徐州市铜山区郑集河地涵除险加固工程设计

许 可

（安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 230088）

0 引言

水利工程在长期使用过程中均会出现一定程度的老化、破损[1～3]，这将对工程作用的稳定发挥产生不利影响，造成建筑物稳定性降低。针对这种情况，往往需要对水工建筑物的情况进行安全鉴定，为其除险加固方案设计提供参考意见[4～6]。针对安全情况较差的建筑物，往往采用拆除重建的方法进行处理，以保证工程的稳定性和其作用的发挥[7～10]。而郑集河地涵就属于拆除重建的水利建筑，本文对地涵重新设计方案进行研究。

1 工程概况

郑集河地涵位于顺堤河。该工程分两期建设。1960 年建成西涵洞，规划流域面积250 km2。1973 年顺堤河向上延长至沛县姚楼河，流域面积增加至326 km2，郑集河以北流域面积增至254 km2，故又于1976 年在西涵洞以东0.5 km 处扩建成东涵洞。西涵洞4 孔，每孔净宽为3.4 m，涵高4.3 m，涵洞全长254 m，洞底高程26.77 m。钢筋混凝土平板闸门，螺杆式启闭机。东涵洞2 孔，每孔宽3.5 m，涵高4.42 m，全长215 m，洞底高程29 m。钢筋混凝土平板闸门，螺杆式启闭机。

2 除险加固必要性分析

目前，铜山区郑集河地涵主要存在以下问题：水闸过流能力不足；涵洞洞身混凝土碳化现象严重，混凝土厚度已不能达到保护层厚度要求，且局部混凝土开裂钢筋出露，涵洞强度难以满足要求；涵洞埋深较浅，对郑集河雨季排洪具有不利影响；闸墩上下游翼墙采用浆砌石结构，对地涵的抗震及防渗安全较为不利；水闸启闭机金属结构老化，混凝土闸门出现开裂、漏筋、碳化等现象，存在较大的安全隐患；地涵缺乏必要的安全监测设施。由于该水利工程已经建成并投入使用多年，结构强度较低，综合考虑对其进行拆除重建是十分必要的。

3 除险加固工程设计

3.1 方案比选

郑集河地涵现状分为西涵洞和东涵洞两部分，西涵洞建于1960 年，4 孔，每孔净宽为3.4 m，涵高4.3 m，东涵洞距西涵洞250 m，建于1976 年，2 孔，每孔净宽3.4 m，净高4.3 m。东涵洞上建有橡胶坝，挡郑集河水入微山湖。

现因郑集河地涵分为西涵洞和东涵洞两部分，对新涵洞合建及分建方案进行比选。

表1 地涵建设方案比选表

通过比选，从工程设计、施工导流对堤防和周围建筑物影响及投资方面考虑，合建方案实施起来更容易，开挖堤防少，周围建筑物少，对施工影响小，工程投资省，故选择合建方案。

3.2 引水方案

目前，在下级湖水位较低，郑集河引下级湖水困难的时期，可通过顺堤河和郑集河东地涵天窗引不牢河水源至郑集河，然后抬升郑集河口坝，控制水源向西送水至郑集站下。本工程对东地涵拆除重建，顺堤河向郑集河补水无法实现，现对结合地涵建设（开天窗）及单独新建引水闸两种方案进行比选。

（1）顺堤河入郑集河引水方案

方案一（结合地涵建设）：维持现状布局，结合本次工程，地涵南端建天窗引顺堤河水入郑集河。天窗设计尺寸5孔5.0 m×4.0 m。

方案二（单独新建引水闸）：郑集河东地涵与引水闸分开建设，在郑集河东地涵西侧南堤上新建单独的引水闸。引水闸布置在郑集河东地涵西侧南堤上，与地涵平行布置，共5 孔5.0 m×4.0 m 进水闸。

