海城市英落镇前英河拦河闸工程初步设计.docx
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海城市英落镇前英河拦河闸工程初步设计
1设计概要
海城市前英河是三道岭支流之一，发源于英落镇北部山区，属于山区河系，河道平均比降4.4‰，河床糙率较大，河道曲折，河谷狭窄，坡陡流急。
从历次规划设计中都提出前英河防洪工程的重要性，技术上的可行性，经济上的合理性。
前英河防洪工程的作用：
一是提高前英河的抗洪能力；二是促进高效农业的发展，美化镇内周边环境；三是促进加工业可持续的开发；四是保护公路的安全运行。
由于前英河上游无控制性蓄水工程，因此提高前英河防洪标准势在必行，提高前英河防洪标准需要整平河底、对原河道进行清淤，同时由于枯水期河道蓄水量不足。
依据《前英河总体规划》步骤实施，一期工程对前英河长5.34公里进行规划整治，提高河道防洪标准达到十年一遇，工程措施包括清淤、护岸、新建拦河设施等；本次二期规划在5.34公里河道上新建拦河坝2座，拦河坝形式为自动控制液压升降坝，规格分别为24×2.5m、42×2m，结构形式为：
混凝土面板，基础采用钢筋混凝土形式，设置在0+540、0+850桩号上，以增加镇区景观多样性，同时提高枯水期河道蓄水量能力，提高河水利用率，汛期门板降落，保持原河床高程、可畅泄洪水，不影响原河道防洪标准。
2基本资料
2.1基本资料及依据
由于本次未能对两座坝址进行勘测，故参考河道堤防及临近建筑物地质勘察报告。
新建两座拦河坝设计计算所采用规范主要为：
（1）《水利工程水利计算规范》（SL－95）；
（2）《水闸设计规范》（SD133－84）；
（3）《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288－99）；
（4）《水工混凝土结构设计规范》（SL/T191－96）；
（5）《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SDJ20－78）.
（6）《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021－89）
（7）《防洪标准》GB50201—94
（8）《堤防工程设计规范》GB50286—98
（9）《堤防工程管理设计规范》SL171—96
（10）《堤防工程地质勘察规程》SL/T188—2005
现行有关规范、规程和标准。
2.2气象、水文
2.2.1流域概况
前英河是三道岭支流之一，发源于英落镇北部山区，河道平均比降4.4‰，河床糙率较大，平滩流量在15立方米/秒。
从英落镇区河道现状看，属于山区河系。
4呈宽浅式河床，河宽30—60米，较大弯道有1处，河道弯曲，河床不固定，水冲、沙压、河底淤积很严重。
近年来，右岸岸坡受洪水冲刷严重，交通道路安全受到洪水威胁。
英落地处暖温带季风气候区，四季分明、雨量充沛，气候温和，年平均气温8.7℃，年平均降雨量703.6mm，是发展工农业生产极为有利的自然条件。
英落镇位于海城东南23．6公里，总面积161．3平方公里，人口4万，辖27个行政村，1个街道管理委员会。
全镇是一个地貌为“七山一水二分田''的山区镇。
镇内有水泉、后印、石柱三条河流，有丰富的矿产资源。
全镇现分为南北两大经济区，南部以果树为主体，形成立体农业格局。
北部以开发矿产资源为龙头，构成外向型的工业布局。
菱镁石、滑石等矿产资源丰富，居全国之首。
西洋耐火材料公司、后英矿产品实业公司、后印镁矿公司、镇镁碳砖厂、赵卜微粉厂等六大支柱企业。
2010年末，全镇社会总产值实现66.3亿元，地区财政收入实现1.801亿元，在海城市乡镇经济实力考评中名列第一名。
前英河汛期河流汇流时间短，洪水涨落很快，每遇洪峰，即有大量河沙淤积在下游，但也使前英河河床逐年抬高，降低了河道泄洪能力。
2.2.2气象
前英河流域属温暖带季风型大陆性气候，冬季严寒、干燥，夏季湿热、多雨，四季冷暖干湿分明。
流域内现有海城气象观测站,资料较长,可靠性较高，所以选用海城站作为代表站进行前英河流域气候特征统计。
据1961－2009年资料统计的各种气象要素情况如下：
流域多年平均气温8.7℃，12月至次年2月平均气温在0℃以下，一月最冷，实测极端最低气温-34.9℃，7—8月平均气温最高，平均气温高于23℃，极端最高气温达36.6℃。
气温年内变化较大，一般超过40℃，多年极端温差超过70℃。
