淮南市田家庵区曹咀孜涵排涝工程设计研究

黄曼茹

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司安徽分公司,安徽 合肥 230000）

1 排水工况分析

1.1 自排及抽排工况

本次工程的任务主要是提高曹咀孜涵排涝能力,保障人民的生产财产安全。具体建设内容为拆除原有涵闸,新建为3 孔4 m×3 m（宽×高）钢筋砼箱涵,配套防洪闸等附属设施。现状曹咀孜排水区主要排涝设施有曹咀孜涵、曹咀孜排涝站、姚湾排涝站、新曹咀孜排涝站（抽自排结合）和化肥厂排涝站,涝水可通过抽排和自排两种方式外排。

（1）自排工况

当淮河水位较低时,通过曹咀孜涵再经新曹咀孜排涝站自排涵自排至淮河。

（2）抽排工况

当淮河水位较高无法自排时,曹咀孜片涝水主要通过曹咀孜排涝站抽排入淮河,多余无法排出的涝水通过曹咀孜涵排出,再由新曹咀孜排涝站、姚湾排涝站和化肥厂排涝站抽排入淮河。

1.2 汇水面积

曹咀孜排水区位于淮南市田家庵圈堤保护区内,汇水面积11.78 km2,由于目前龙王沟排水区有3.91 km2的汇水通过地下涵进入曹咀孜排水分区,曹咀孜片排区实际汇水总面积为15.69 km2。洞化截洪沟下段（汇水面积约6.58 km2）通过高排渠直接汇入淮河。

1.3 设计暴雨分析

由于曹咀孜涵附件流域无雨量站,本次设计采用淮南站实测雨量资料分析,并利用安徽省水利水电勘测设计院1995 年编制的《安徽省长短历时年最大暴雨统计参数等值线图》进行复核。

根据淮南站多年实测雨量资料进行分析计算,最大24 h多年平均值为98.7 mm,年最大24 h暴雨的最大值发生在1991 年,为212.7 mm,1974 年居第二位,为186.6 mm,1997 年居第三位,为171.1 mm。最大3 d 多年平均值为131 mm,年最大3 d 暴雨的最大值发生在1991 年,为342 mm。

根据《安徽省长短历时年最大暴雨统计参数等值线图》,查图得本地区年最大24 h 点雨量均值为100 mm,年最大3 d点雨量均值为125 mm,与采用实测资料分析成果基本一致。

由于等值线图参数考虑了面上平衡,能反映短历时暴雨地区分布规律,同时比实测资料计算成果稍大,因此,本次设计暴雨采用等值线图参数进行计算,曹咀孜涵最大24 h 暴雨多年平均点雨量均值采用值为100 mm,20 年一遇、30 年一遇最大24 h 暴雨量分别为212 mm、234 mm,计算成果见表1。

表1 曹咀孜和石姚段暴雨频率计算成果

2 设计流量计算

本次设计曹咀孜涵设计排涝标准为30 年一遇,排涝模数按最大24 h 暴雨24 h 排出计算,分别计算抽排工况和自排工况两种工况下的排涝模数,进而求得曹咀孜涵设计流量。

通过量算项目区万分之一地形图,结合现有城区地形地貌和城区规划情况,曹咀孜现状总排涝面积为15.69 km2,现有城区面积为14.91 km2,水面面积为0.78 km2。由于城区不同地面的下垫面条件不同,不同类型地形的径流系数也随地面坡度、土壤渗透情况及暴雨量等因素不同而不同。参考类似工程经验取值,一般调蓄沟塘等水面径流系数为1.0,其他城市用地径流系数取值0.85,道路、房屋等硬化地面径流系数为0.9,综合考虑项目区现有城区建设下垫面条件和沟塘分布,从工程设计偏安全角度考虑,项目区综合径流系数取0.85。

2.1 抽排模数计算

根据《淮南市城市排水（雨水）防涝综合规划》（淮南市规划设计研究院、无锡市政设计研究院有限公司,2014 年）,淮南市城市最新排涝标准确定为30 年一遇,本次设计曹咀孜汇水区抽排模数按30 年一遇最大24 h 暴雨24 h 排出计算,考虑沟塘调蓄（泵站机排调蓄水深一般为500 mm～1000 mm,本次根据项目区沟塘实际可调蓄水深取600 mm）,计算公式及参数选择参照《淮南市曹咀孜汇水区及石姚段排水骨干工程规划》（安徽省水利水电勘测设计院,2010 年）。计算过程及结果如下：

式中：q 为排涝模数（m3/s/km2）；P 为30 年一遇最大24 h 设计暴雨,为234 mm；F 为排区总面积,15.69 km2；F城区为城区面积,14.91 km2；F水面为水面面积,0.78 km2；C城区为城区地面径流系数,取0.85；H 为水面调节水深,取600 mm；t 为泵站日开机小时数。取22 小时。

经计算,曹咀孜片30 年一遇平均设计抽排模为2.16 m3/s/km2。

2.2 自排模数计算

本次设计曹咀孜汇水区自排模数按30 年一遇最大24 h暴雨24 h 排出计算,计算公式及参数选择参照《淮南市曹咀孜汇水区及石姚段排水骨干工程规划》（安徽省水利水电勘测设计院,2010 年）。为充分利用自排机遇、尽量减少泵站运行费用,同时兼顾考虑城区景观水体蓄水要求和海绵城市雨水花园、生态滞留池、渗透池、人工湿地等滞蓄设施的调蓄作用,参考类似工程经验取值,自排流量计算时沟塘调蓄水深按200 mm 考虑。

