杨仲韬，资 强，渠元闯，燕家琪，孟 涛

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381)

城市河道水系是城市雨水管网系统的出口，是城市排涝系统的重要组成部分，雨水管网汇集的城市雨水最终需要经过城市河道排出城区。卫工明渠-细河水系是沈阳市铁西区、于洪区的平原分汊河流，汛期则肩负着河道沿线雨污排水和农田排涝的重要任务。为保证上述排水系统充分发挥预期的排水功能，在对河道进行清淤疏浚的基础上，通过建设钢坝分流雨水泵站汛期排河的大流量水体，调整下游汊道的泄洪流量，优化河道行洪体系，从而保障河道行洪安全。

1 工程概况

卫工明渠是沈阳铁西区的一条人工河，北起新开河分水闸，一路向南在大通湖街桥北侧约2.1km处汇入细河，全长约7.6km。细河是浑河的一级支流，全长78.2km，源于卫工明渠南端，沿浑河北侧流向西南，流经铁西区、杨士屯、翟家、大潘、宽场、土台子，在辽中县黄腊坨北村汇入浑河；细河河宽8～35 m，水深0.5～1.5 m，河床坡降为0.26‰，河道弯曲系数约为1.81[1- 2]。卫工明渠-细河水系是典型的平原分汊型河流，存在一个分流点和一个汇流点，该水系平面及沿线排河泵站、水厂的点位如图1所示。

目前，卫工明渠-细河水系主要功能是接纳河道沿线汇入的雨水和污水处理厂排放的尾水[3]，其中汛期卫工明渠上游沿线雨水排入量为17.5m3/s；沈辽泵站设计最大排河流量为5.5m3/s；揽军合流泵站设计最大排河流量为4.5m3/s；揽军雨水泵站设计最大排河流量为30m3/s；滑翔泵站设计最大排河流量为10m3/s；腾飞二街泵站设计最大排河流量为5m3/s；仙女河污水厂尾水排河流量为6m3/s。

图1 卫工明渠和细河水系平面示意图

自2017年以来，沈阳市先后启动了两批次排水防涝工程项目，通过新建和改造排水管网、泵站和河道以全面提升沈阳市排水防涝系统的能力，使之达到3年一遇排水标准。但是，在对卫工明渠下游河段进行清淤疏浚、堤防整修后，由于该段“揽军路箱涵”的过流能力不足，仅约为50m3/s，造成该段河道排水不畅，依然面临洪水漫堤的风险，如果继续加高河道堤防则会与两岸地势不协调，且工程经济性较差。

基于上述河道排水防涝现状及存在的问题，拟在揽军雨水泵站的排水口处建设挡水坝，具体位置如图2所示。此挡水坝在非汛期时可以与橡胶坝共同起到蓄水、营造水面景观的作用，在汛期河道行洪时可以全部升起以分流揽军雨水泵站的出水，合理分配下游汊道在行洪时的流量，以达到充分利用卫工明渠和细河过流能力、保障排涝安全的目的。

图2 挡水坝选址位置

挡水坝建成后可以将揽军雨水泵站30m3/s的排河流量分流，其中的20m3/s流量通过东侧排水箱涵排入细河，充分利用“路官二街倒虹吸”的过流能力分担卫工明渠“揽军路箱涵”的泄洪流量；揽军雨水泵站另外的10m3/s流量通过西侧排水箱涵排入细河，与揽军合流泵站排河的4.5m3/s流量一起通过卫工明渠排至下游河段。上述方案可在不增加额外工程投资的基础上减小卫工明渠“揽军路箱涵”的泄洪压力，保障相应河段在行洪期间的堤顶超高满足设计要求。

根据SL252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》[4]及GB50288—2018《灌溉与排水工程设计标准》[5]，本拦水坝主要建筑物(坝体基础、翼墙等)级别为3级，次要建筑物(铺盖、消力池等)级别为4级。

2 坝型比选

城市河道治理设计中常用的可以满足汛期坍坝行洪的坝型有钢坝、液压坝、橡胶坝、水力自提翻板坝[6- 7]等，每种水坝各有其特点和使用条件。首先，水力自提翻板坝建设价格相对较低，施工安装简单，运行管理方便，无须外接动力电源[8]，但启闭完全由上下游水位控制，无法在本工程中起到对泵站排水的分流作用，故首先排除。其次，液压坝的启闭原理是采用液压支撑杆直顶活动拦水坝面的背部以实现升坝拦水[9]，其工作原理限定了它只能阻挡上游一侧的来水而不能双侧挡水，可以在非汛期起到蓄水作用，但是在汛期同样无法起到对泵站排水的分流作用，并且液压杆及支撑杆长期浸泡水中被水冲刷极易发生故障，液压油路管埋在砼基座下，无法检修，难以用于本工程的使用工况。再次，橡胶坝是通过对坝袋充气或水使其膨胀以达到阻水目的[10]，可以用于双侧挡水，但坝袋采用合成纤维织物结合橡胶制成，易受河中漂浮物划伤及人为破坏，需常检修，寿命较短，且橡胶坝的充高与坍坝不如液压坝或钢坝快捷方便，如遇暴雨骤降难以及时启闭。