流域内多年平均降雨量703.6mm左右。
降水量的年际变化较大，丰水年和枯水年相差2倍以上，年最大降水量（1964年）达1081.0mm，年最少降水量（2000年）仅为447.1mm。
降雨在年内分配不均匀，雨量多集中在夏季，6—9月约占全年降水量的72%以上，其中7、8两月更为集中，占全年51%左右。
流域内多年平均蒸发量（直径20cm蒸发器）1659.4mm，5—6月份相对湿度小，气温上升快，风速大，是蒸发量最大时期，大约为598.5mm。
11—2月为结冰期，蒸发量最小。
流域内多年平均日照时数2624.5h，5月份最多，多年平均为268.4h，12月份日照时数最短为172.7h。
流域内初霜一般在9月下旬，最早在9月14日；终霜期一般在5月上旬，最晚在5月11日。
流域内降雪最早日期在10月3日，最晚终雪日在4月29日。
流域内极端最高地温63.1℃，发生在1961年的6月26日，极端最低地温-41.7℃，发生在1987年的1月13日。
最大冻土深度为118cm。
海城站气象统计资料见表2-2。
表2-1海城站气象特征表
项目
单位
资料
年限
月份
全年
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年平均雨量
mm
40
6.3
7.4
12.5
36.0
62.3
82.1
186.9
173.6
69.9
37.4
20.2
8.9
703.6
多年平均蒸发量
mm
39
31.8
48.9
110.0
217.6
289.2
243.1
187.6
159.6
148.7
118.5
66.3
38.0
1659.4
多年平均气温
℃
40
-10.6
-6.7
1.4
10.4
17.5
21.9
24.6
23.7
17.8
10.3
1.2
-6.8
8.7
极端最高气温
℃
40
12.7
18.8
21.8
30.0
33.9
36.0
36.6
36.4
34.0
29.3
23.2
16.5
36.6
日期
1
27
28
29
30
16
13
5
13
1
2
1
13/7
年份
1976
1992
1990
1972
1962
1962
1997
1978
1979
1978
1971
1968
1997
极端最低气温
℃
40
-34.9
-32.6
-28.5
-12.4
-1.2
6.0
10.2
5.5
-1.0
-8.6
-22.9
-32.2
-34.9
日期
28
20
6
3
1
7
4
23
28
30
20
29
28/1
年份
1985
1968
1971
1962
1965
1987
1976
1976
1981
1975
1992
1980
1985
多年平均相对湿度
%
30
63
60
56
53
55
67
79
81
73
67
65
64
65
多年平均风速
m/s
30
2.9
3.3
4.1
4.8
4.4
3.5
2.7
2.1
2.5
3.1
3.6
3.1
3.4
最大风速
m/s
23
16.7
19.3
17.0
20.0
19.0
17.7
17.0
18.0
14.7
16.0
17.0
16.0
17.4
风向
W
N
2G
SSE
SE
NNE
ESE
NNE
N
N
NE
NNW
SSE
日照时数
h
39
189.5
196.3
232.3
242.0
268.4
251.2
216.4
220.0
238.5
222.3
175.1
172.7
2624.5
最大积雪深度
cm
40
19
100
18
15
11
17
22
100
最大冻土深度
cm
30
100
118
118
111
0
0
0
0
0
9
33
68
118
2.2.3水文基本资料
本次前英河治理河段为山区段，该区为无资料地区，该区水文分区为Ⅲ4区，流域面积20平方公里。
本次设计根据《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》进行设计洪水计算。
2.3洪水
1）暴雨洪水特性
前英河在海城水文站以上属山溪性河流，前英河在7~8月份，常常发生暴雨或大暴雨天气，其中强度最大的雨量又集中在一天时间内，最大一日暴雨量占一次暴雨量的50％左右。
降水强度大、历时短，降水量往往集中于2~3日，甚至几小时内，是洪水灾害的直接原因。
上游支流多坡度陡，洪水汇流时间短，涨落较快。
一般单峰历时为24—36小时，复峰历时为72小时，洪峰受暴雨雨型控制。
