小河沿子河防洪治理水工结构设计

小河沿子河防洪治理水工结构设计摘要：工程区所在的小河沿子河是长春市城市防洪体系中的一个重要组成部分，治理河段位于小河沿子防洪工程的最上游段，属极为重要的咽喉部位，如果该段河道不安全，将对下游已建成的河段造成威胁。同时，治理河段位于净月水库坝下溢洪道出口以下，属净月潭风景区的延伸地带，对景观要求较高。城市河道建设中，在满足防洪要求的前提下，景观建设是另一个需要考虑的重要方面。橡胶坝具有起落方便，汛期塌坝后不占用河道行洪断面，不影响河道的正常行洪的特点，而且具有美化城市环境，改善区域生态环境，增加城市景观的作用。根据照规范要求，对坝体结构进行全面设计，包括地下水位、橡胶坝坝袋锚固、橡胶坝充气及排气设计、橡胶坝底板设计、防渗体设计和挡土墙设计。关键词：小河沿子河；防洪治理；景观；水工结构；橡胶坝；防渗Abstract:themovementofthesmallriverbanksonriverchangchuncityfloodcontrolsystemisanimportantpartofmanagementinsmallriverbank,reachthesonoffloodcontrolworkstheupstreamsection,isaveryimportantpartofthethroat,iftheriverunsafefordownstreamhasbuiltathreatreach.Atthesametime,themanagementinnetreachonreservoirspillwaydamunderthemoonlakescenicspot,theexportofextensionarea,higherrequirementsonlandscape.Intheconstructionofurbanriver,inmeettherequirementsoffloodcontrol,underthepreconditionoflandscapeconstructionisanotherimportantaspecttoconsider.Rubberdamhasupsanddownsconvenient,flooddamcollapseafterdonottakeupriverfloodsection,donotaffectthenormalriverflooddischargecharacteristics,butalsocanbeautifytheurbanenvironment,improvetheregionalecologicalenvironment,increasetheroleofurbanlandscape.Accordingtothespecificationrequirementsaccordingtothestructureofoveralldesign,includingundergroundwaterlevel,rubberdamdambaganchorage,rubberdamairandexhaustdesign,rubberdambasedesign,imperviousbodydesignandretainingwalldesign.Keywords:smallriverbanksonriver;Floodcontrolmanagement;Landscape;Hydraulicstructure;Rubberdam;Seepagecontrol一、小河沿子河防洪治理工程概况小河沿子河为伊通河长春市城区段右侧的一级支流，发源于净月经济开发区农林乡孔家屯，流经逯家湾、小河台、净月镇、生物城，至南关区幸福乡原南郊电灌站一号闸入伊通河。原自然状况全河流域面积96.71km2，河长28.92km，河道平均坡度2.3‰。该河上游有净月潭中型水库，集水面积78km2，占全河流域面积的79.1%，水库坝址至河口段流域面积为18.71km2，河长14.4km河道平均坡度1.8‰。在长春市城市防洪规划中，伊通河干流防洪标准为200年一遇，支沟防洪标准为50年一遇，因此小河沿子干流防洪标准设计标准采用50年，超标准洪水为100年。