劈柴河治理工程翻板闸及人工湿地设计

尚真宇

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

河道建设对地区防洪排涝、农业灌溉、流域生态环境等均具有直接影响，有关部门调查统计，目前我国中小流域有超过80%河段存在严重的水土流失问题，河流水质及生态环境也在不断恶化，各项标准很低，平均使用年龄超过30a，因此大范围内的河道治理工程也迫在眉睫。

1 工程概况

劈柴河为大沙河支流，在蛤蟆塘镇汇入大沙河，河流保护区域内涉及3个乡镇，人口约为1.16万人，保护耕地面积达0.428万亩。本工程的主要任务是从黑沟水库引水至劈柴河，利用其多余水量改善劈柴河水生态环境，提高河道防洪标准。其主要工程量如下：引水管线2.2km(黑沟水库—劈柴河)；分水闸1座、翻板闸2座、潜坝2座；劈柴河河道治理长度4.33km，修建1.0万m2人工湿地。受篇幅限制，在此只针对翻板闸和人工湿地工程的设计工作进行详细分析。

2 洪峰计算

劈柴河集水面积为18.7km2，河道长8.93km，平均比降为9.79‰。在此以沙河镇和汤山城两处水文站数据为依据，采用面积比法计算劈柴河设计洪峰值，具体成果见表1[1]。由表1数据可知，劈柴河洪峰流量分别为303和217m3/s，在此按照303m3/s作为设计标准。

表1 设计洪峰成果表(P=5%)

3 水力自动翻板闸工程设计分析

本项目设计的水力自动翻板闸轴线与河道正交，成“一”字布置[2]。参考其他工程项目，翻板闸总体结构自上而下共分为四段：铺盖段、翻板闸段、消力池段、海漫段[3]，下面针对其主要结构设计进行分析。

3.1 自动翻板闸工程设计

(1)闸基础设计

本项目翻板闸铺盖段长5.0m，底板为0.5m厚钢筋混凝土结构，以下设计0.1m厚C15混凝土垫层，结构简单，在此不再详述[4]。铺盖段下游连接翻板闸闸基，闸基整体为C20混凝土浇筑结构，总宽10000mm，两侧基础(宽2000mm)深入铺盖层以下200mm，保证闸基稳定性，如图1所示[5]。

图1 水力自动翻板闸基本结构示意图(单位：m)

(2)泄流宽度设计

水力自动翻板闸要求在上游来水量少时闭闸蓄水，来水量大时开闸放水，所以其工作过程如图2所示。本项目翻板闸角度e=75°时，看作闸门全开放水，此时需满足劈柴河洪峰流量Q=303m3/s，以此为标准计算闸门总宽度，计算公式见式(1)[6]。

图2 水力自动翻板闸工作过程简图

(1)

式中，σ—翻板门段淹没系数；m—翻板门段流量系数；ε—翻板门段侧收缩系数;B—泄流总宽度，m；H0—闸孔全水头，m。

经计算，B=35.7m，取值36.0m，共设计6孔闸门，每孔净宽6.0m，高2.5m，泄流总宽36.0m，加上两端防护墩各1m，翻板闸工程总宽度为38.0m。

(3)翻板闸抗滑稳定计算

在此翻板闸抗滑稳定组合工况有两种：①上游水位取正常蓄水位14.44m，下游水位取河底高程11.44m；②上游水位取20年一遇的14.91m，下游水位取14.66m。计算成果见表2，由此可知，各项参数均满足规范要求[7]。

表2 翻板闸稳定计算成果表

3.2 消力池参数设计

本项目设计在翻板闸下游建设一处消力池，由于流量不大，所以采用“底流式消能”形式，设计洪水标准也是P=5%。

(1)池深计算

消力池深度与消力能力呈正比关系，池深d计算公式见式(2)[8]。

d=σ0·hc-hs-ΔZ

(2)

式中，σ0—水跃淹没系数，取值1.0；hc—跃后水深，m；hs—出池河床水深，m；△Z—出池落差，m。

经计算，劈柴河翻板闸后接消力池池深d=0.5m。

(2)池长、底厚、海漫计算

本项目的消力池长度及底厚均按照“理论计算+实际经验”确定，计算公式分别见式(3)、式(4)，最终确定池长L=14.0m，底板厚t=0.5m(以防冲为标准)[9]。

L=Ls+β·Lj

(3)

(4)

式中，Ls—消力池斜坡段水平投影长度，m；β—水跃长度校正参数，取值0.8；Lj—消力池水跃长度，m；k—底板计算系数，取值0.2；q—过闸单宽流量，m2/s；△H—上下游水头落差，m。

参照其他工程经验，本项目消力池下游20.0m为海漫段，采用固滨笼干砌石护砌，固滨笼以下设0.2m厚砾石垫层及400g/m2土工布一层[10]。

4 人工湿地工程设计分析

本次劈柴河治理工程中的人工湿地对提高河流环境承载力、水质自净能力意义重大。本项目通过实地考察，发现劈柴河主要污染源为附近城镇生活污水，主要污染物浓度并不高，因此本项目设计采用“表面流+潜流”相结合的人工湿地[11]。湿地位置设计距离蛤蟆塘镇2.5km，借机打造一处生态公园。

4.1 湿地结构设计

(1)湿地进出水管路设计

人工湿地进水系统管路设计的首要原则就是应保证配水的均匀性，本项目按照200m3/d规模利用多孔管进行配水，进水管比湿地床要高出0.3～0.5m，湿地总体坡度为1.0%；湿地出水系统管路应当根据湿地中部水位进行调节，在此设计将集水管安设于出水口砾石填料层底部，加一个旋转弯头和控制阀门来实现对床内的水位调节，如图3所示[12]。

图3 人工潜流湿地总体结构示意图

(2)湿地填料层设计

该项目水平表面流湿地与潜流湿地的面积比为3∶1，两种湿地结构层存在一些差别，具体参数详见表3[13]。

表3 人工湿地结构层详细参数

4.2 湿地植被选择

湿地植被选取时应当兼顾生态适应性、环境美化、水质净化能力、管理费用低等因素，尽量优先选择本地天然湿地中的植物。本项目根据植物多样性设计了不同配置[14]。

(1)植物选择分析

漂浮植物选择水葫芦、浮萍、大薸等；根茎植物选择荷花、睡莲、马蹄莲等；挺水植物选择芦苇、香蒲、水莎草等[15]。

(2)投资成本计算

本项目湿地植物以挺水植物为主，具体数量、投资分配见表4。经计算，总投资为13.25万元，满足成本控制要求。

表4 湿地植被分配表

5 结语

本次劈柴河的治理，可显著改善劈柴河流域生态环境，提高其通洪排涝能力，取得良好的社会、生态效益。治理所取得的成功经验可较好地应用于中小型河道治理工程中，但切不可盲目照搬，因为河道水流是一个动态变化参数，必须根据实际状况进行“量身定做”。此外，河道治理工程一般涉及范围较广，因此工程投资较大，所以在实施过程中尽量利用原河道基础。劈柴河通过此次治理工程，也应当吸取之前疏于管理的教训，必须加强日常管理工作，制止污染水质、倾倒垃圾、私自在河道旁开垦农田等行为。