2）设计洪水洪峰流量计算
根据《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》。
本流域断面以上集水面积重心为东经122°52′，北纬40°34′。
表2-2流域特性表
河名
前英河
断面位置
英落镇东
集水面积
20平方公里
河长
5.34公里
河道平均坡度
4.3‰
资料来源
地形图籍、实际测量
根据L/（J）1/2=5.34/（4.3）1/2=2.580
查附图（3—1）汇流历时:
τ=x（L/J1/2）y=0.96×2.580.73=1.92h
查附图（1—3）（1—4）（1—5）（1—6）（1—7）（1—8）（1—9）
P三=115mmCv=0.59
P24=90mmCv=0.59Cs=3.5Cv
P6=66mmCv=0.55
P1=40mmCv=0.50
查附图（1—12）
当F=20km2，τ=24h
折减系数KF=0.995
（1）p=20%查附表（1—1）
Cv=0.59KP=1.35
Cv=0.55KP=1.34
Cv=0.50KP=1.32
P三P面=P三×KP×KF=115×1.35×0.995=154.5mm
P24P面=90×1.35×0.995=120.9mm
P6P面=66×1.34×0.995=88.0mm
P1P面=40×1.32×0.995=52.5mm
P1P面/P6P面=52.5/88.0=0.60查附表（1—2）得η1P=0.72
P6P面/P24P面=88.0/120.9=0.7查附表（1—2）得η2P=0.77
计算τ历时设计面雨量及面暴雨强度ip
PτP面=P24P面×24n2p-1×6n1p-n2p×τ1-n1p
=120.9×240.77-1×60.72-0.77×1.821-0.72
=62.7mm
ip=PτP面/τ=62.7/1.82=34.5mm/h
查附表（3—2）φp=0.46
计算洪峰流量Q20%
Qp=0.278φp×ip×F=0.278×0.46×34.5×20=88.2m3/s
（2）P=10%查附表（1—1）
Cv=0.59KP=1.76
Cv=0.55KP=1.72
Cv=0.50KP=1.66
P三P面=P三×KP×KF=115×1.76×0.995=201.4mm
P24P面=90×1.76×0.995=157.6mm
P6P面=66×1.72×0.995=113.0mm
P1P面=40×1.66×0.995=66.1mm
P1P面/P6P面=66.1/130.0=0.51查附表（1—2）得η1P=0.62
P6P面/P24P面=113.0/157.6=0.72查附表（1—2）得η2P=0.76
PτP面=P24P面×24n2p-1×6n1p-n2p×τ1-n1p
=85.8mm
ip=PτP面/τ=85.8/1.82=47.1mm/h
查附表（3—2）φp=0.60
计算洪峰流量Q10%
Qp=0.278φp×ip×F=0.278×0.60×47.1×20=157.1m3/s
表2-3设计洪峰流量计算表
项目
频率P（％）
20
10
洪峰流量（立方米/秒）Qp
88.2
157.1
2.4泥沙
前英河年侵蚀模数为344t/km2，泥沙粒平均小于0.05mm的占沙重70%，小于0.1mm的占92%，悬移质泥沙平均粒径为0.045mm，中数粒径为0.031mm.最大粒径为1.46mm。
悬移质输沙集中在7-8两个月，约占全年总量的90%。
3工程地质
3.1概述
前英河流域地质构造属辽东地块与下辽河断陷的过度地带，在东部长期隆起区，沉积着极薄的残坂积、冲积层，其基本构造为深浅不同的正、副片麻岩，片岩系；西部沉陷区为下辽河平原，第四纪期的沉降为主，物质来源于辽河水系冲积物，沿太子河状分布，逐渐形成太子河冲积平原。
前英河河道绝对高程为80.40m~100.01m，拟建左岸堤防堤轴线方向地形高程变化不大，覆盖层主要为中粗粒。
3.2工程地质条件
工程区域处于东、西两区的交界地带，由东部隆起区向西部沉陷区逐步过度。
工程区域内现有地质资料较少。
根据堤防工程特点及勘察场地地基条件，可做为建筑物的天然基础，根据测试地基承载力标准值为：
粗砾层fk=200kp
从地基承载力来看，完全满足要求。
按国家地震局的有关文件，本工程的基本烈度为7度。
根据国家标准《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）的规定，从场地土的性质判定，属于中等场地土，场地类别为2类。