本次治理河段位于净月水库坝下溢洪道出口至三星渡假村段小河沿子河谷地带，河道两岸地势陡峭，治理河道总长度613米。现状河道较顺直，河道宽度20m～40m，深2～5m，河道比降较陡，局部河段不足1/100。净月水库坝下小河沿子河段行洪断面较大，基本可以满足河道行洪，但是由于该段河道比降较陡，多年来，河水对两岸造成严重冲刷，使局部河岸形成险段，随时有塌岸的危险，对下游的道路、农田及居民的生命造成威胁。二、工程总体布置净月潭国家森林公园是国家5A级旅游景区和国家文明风景旅游区示范点，素有台湾日月潭姊妹潭之称，位于长春市区东南部，距市中心9.5公里，面积200平方公里，有水面4.3平方公里，风景人工林80平方公里，森林覆盖率达58.6%。被誉为”亚洲第一大人工林海”，景区，群山环绕、绿浪排天、碧波荡漾、柏翠花红，含有30多个树种，堪称“亚洲第一大人工森林”，景区潭水面积达4.3平方公里。工程区位于净月水库坝下溢洪道出口以下，属净月潭风景区的延伸地带，对景区的美化具有间接的影响。本次治理河段位于三星渡假村内，该渡假村属净月经济开发区的旅游渡假场所，一直以来游人众多，可是由于该段河道多年来疏于治理，杂草遍布、臭味四溢，对周围美丽的环境造成极为不利的负面影响，也间接影响了渡假村的经济效益。鉴于该段河道所处特殊的地理位置，为与周围环境相协调，考虑在河道上修建壅水建筑物，拦蓄河水形成观赏水面。小河沿子河防洪治理工程设计包括防洪和景观二部分。防洪工程主要采用护岸、护坡形式，包括河道浆砌石护岸、净月水库溢洪道钢筋混凝土护岸及三维柔性生态护坡。景观设计考虑修建橡胶坝，即可以充气挡水，使上游形成一定的水面，美化环境，又可以塌坝过流，不影响净月水库溢洪道出口行洪，而且通过河道的治理能使汛期洪水通过溢洪道安全下泄，做到了河道治理与美化环境的有效结合。橡胶坝采用充气加压式，主要由动力设备和土建工程设计组成。动力设备部分包括管理房动力、照明工程设计、管理房自动控制设计；土建工程部分包括坝前护砌段、橡胶坝段、出口护砌及管理房。三、小河沿子河防洪治理中的水工结构设计问题（一）合理确定地下水位水工构筑物的设计与地下水位的标高密切相关。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故也时有发生。地下水位不仅与土建设计有关，与水工设计也有关。根据现行国家设计规范，地下水位应根据地方水文资料，考虑可能出现的最高地下水位。一般设计均取用水文资料的最高地下水位，在50年设计基准期内，一般水工构筑物地下水可变作用的取用按“工程结构可靠度设计统一标准”原则确定，并不考虑罕遇洪水的偶然作用。设计人员应详实了解工程所在地的水文情况，未满足设计要求的地质勘察报告要求予以补充。要求考虑当地有无暴雨、台风影响，会否出现由于地表水不能及时排除而引起的地下水位抬高。根据小河沿子河净月水库坝址以下的洪水组成，本次设计洪水计算：区间洪水由暴雨推求，区间洪水和净月水库同频率洪水的泄流量相组合的洪峰流量为工程处的设计流量。本次设计采用由设计暴雨径流成果，采用水科所法、罗氏法、吉林模型法计算区间设计洪峰流量。以上三种方法计算成果比较接近，采用适用于本地区的罗氏法成果合理。设计正常高水位为221.20m，设计水位（p=2%）220.91m，设计流量（p=2%）为Q=41.6m3/s。（二）橡胶坝坝袋锚固设计本次设计，由于坝顶有溢流要求，因此工作坝袋锚固方式采用双点锚固。锚固结构采用穿孔锚固式，螺栓直径及长度计算：计算公式：Qo=k1*To/n式中：Qo—每根螺栓承受的荷载，kN/m；To—单位长度螺栓计算荷载，To=T*K；T—坝袋径向拉力；K—安全系数，取4；k1—栓紧力和转力的影响系数，取1.75；n—1m长度内螺栓根数；d—螺栓直径，mm；「σ」—螺栓允许拉应力，取23.5kN/cm2；计算结果：对于螺栓长度可根据经验确定，一般螺栓埋深可取（20～25）倍螺栓直径。设计穿孔锚固式锚固槽深0.15m、槽底宽为0.2m，槽顶宽为0.40m，槽内预埋直径φ27mm，工作坝袋预埋螺栓长度为0.78m，检修坝袋预埋螺栓长度为0.55m，螺栓间距为0.2m。