（2）方案比选及推荐

方案比选见表2。由表2 可知：方案一（结合地涵建设）总体布置紧凑、永久占地少，管理运行和维护方便，投资省。经比选，推荐方案一。

表2 顺堤河送水方案比选表

3.3 地涵整体设计

3.3.1 地涵过流能力设计

5 年一遇水位：下游水位31.65 m，过流127.09 m3/s；10 年一遇水位：下游水位31.85 m，过流185.78 m3/s。

郑集河地涵现状东涵洞为2 孔，每孔净宽3.4 m，净高4.3 m，西涵洞4 孔，每孔净宽为3.4 m，涵高4.3 m，现地涵拟取5 孔，每孔净宽5 m，净高5 m，倒虹吸式。

倒虹吸过流能力按下式进行计算：

式中：Q 设计流量，m3/s；m 流量系数；A 过水断面面积，m2；g重力加速度，m/s2；Z 水位差，m；∑ξ 水头损失系数总和；λ 能力损失系数；L 倒虹吸总长度，m；倒虹吸断面为圆形时，D 为断面直径，断面为矩形时，D 为4R；R 水力半径（m）；C 谢齐系数。

计算结果见表3。根据表3 计算结果，组合1 过流能力不满足要求；组合2 和组合3，过流能力均能满足要求，但前者过流能力与设计流量更吻合，本次设计采用5 年一遇、10 年一遇过闸水位差分别为0.15 m、0.30 m 进行水力计算。

表3 各种水力条件下所需过流能力

3.3.2 地涵消能防冲设计

郑集河地涵上游正常蓄水位32.50 m，下游蓄水位31.50 m。上游蓄水位严格控制在32.50 m 以下，当上游水位超过32.50 m 时，开始提闸放水，放水情况视下游水位而定。当下游水位在28.00 m 以上时，提升闸门0.5 m，待下游水位稳定后，再依次提升闸门，直至超出泄流水面；当下游无水时，开启中间孔闸门控制泄流量不超过25 m3/s，待下游水位回升至1 m 后，控制泄流量不超过120 m3/s。

表4 郑集河地涵消能水位组合表

根据下式计算：

（1）池深计算：

式中：hc收缩水深，m；T0总势能，m；q 过闸单宽流量，m3/s；α 校正系数，取1.05；φ 流速系数，取0.95。

表5 消力池深度计算结果表

由表5 可知，计算消力池池深最小为0.75 m，本次设计消力池池深取0.8 m。

（2）池长计算：

式中：Lsj池长，m；Ls斜坡段水平投影长度，m；β 水跃长度修正系数，可采用0.7～0.8；Lj水跃长度，m。

表6 消力池长度计算结果表

由表6 可知，计算消力池池长为16.1 m，本次设计消力池长度为20 m。

（3）海漫计算

式中：Lp长度，m；qs单宽流量，m3/s；Ks系数，取11。

经计算所得最大海漫长度为29.7 m，本次设计海漫长度取为39.0 m。

（4）河床冲刷深度计算

河床冲刷深度下式计算：

式中：dm冲刷深度，m；qm单宽流量，m3/s；[v0]不冲流速，取0.7 m/s；hm水深，m。

经计算，下游河床冲刷深度为4.69 m。需设防冲槽断面面积为6.29 m2，设计防冲槽断面面积为10 m2。

3.3.3 闸顶高程确定

（1）闸顶高程确定

闸顶高程分为挡水、泄水两种运用情况，计算结果如下：水位组合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位。

表7 闸顶高程计算表

该闸上游最高洪水位为32.15 m，下游最高洪水位为31.85 m，拟定桥厚0.5 m，拟定上游控制段闸顶高程为33.15 m，下游检修段闸顶高程为32.85 m。

综合以上计算结果，上游控制段闸顶高程为33.50 m，下游控制段闸顶高程为33.20 m。

（2）翼墙顶高程确定

翼墙高程分为挡水、泄水两种运用情况，计算结果见表8。

表8 翼墙顶高程计算表

根据计算表确定上游翼墙顶高程为33.50 m；下游翼墙顶高程为33.20 m。

4 结论

根据分析，郑集河地涵工程老化、破损现象较为严重，属于四类闸，采用拆除重建的方式对其进行除险加固治理；通过方案比选采用东、西涵洞合建方案和地涵南端建天窗引顺堤河水入郑集河的引水方案具有工程投资低、占地面积小、管理方案等优势，结合现状防洪需求，对地涵结构重新设计，可满足过水需求。