属于有利地段。
根据场地土质和地下水埋藏条件，按《建筑抗震设计规范》规定初判本场地无地震液化。
3.3天然建筑材料
本次勘察的天然建筑材料包括砼骨料（粗、细）和石料。
石料等外购建筑材料全部堆放在堤防平台上，完全可以满足工程施工要求。
块石试验指标：
干密度2.65g/cm3，饱和密度2.66g/cm3，干抗压强度：
最大95.7Mpa，最小85.0Mpa，平均86.6Mpa，饱和抗压强度最大85.0Mpa，最小81.0Mpa，平均82.9Mpa。
碎石物理力学指标见下表：
表3-1碎石物理力学指标统计表
项目
表观
密度
堆积
密度
孔隙率
软弱颗
粒含量
针片状
颗粒含量
冻融
损失率
g/cm3
g/cm3
%
%
%
%
平均值
2.66
1.79
42
2
5.3
7
规范指标
≥2.60
>1.6
≤45
≤5
≤15
<10
表3-2细骨料物理力学指标统计表
项目
表观
密度
堆积
密度
孔隙率
含泥量
细度
模数
有机质
含量
g/cm3
g/cm3
%
%
比色
平均值
2.64
1.58
34
2
2.88
浅
规范指标
≥2.60
>1.5
<40
≤3
2.5~3.5
浅
经现场调查以上料场质量均满足《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251—2000）规范要求。
4工程任务与设计标准
4.1工程任务
4.4.1防洪
液压升降坝是英落镇防洪的关键工程。
前英河地形极为复杂，丘陵、平原高低交错，圩区间隔其间，地势呈北高南低、周边高、腹部低；水网以镇区为中心。
液压升降坝建成后一方面将减轻这一地区及流域下游的洪水压力，减小对滩、岸冲刷；另一方面，在灌溉期、工厂用水期将河水提压灌溉、降低生产、生活成本。
因此，该坝是英落地区防洪的关键工程。
4.4.2景观
2009年以来，英落镇以改善生态环境，提升乡镇综合功能，树立镇村形象为出发点，提出了“保护母亲河”的行动口号，利用五年时间对前英河进行综合治理与绿化，开发利用前英河资源，是推动全镇市经济发展，加快旅游业建设，加大招商引资力度，提高城镇人民生活质量，稳定社会的一大措施。
该段河道又是前英河中游主系，河流生态环境及水质保护十分重要，两处工程建成后，两岸护堤整齐美观，河北岸红花绿柳，鸽群飞舞，曼妙的彩色喷泉和着音乐的节拍欢快起舞，美丽的前英河不仅是市民休闲娱乐的好场所，更是那些迁徙候鸟们的家园，这就是修建前英河，美化前英河的最美的见证。
4.2设计标准
4.2.1防洪设计标准
防洪设计标准按十年一遇设计。
4.2.2.工程等级
建筑物按五级建筑物设计。
4.3水面线推算
本段河道治理工程为前英河道治理工程一期，附属工程，水面线采用《海城市英落镇前英河河道治理工程初步设计》推算成果。
前英河水力计算成果表（P=10%）
水力要素
断面
最大水深
（m）
流速
（m/s）
糙率
比降
（‰）
河底高程
（m）
水位（m）
流量（m3/s）
左岸堤防高程（m）
右岸堤防高程（m）
主槽
边滩
0+380
1.87
5.5
0.03
0.06
6.65
96.51
98.37
157.1
100.01
99.9
0+850
1.72
4.95
0.03
0.06
5.60
93.88
95.6
157.1
96.4
96.4
1+750
0.7
4.25
0.03
0.06
4.20
90.1
90.8
157.1
91.6
91.9
1+940
1.4
4.96
0.03
0.06
5.00
88.8
90.2
157.1
91.0
91.2
3+100
1.1
4.34
0.03
0.06
4.05
84.1
85.2
157.1
86.0
86.0
3+620
1.1
4.77
0.03
0.06
2.69
82.7
83.8
157.1
84.6
84.9
4+000
1.5
5.38
0.03
0.06
4.74
80.9
82.4
157.1
83.2
83.2
4+220
2.4
5.59
0.03
0.06
5.91
79.6
82.0
157.1
82.8
82.82
4+470
1.82
4.21
0.03
0.06
1.08
79.33
81.15
157.1
81.95
81.93
4+895
1.84
3.96
0.03
0.06
3.11
78.01
79.85
157.1
80.65
80.65