钢坝是河道整治工程中常用的水工建筑物，在国内的工程实例较多[11- 14]。钢坝又称底横轴翻转闸门，它由土建构筑物、带固定轴的钢性坝体、动力装置设备等组成。当闸门竖起或部分开启时允许门顶溢流，形成人工瀑布的景观效果，可以调节上下游水位；当闸门倒下时，门叶与上游闸底板处于同一高程，泄洪时不阻水。钢坝坝门的启闭是靠底轴传动，适用于上下游双侧挡水的工况，并且启闭速度快，能及时对暴雨骤降或泵站强排等突发工况做出及时反映。钢坝的造价虽然较前三种坝型高，但是结合本工程总体投资情况，考虑本拦河坝在河道排水防涝治理工程中的重要性，其造价还是可以接受的。综上所述，本拦水坝坝型采用钢坝。

3 钢坝总体布置

钢坝所在河段为矩形断面，底宽20.0m，河底高程35.0m，堤顶高程38.30m。钢坝设计总长度(沿水流方向)58.6m，设计孔口宽度20.0m，坝门高度3.0m，坝门数量1扇。钢坝两侧设启闭机室，采用2 台液压启闭机进行启闭操作。钢坝与揽军泵站统一管理运营，钢坝控制柜置于泵站内，钢坝自动控制系统接入泵站管理平台。钢坝的设计纵剖面和横剖面如图3—4所示，其土建部分由上游消力池、上游铺盖、坝体及下游消力池四部分组成，因钢坝上下游河道均采用混凝土硬化，故本设计不设置海漫及防冲槽，钢坝各部分设计如下。

图3 钢坝纵剖面图

图4 钢坝横剖面图

(1)上游消力池

上游消力池主要功能为防止泵站西侧箱涵排水对河底的冲刷。该段设计长度(沿水流方向)为18.6m，采用钢筋混凝土整体浇筑，底板厚度为800mm，下设100mm厚素混凝土垫层及300mm厚碎石垫层。

(2)上游铺盖

上游铺盖段主要起过渡水流、保护钢坝坝体稳定、增加渗径的作用，设计长度(沿水流方向)为8.0m，采用钢筋混凝土整体浇筑，底板厚度为800mm。

(3)坝体

挡水坝坝体段由坝门、坝轴、防镇墩及基础底板等组成。基础底板为平板式，采用钢筋混凝土整体浇筑，设计长度(沿水流方向)为10.0m，底板(最薄处)厚度为1500mm。底板上设二期浇筑混凝土预留槽以安装坝轴、电缆穿管、止水橡胶等。

(4)下游消力池

下游消力池主要功能为防止上游来水及泵站东侧箱涵排水对河底的冲刷，本段消能防冲设计按最不利工况即河道来水达到最大流量时坝体突然下坍考虑，采用SL265—2001《水闸设计规范》[17]中的公式计算。该段设计长度(沿水流方向)为22.6m，采用钢筋混凝土整体浇筑，底板厚度800mm，消力池前端为坡连接段，长度1.5m，坡度1∶3，池深1000mm。

上述四部分结构之间均设30mm伸缩缝，采用沥青木丝板填充；底板两侧均设钢筋混凝土挡墙与底板整体浇筑，挡墙长度同各段长度，并顺接上下游河道挡墙。

4 钢坝的分流作用计算

4.1 计算方程

河道一维水动力模型采用圣维南方程组，该方程包括质量守恒方程和动量方程，公式为：

(1)

(2)

式中，Z—水位，m；B—河宽，m；Q—流量，m3/s；

A—河道过水面积，m2；R—水力半径，m；q—单位河长侧向入流量，m2/s；α—断面动量修正系数；g—重力加速度，m/s2；C—谢才系数，m；t—时间，s；x—沿河历程，m。

除式(1)—(2)外，针对河道汊点补充连接条件[16]，公式为：

ΣQi-ΣQ0=0

(3)

Zi-Z0=0

(4)

采用Preissmann隐式差分格式离散式(1)—(2)，并利用Newton-Raphson方法求解离散形成的非线性方程组；同样采用Newton-Raphson法求解式(3)—(4)[16]。具体求解方法较为成熟，本文不再冗述。

4.2 计算范围及边界条件

本模型上游计算边界为两河北侧交汇点上游500m处，下游边界为两河南侧交汇点下游300m处，上游边界条件为流量，下游边界条件为正常水深。河道断面形态及底高程采用河道清淤疏浚工程实施后的实测数据。行洪期间河道沿线汇流雨水及泵站、水厂的排水以侧向流量的形式加入模型，具体流量值详见本文第1部分。