计算过程及结果如下：

式中：q 为自排模数（m3/s/km2）；P 为30 年一遇最大24 h 设计暴雨,为234 mm；F 为排区总面积,15.69 km2；F城区为城区面积,14.91 km2；F水面为水面面积,0.78 km2；Hs为调蓄水深,mm；C城区为城区地面径流系数,取0.85；t 为日自排时间,取24 小时。

经计算,曹咀孜片30 年一遇平均设计自排模为2.21 m3/s/km2。

2.3 抽排及自排工况设计流量

抽排时,曹咀孜汇水区涝水一部分经过曹咀孜排涝站排出,另一部分通过曹咀孜涵再由新曹咀孜排涝站、化肥厂排涝站和姚湾排涝站排出。

曹咀孜汇水区抽排流量为2.16 m3/s/km2×15.69 km2=33.8 m3/s,曹咀孜排涝站规划设计流量为15.0 m3/s,故抽排时曹咀孜涵过流量为33.8 m3/s-15.0 m3/s=18.8 m3/s。

自排时,曹咀孜汇水区涝水通过曹咀孜涵再经新曹咀孜排涝站自排涵排出,曹咀孜涵过流量为2.21 m3/s/km2×15.69 km2=34.7 m3/s。

2.4 设计流量

本次曹咀孜涵设计最大过流流量选择抽排和自排工况下的较大值,即34.7 m3/s。主要考虑到解决现状曹咀孜涵规模不足、阻水严重导致区内低洼区域频繁受淹的问题刻不容缓,防汛压力较大,亟待实施,本阶段暂不引用曹咀孜片远期排水规划前期成果,从工程偏安全角度考虑,曹咀孜涵设计最大过流流量仍取为34.7 m3/s。

根据曹咀孜涵上下游排涝沟现状地形情况, 当上游遭遇30 年一遇暴雨且具备自排条件时, 排涝沟过流流量为34.7 m3/s,求得工程建设前后曹咀孜涵相应闸上水位和闸下水位,见表2。

表2 曹咀孜涵主要规划设计参数表

现状曹咀孜涵上游地面高程为19.1 m～42.0 m,为由表2可知,30 年一遇暴雨工况下现状曹咀孜涵闸上水位为19.41 m,闸上部分地区已经淹没,涵洞阻水较为严重,故对曹咀孜涵实施拆除重建是十分必要的。

3 曹咀孜涵排涝设施设计

（1）进出口护砌

涵闸进口设八字圆弧形翼墙,C20 砼结构,两侧水平长各10 m,对称布置,墙身高4.1 m,顶宽0.5 m,迎水侧直立,背水侧坡比1∶0.5,基础厚0.5 m,翼墙以上至岸顶设草皮护坡,坡比不陡于1∶2.5。翼墙上游两侧分别设70 mC20 砼预制块+草皮护坡与现状岸坡顺接。

涵闸出口设八字形翼墙,C20 砼结构,两侧各长15 m,对称布置,墙身高2.5 m～4.0 m,顶宽0.5 m,迎水侧直立,背水侧坡比1∶0.5,基础厚0.5 m。

（2）穿堤箱涵

穿堤箱涵共3 孔,孔口尺寸为4.0 m×3.0 m（宽×高）,顶板、底板及边墙厚度均为0.6 m,中墩厚0.5 m,底板下设0.1 m厚C15 素砼垫层,总长度52 m,分5 节（4×10.5 m+1×10 m）。箱涵为C25 钢筋砼结构,底板高程同现状,15.9 m。接缝部位均设止水和钢筋混凝土包箍。

（3）防洪控制段

穿堤箱涵出口为防洪闸段,设置防洪工作闸门,3 孔,孔口尺寸为4.0 m×3.0 m（宽×高）。上部设置排架柱、启闭机平台和启闭机房,排架柱截面为0.5 m×0.5 m,高3.9 m；启闭机平台长15.6 m,宽4.3 m,厚0.15 m,平台高程25.3 m；启闭机房为15.6 m×4.3 m×4 m（长×宽×高））砖混结构。启闭机房与堤顶间设置1.5 m 宽C25 钢筋砼栈桥。涵洞出口侧栈桥及防洪闸检修平台均设置防护栏杆。

4 稳定分析计算

4.1 过流能力计算

（1）水流流态判别

曹咀孜涵进口水深小于1.2 倍洞高,出口水深小于洞高,判断为无压流。设计涵洞洞长63 m 大于8 倍进口水深,判断为长洞。

（2）流量复核

根据涵洞水位和高程确定曹咀孜涵为无压流长洞,过流能力计算采用公式。

式中：Q 为流量,m3/s；σ 为淹没系数,0.594；m 为流量系数取0.36；ε为侧收缩系数,0.95；H0为行近流速水头在内的进口水深；B 为洞宽,12 m。

经核算,涵洞实际过流量为41.18 m3/s；大于设计过流量36.4m3/s,满足要求。

4.2 渗流稳定分析

根据《水闸设计规范》（SL 265-2001）,闸基防渗长度下式计算。

式中：L 为闸基防渗长度,m；Δ H 为最大水位差,m；C 为渗径系数,7。

计算闸基防渗长度21 m,实际闸基防渗长度大于63 m,满足要求。

5 结论

考虑到曹咀孜涵建成以后,可将上游曹咀孜片涝水迅速排入下游新曹咀孜站汇水区,但曹咀孜涵闸上水位快速下降以后,一方面可能会加大下游排涝压力,另一方面可能会导致老曹咀孜站无法正常运行,故曹咀孜涵的调度运行应根据闸上水位情况,合理控制闸门开度,控制下泄流量,在优先保障老曹咀孜站正常运行的前提下,将超出老曹咀孜站排涝能力的涝水排入下游,统筹调度区域排涝设施进行排水,保障区域防洪排涝安全。