5+340
1.41
4.09
0.03
0.06
0.22
77.91
79.32
157.1
80.12
80.12
4.4水位组合
4.4.1水位组合
设计情况
上游
下游
说明
设计
水位
24米液压坝
98.57
98.37
十年一遇
42米液压坝
95.8
95.6
十年一遇
运行
水位
24米液压坝
98.5
96
控制运行条件
42米液压坝
96
94
控制运行条件
4.4.2消能水位组合
根据规范要求，液压坝堰上水头不得高于坝高的1/4~1/5，以24米长，2.5米高液压坝为典型，当堰上水头为0.5米时，必须泄水，此时上、下游水位差为坝体运行最大水头差，为消能最不利水头，其对应的泄水流量为15秒立米，坝上游水位99.0m，下游水位95.8m。
5工程设计
5.1枢纽位置选择
《海城市英落镇前英河河道治理工程初步设计报告》已就拦河坝枢纽位置进行了论证，缩减拦河设置10座至2座，进行了技术经济比较，具有符合投资较省，不改变上下游的防洪利益等优点。
为了兼顾流域和区域的治理要求，综合考虑上下游边界的水利关系，从流域治理要求、区域治理要求、综合治理和管理调度、工程投资等方面对选择的两个闸位进行了充分的论证比较。
根据现场地形情况，结合坝边公路与对外交通的连接确定新建枢纽的坝址在断面0+540、0+850处。
为充分发挥流域和区域治理工程的整体效益，在前英河镇区之间建坝控制是必要的，因此，液压坝控制工程必须尽快实施。
5.2结构型式及主要尺寸
a）结构型式
1）采用一排液压缸直顶以最底部为为铰链轴的活动拦水坝面的背部，实现升坝拦水，放坝行洪的目的，控制操作液压系统，根据洪水涨落，实现活动坝面的自动升降。
2）面板采用钢筋混凝土结构形式，底部基础、后端消力池及两侧挡土墙均采用一体式混凝土浇筑型式，闸前段利用干砌石铺盖，后段采用抛石防冲槽型式。
b）主要尺寸
1）门板尺寸：
24米拦河坝门高（H）:
2.5m单扇宽度：
标准为6m
42米拦河坝门高（H）:
2.0m单扇宽度：
标准为6m
2）上下游连接段
基础、消力及两侧挡墙规格详见结构附图。
5.3水力计算
5.3.1拦河坝过流能力
根据《海城市英落镇前英河河道治理工程初步设计》计算分析及泄流量要求控制，该段河道整治标准为十年一遇，泄流量为157.1m3/s。
拟建两座拦河坝42m、24m，两座坝结构形式一致。
对其24m拦河坝进行分析，坝底板高程比河底高程低30cm—50cm之间，因此活动坝面放倒后，只高出基础20厘米左右，达到无坝一样的泄洪效果。
因此，即使是遇的特大洪水，也不会对它造成损坏。
行洪过水、冲砂、排漂浮物效果都好。
在汛期，河面上看不见任何建筑物，没有抬高原河床，不影响防洪，能达到原河道泄洪要求。
因此两座拦河坝的修建，不改变原河道的泄流断面，满足十年一遇的过流能力。
5.3.2消能防冲设计
当发生超标洪水或十年一遇洪水时，液压板降落，基础与原河道河底同高程，不存在缩窄河道断面现象。
根据规范要求，液压坝堰上水头不得高于坝高的1/4~1/5，以24米长，2.5米高液压坝为典型，当堰上水头为0.5米时，必须泄水。
此时上、下游水位差为坝体运行最大水头差，其对应的泄水流量为15秒立米，坝上游水位99.0m，下游水位95.8m。
消能水力计算见下表：
水力参数
公式
结果
单宽流量q
（m3/s）
q=Q/B
0.625
临界水深hk
（m）
hk=（q2/g）1/3
0.339
ζ0
ξ0=E0/hk
10.31
流速系数φ
φ=1-0.0155P/H
0.907
ζc
根据ζ0、φ值由附图查得
0.246
收缩断面水深hc
（m）
hc=hkξc
0.083
跃后水深hc’’
（m）
hc’’=hc/2×（（1+8q2/g/hc3）1/2-1）
0.927
由上表可知跃后水深hc’’大于下游河槽水深ht（0.3m），即发生远离式水跃。
其急流段长，对工程不利，为了保护河床和坝体，本工程设置挖深式消力池，其深度、长度按设计洪水位的水力参数进行计算。
消力池深度：
d=σhc’’-ht，式中σ为淹没系数，取值1.05；
则d=σhc’’-ht=1.05×1.46-0.95=0.67m
由于河道比降大，水流急，为安全起见，实际深度采用1.0m。
消力池长度计算:
水跃长:
Lj=6.9（hc’’-hc）=6.9×（0.927-0.083）=5.
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