4.3 计算工况

按以下两种工况分别计算河道水面线。

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工况1：钢坝完全开启，揽军雨水泵站及揽军合流泵站的排水进入细河后根据实际地形和水势情况，通过卫工明渠和细河分别流至河道下游。

工况2：钢坝完全升起，揽军雨水泵站排河流量中的20m3/s通过东侧排水箱涵排入细河；另外的10m3/s通过西侧排水箱涵排入细河，与揽军合流泵站排河的4.5m3/s一起通过卫工明渠排至下游河段。

4.4 计算结果

两种工况下卫工明渠“揽军路箱涵段”和细河“路宫二街倒虹吸段”的水面线计算结果如图5—6所示。通过该计算结果可以发现：在工况1(钢坝完全开启)的条件下，揽军路箱涵上游段水面线高程为37.88～37.98m，下游段水面线高程为36.58～37.68m，揽军路箱涵已承压，且城东湖桥街附近水面线高程已高于设计堤顶，河道堤防无法满足汛期行洪要求；细河“路宫二街倒虹吸”上游段水面线高程为36.96～37.08m，该段的设计堤顶仍有较大的富裕高度没有利用。在工况2(钢坝完全升起)的条件下，揽军路箱涵上游段水面线高程为36.85～37.12m，下游段水面线高程为36.07～36.79m，平均值较工况1下降了约0.8m，且揽军路箱涵变为非满流，此工况下该段河道堤防可以满足汛期行洪要求；细河“路宫二街倒虹吸”上游段水面线高程为37.65～37.78m，平均值较工况1上升了约0.71m，但也能满足该段堤防的防洪要求。综上所述，卫工明渠-细河水系在工况2下的防洪条件明显好于工况1，钢坝的分流作用对于优化该分汊河流行洪体系的效果显著。

图5 卫工明渠揽军路箱涵段水面线计算结果

图6 细河路宫二街倒虹吸段水面线计算结果

5 防渗排水设计

本工程钢坝坝址处地基持力层为②级配不良粗砂，该地层为黄褐色，稍密-中密，湿，矿物成分以石英、长石、云母为主，含少量圆砾，该层连续分布于场地各建筑物地层下方，层厚3.20～10.20m。该土层为强透水，渗透稳定性较差，级配不良粗砂层在动水压力作用下，可能产生渗透变形，经判别其变形形式为管涌，建议J允=0.20。

本设计主要对挡水坝进行水平防渗：在坝体上游连接段布置8m长钢筋混凝土铺盖，以增加地基渗径长度；上游及下游消力池底板均匀布设φ75塑料排水孔，排水孔伸至碎石垫层，端头包裹300g/m2土工布起到滤土排水作用。

SL265—2016[17]中规定闸基防渗轮廓线长度应满足如下公式要求：

L=CΔH

(5)

式中，L—闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；ΔH—上、下游水位差，m；C—允许渗径系数值。

本钢坝基底粗砂的允许渗径系数C取5，上、下游最大水位差ΔH为2.8m，防渗长度[L]=CΔH=5×2.8=14m，设计防渗轮廓线总长24.2m>[L]，满足要求。此外，本钢坝下游河底配合河道整治工程采用混凝土硬化，所以闸基出口段不会发生渗流破坏，抗渗稳定满足要求。

6 坝体稳定计算

根据SL265—2001[17]，复核坝体底板的地基承载力、抗滑稳定及抗浮稳定。

地基承载力计算公式为：

(6)

闸室底板抗滑稳定计算计算公式为：

(7)

表1 闸室稳定计算成果

式中，Kc—抗滑稳定安全系数；f—堰体基础与地基接触面抗剪摩擦系数，0.3；ΣH—作用在闸室上全部水平荷载，kN；其他变量含义同前。

闸室底板抗浮稳定计算计算公式为：

(8)

式中，Kc—抗浮稳定安全系数；ΣV—作用在闸室基底面上的扬压力，kN；其他变量含义同前。

经计算，钢坝闸室在各种工况下的基底压力均小于地基允许承载力260kPa，基底应力的最大值与最小值之比、抗滑稳定系数、抗浮稳定系数均满足规范要求，具体计算结果见表1。

7 结语

本钢坝自建成后，已经历多次大强度、长历时的降雨考验，运行良好，启闭速度快，坝体结构稳定。钢坝升起后对揽军雨水泵站汛期排河的大流量水体的分流作用显著，有效的降低了另一侧汊道的洪水位，优化了卫工明渠-细河的行洪体系并保障了河道行洪安全。本设计成果为城市分汊河流排涝治理和钢坝工程设计提供了新思路，今后的相关研究可以在本文的基础上采用二维河道水动力模型研究钢坝位置的水动力特性，优化钢坝开启角度，进一步完善相关研究工作。