槽底预埋宽度0.2m、厚度0.01m的垫板，垫板顶面两侧边缘沿槽长方向焊接φ16mm钢筋，钢筋顶放置宽度0.14m，厚度0.05m的压板，以螺栓固定并浇筑二期混凝土。（三）橡胶坝充气、排气设计1、充气设备的选择橡胶坝坝袋容积为70.1m3，设计内外压力比为1.2，橡胶坝高为2.0m，设计压力为2.4m，采用2台L30×20LD-1罗茨鼓风机，配Y160L-6电动机，功率为11kW，（鼓风机出口静升压力为3.5m，进口流量为8.5m3/min，）设计充气时间10.22min，充气通过鼓风机自动充气，排气通过电动阀门排气。2、充气、排气管路设计橡胶坝充气管直径为159×4.5mm无缝钢管，与鼓风机进气管直径相同，进气口设在管理房外，离地面高度大于1.5m，排气管直径为150mm，与鼓风机出气管直径相同，进入干管，再进入坝袋充气管，坝袋充气管直径均为150mm，充气管兼排气管用，在厂内开始埋于地下冻层以下。工作坝袋及检修坝袋均在坝底板内设1个充气孔，兼排气孔。排气阀设在充排气管上，安装在阀井内的管路最低点处，电动控制。（四）橡胶坝底板设计橡胶坝坝址处河道宽20m，考虑到橡胶坝边墙与上下游护岸的连接及泄流能力的影响，橡胶坝净跨度取20m，为单跨结构。根据《橡胶坝技术规范》要求，坝顶高程宜高于上游正常高水位0.1～0.2m，本次设计确定坝顶设计高程为221.40m，高出正常高水位0.2m，坝高为2.0m。为了不使河床中泥砂淤积在橡胶坝底板上，确保橡胶坝安全可靠运行，坝底板顶高程为219.40m，高于河床0.2m。底板采用C25钢筋混凝土结构，总长23.8m，顺水流方向长为6m，考虑到管路布置及结构需要，底板厚度取值为0.8m，根据地质资料，底板开挖后遇淤泥质覆盖层，要全部开挖换填二灰土夯实以提高地基承载力、减少地基沉降。坝袋采用堵头式连接，考虑到防止坝袋在两岸边墙连接部位产生塌肩现象，在底板靠近边墙处2m范围内处理成0.1m厚斜坡。两侧边墩与底板呈整体式布置。底板内铺设充排气管路，底板下铺设0.1cmC15素砼垫层。工作坝袋采用双锚结构。（五）防渗体设计小河沿子河橡胶坝底板下为淤泥质，不适宜作橡胶坝基础，所以需换基处理，应全部开挖换填中粗砂。为有效的增加防渗段长度，加大渗径，防止河床被淘刷，在底板上游设钢筋混凝土铺盖，铺盖段长6m，厚度为0.8m。为增加渗径，坝底板前后设有齿墙，齿深1.0m，满足橡胶坝的防渗要求。坝基满足防渗设计要求的渗径长度利用莱因法估算，即L=L垂直+1/3L水平>C△H，式中C为莱因系数，查表可知地基为中粗砂时，莱因系数C=5，为上下游水位差，计算坝基渗径总长度L为7.46m，大于C=3m，因此坝基渗径长度满足要求。坝基渗径长度确定后，进行地下轮廓布置。橡胶坝底板上下游侧设置齿墙，齿墙深1.5m，齿墙底厚为0.5m，底板长6m，为钢筋混凝土结构，下游宾格结构具有透水性，满足防渗排水要求。（六）挡土墙的设计悬臂式钢筋混凝土挡土墙投资虽然相对较高，但其表面平整，抗冻和抗冲刷能力强，特别在洪水期墙顶过水情况下，耐久性好。本段护岸长度较短，设计推荐悬臂式钢筋混凝土挡土墙方案。钢筋混凝土挡墙护岸顶高程为221.70m，河底高程沿河道变化。挡土墙埋置深度为1.7m，满足抗冻要求。挡墙顶宽30cm，迎水面垂直面，墙后回填中粗砂。距河底以上50cm处每隔2m设排水孔，排水孔为D50塑料管，一侧为砾卵石外包无纺布。钢筋混凝土护岸设计断面：挡土墙的高度是逐渐变化的，因此选择0+023、0+100、0+183三个标准护岸剖面进行挡土墙的抗滑稳定、抗倾稳定和地基承载力的验算。1）计算公式：a）抗滑稳定安全系数：KC=（f×ΣG）/ΣE式中：f－基础与地基间的磨擦系数ΣG－垂直力之和ΣＥ－水平力之和b）抗倾稳定安全系数：ＫＯ＝Ｍy/ＭA式中：ＭＹ－抗倾力矩ＭＡ－倾覆力矩计算结果：钢筋混凝土挡墙稳定计算成果参照《挡土墙设计规范》4级建筑物，基本荷载组合抗滑安全系数查得［ＫＣ］＝1.20，抗倾安全系数［Ｋ］＝1.5；特殊荷载组合［ＫＣ］＝1.05，抗倾安全系数［Ｋ］＝1.4；地基允许应力比为2；由计算结果可知钢筋混凝土护岸挡墙稳定满足要求。结语工程的建设任务是通过对河道两侧河岸的加固措施，增加河道防洪的安全性，同时净化水质、美化周围环境，为当地群众的