空箱體。該裝置可以利用箱體與河道之間的水位差產(chǎn)生的壓力實現(xiàn)自動運行，無需人為操作和任何外部動力支持，即可按照預先設定的水位進行河道洪水的調(diào)蓄。

當蓄水箱體完全放空或箱體內(nèi)的水位低于河道水位時，球芯受河道水壓作用使水工逆止閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當城市遭受暴雨襲擊，河道水位不斷上漲到接近設計高水位時，洪水水流會經(jīng)過蓄水箱體上部的進水口進入蓄水箱體，直至箱體蓄滿。顯然，該裝置在不增加河道用地和不改變河道與護岸功能的前提下，提供了可觀的滯洪空間，可以有效提升城市的防內(nèi)澇能力。

當暴雨過后，河流水位持續(xù)降低，當水位低于蓄水箱體內(nèi)的水位時，球芯閥在箱體內(nèi)部水壓的作用下打開，蓄水箱體內(nèi)的水會通過排水口持續(xù)流出，直至放空，為下次調(diào)蓄騰空箱體內(nèi)的空間。

3 結(jié)構(gòu)設計要點

3.1 新建護岸的結(jié)構(gòu)設計

當城市河道采用此設計的增大調(diào)蓄裝置時，調(diào)蓄裝置與傳統(tǒng)護岸相結(jié)合形成特殊的護岸結(jié)構(gòu)形態(tài)。其結(jié)構(gòu)形式由底板、側(cè)墻和頂板以及部分隔墻形成的具有較大整體剛度的空箱式鋼筋混凝土擋土構(gòu)筑物。因此，在具體設計過程中，可以將該裝置視為常規(guī)的空箱擋土墻展開地基計算，抗滑、抗浮、滲流穩(wěn)定性計算以及結(jié)構(gòu)強度和裂縫開展寬度驗算[6]。由于箱體的體量較大，必須按照抗浮穩(wěn)定性計算要求，在基本荷載條件下滿足抗浮穩(wěn)定性系數(shù)不小于1.10，在特殊荷載條件下滿足抗浮穩(wěn)定性系數(shù)不小于1.05。

3.1.1 構(gòu)造要求

1）蓄水箱體的外墻沿建筑物的四周布置，內(nèi)墻一般均勻布置即可。為保證箱體的整體結(jié)構(gòu)強度，墻體的水平截面積不應小于基礎底面面積的10%，箱體縱墻的配質(zhì)量不應小于基礎底面面積的12.5%。由于箱體的外墻需要同時承受水壓力和土壓力，還要有一定的防滲要求，因此厚度設計不應小于25 cm，內(nèi)墻在上述方面的要求較低，一般設計厚度為20 cm即可。

2）蓄水箱體的頂板和底板通過縱墻和橫墻連接在一起，因此，頂板也是基礎結(jié)構(gòu)的重要組成部分。頂板按照薄板的強度和穩(wěn)定性的要求，在厚度設計上采取15～20 cm已經(jīng)能夠完全滿足蓄水箱體功能設計需求[7]。而底板需要承受水體的壓力，其厚度可以設計為40～50 cm，當然在具體的厚度選擇上應該視箱體基底的反作用力大小以及跨度的大小而定。如果基底的地質(zhì)狀況不佳或跨度過大，也可以采用100 cm厚的底板。

3）蓄水箱體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其頂板和底板以及墻體內(nèi)應設置雙面雙向的配筋設計，墻身的豎向鋼筋一般不小于?12@200，其他部位不宜小于?10@200。頂板和底板由于受力較大，因此配筋不宜小于?14@200，鋼筋的搭接長度要滿足鋼筋受拉搭接長度的相關(guān)要求。

4）蓄水箱體的混凝土強度等級一般不低于C20。如果箱體混凝土采用密實混凝土防水結(jié)構(gòu)，其外圍混凝土的抗?jié)B等級不應低于W6。如果蓄水箱體的空箱長度在40 m以上，為了降低溫度荷載的影響，設置貫穿基礎橫斷面的后澆帶，帶寬設計在80 cm以上，并且對此處的鋼筋進行適當加強。

3.1.2 地基計算要點

1）在計算蓄水箱體基底壓力時，在地下水位以下的部分要扣除揚壓力；箱體的軸心壓力應該滿足P≤R，在偏心荷載作用下應該滿足Pmax≤1.2 R 和 Pmin≥0。

2）蓄水箱體的基礎底面受力一般為不均勻狀態(tài)，其不均勻系數(shù)的計算值不應大于空箱基礎底面不均勻系數(shù)的允許值，同時偏心距的計算值不應大于允許值。如果工程所在區(qū)域存在軟弱下臥層，則需要對下臥層的強度進行驗算，驗算方法可參照天然地基上的淺基礎計算方法進行。

3）如果蓄水箱體埋深較大，在深開挖過程中，地基土回填以及再壓縮過程均會產(chǎn)生較大的沉降量，并且在總沉降量中占據(jù)重要地位，在計算過程中不能忽略不計，在計算過程中需要用到回填土的再壓縮系數(shù)[8]。在壓縮試驗過程中，必須要進行回彈再壓縮試驗，并在試驗中按照實際的應力裝態(tài)施加壓力。如果計算沉降量超過15 cm，應該對上部結(jié)構(gòu)的剛度予以適當加強。

3.2 改建護岸結(jié)構(gòu)設計要點

在河道護岸改建工程中，如果護岸為懸臂式、扶壁式和空箱式擋土墻結(jié)構(gòu)，均可按照本文的設計思路，將其改建為增大調(diào)蓄量裝置。

1）如果河道的護岸為空箱式擋土墻，且其箱底的高程以及容積均滿足調(diào)蓄要求，可以直接改建。如果擋土墻是依靠空箱內(nèi)填土以維持箱體穩(wěn)定性的擋土墻，則需要進行抗浮和抗滑穩(wěn)定性計算，并根據(jù)計算結(jié)果采取必要的抗滑措施。

2）如果河道護岸為懸臂式和扶壁式擋土墻，如果其底板高程符合要求，則可以直接改建。在改建過程中，需要對基礎底板進行加寬，同時構(gòu)建側(cè)墻和頂板，并采取植筋技術(shù)進行施工。

4 結(jié)語

近年來，每逢暴雨侵襲，大城市往往成為一片澤國，城市內(nèi)澇已經(jīng)成為制約城市發(fā)展的重要問題。雖然極端天氣頻發(fā)是造成城市內(nèi)澇的直接原因，但是也暴露出城市水利和市政工程存在的問題。本文提出的城市河道增大調(diào)蓄量裝置可以在不增加河道面積、不改變河道和護岸功能的前提下，顯著增加城市河道對洪水的調(diào)蓄作用，對解決城市內(nèi)澇具有重要意義。當然，要解決城市內(nèi)澇這一頑疾，僅靠一種工程技術(shù)措施是遠遠不夠的，而需要城市管理者進行廣泛而持久的努力。