浅谈河流生态修复中挡水堰设计指标的计算

浅谈河流生态修复中挡水堰设计指标的计算

柏文1陈杰4闫花丹5周芸2闫浩3

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145山东水之源水利规划设计有限公司220000

23江苏省水文水资源勘测局常州分局213000

摘要：中小河流在生态修复工程中，为保持常年有水较为简便的方法是连续修建挡水堰以便做到节节拦蓄，形成连续水面。但为避免的阻碍行洪，必需对挡水堰的堰高、堰型、堰顶宽、布设位置等主要设计指标进行细致的分析计算，以满足行洪与蓄水的双重要求。本文探讨了中小河流生态修复工程中挡水堰主要设计指标计算的一些方法，对类似工程可起到有一定的借鉴意义。

关键词：河道生态修复挡水堰主要设计指标

1挡水堰在河流生态修复中的作用

目前的河道拦蓄工程措施主要是拦河闸、橡胶坝和挡水堰等。拦河闸和橡胶坝都可以灵活控制拦蓄水位，且可以较高的拦蓄水头，但其工程投资较大；挡水堰拦蓄水头较低且不能灵活调控，但施工简单、工程投资较小。所以，在中小河流治理中，挡水堰应用较广。

2挡水堰的主要设计指标

挡水堰的布设位置、高度、堰型等是主要设计指标。

挡水堰高度越高，其壅高水位的作用越明显，河道回水长度越长，但可能造成行洪阻碍而带来安全隐患；而且挡水水位过高会产生较大的水平水压力和扬压力，造成堰体结构失稳。

如需河道保持常年有水，就要求相应河段上建设挡水堰，而单座挡水堰回水长度有限，在不能满足要求时需连续设置多座挡水堰联合调度，这就需要准确计算挡水堰的布设位置。

挡水堰堰型决定了挡水堰的过流能力，当需要尽可能壅高水位时，可选用流量系数较低的堰型；当需要尽量减小堰顶水深时，可选用流量系数较高的堰型。落实到具体工程中，需根据工程的自身特点和具体需求来选定设计方案。

下面首先分析河道生态修复工程中挡水堰设计指标一般计算流程，然后以实际工程为例来做简单探讨。

2.1挡水堰设计指标计算分析

根据工程实际选取需实施治理河段为设计河段（以下简称“设计河段”），挡水堰一般由设计河段最下游断面开始，向上游依次布设，以做到节节拦蓄，所以，挡水堰设计指标相互关联，需要做系统的计算分析。

设计指标计算可依据以下步骤进行：

1、挡水堰总高度计算

设计河段的上游断面底高程为D2，下游河道底高程为D1，设计挡水堰总高度为h，堰顶过流水深为H。

在一般河道中有：

D2-D1=h+H……（1）

枯水期上游河道来水量极小，因此挡水堰堰顶水深H可忽略不计，既有：h=D2-D1

2、根据河道防洪要求确定工程等别和工程规模，然后根据《堤防工程设计规范》来确定相应的堤防安全加高A。

3、根据河道设计断面和水文气象资料计算设计波浪爬高R和设计风壅增水高度e，可根据《堤防工程设计规范》附录相应公式计算。

4、计算堤顶超高，可依据《堤防工程设计规范》公式

Y=R+e+A……（2）

5、设计河段下游断面设计堤顶高程为X1，在此处新修建的挡水堰高度为P1，行洪时堰顶过流水深为H1，则需满足以下关系：

P1+H1+Y≤X1……（3）

设定挡水堰座数为n，首先假定n=1，则P1=h，既只在设计河段最下游断面修建1座挡水堰。由公式（4）、（5）、（6）、（7）联立求得H1，并代入公式（3）计算是否满足。

图2.1-1挡水堰设计指标计算流程图

设计中，挡水堰过流流量Q即为设计洪水流量，可由水文资料得出，然后由已知的拟建挡水堰堰高P1，联立（4）、（5）、（6）、（7）公式即可得出堰顶水深H1。

若公式（3）条件满足，则直接进行第7步挡水堰稳定计算；若不满足，则进行第6步计算。

6、假定拟建挡水堰数量n=2,3,4……依次递增，则每座挡水堰高度之和P1+P2……Pn=h。为简便计算，可近似取各堰高度一致P=h/n，然后根据各堰布置桩号的实际情况进行微调。在设计河段最下游断面处布设第1座挡水堰，然后依次向上游布设。设计河段最下游断面设计河底高程为D1，则第1座挡水堰堰顶高程E1=D1+P1，然后向上游查找河底高程D2=E1的断面，并在此断面上布设第2座挡水堰，第2座挡水堰堰顶高程E2=D2+P2，依次类推向上游布设挡水堰。由公式（4）、（5）、（6）、（7）联立计算每座挡水堰的堰顶水深Hn，代入公式（3）中进行关系判别，直到全部满足为止。

7、进行挡水堰稳定计算，计算挡水堰自身结构是否满足稳定要求。计算可采用《水闸设计规范》中关于水闸稳定计算的相关条文。

8、整理计算结果，形成挡水堰设计指标成果表。

挡水堰主要设计指标设计流程详见图2.1-1。

2.2某河道挡水堰设计指标分析计算

2.2.1河道概况

某河道河谷高程范围为177.446m～350.117m，属于典型的山区中小河流。河流的主要功能是防洪除涝、抗旱灌溉、改善水生态环境。在河道综合整治工程中，规划在河道中新建挡水堰来拦蓄河水，使设计河段常年有水，形成环境优美的生态景观河道。

2.2.2挡水堰设计指标计算

设置挡水堰的河段相应桩号为5+078～6+627，此河段北高南低，上游5+078处河道断面底高程D2=192.52m，下游6+627处处河道断面底高程D1=188.02m，因此，根据公式（1），h+H=D2-D1=4.50m。

因需常年有水，所以在计算h时需充分考虑枯水期水流条件。根据水文气象资料，该河流域枯水期来水可忽略不计。所以，在设计堰顶高程时可忽略堰顶过流水深，H可近似取为0。由此可得：

挡水堰总高度h=D2-D1=4.50m。

进行2～6步计算时得出，当n=3时，满足所有边界控制条件，每座挡水堰高度Pn=4.5/3=1.5m，由第7步稳定计算可知，堰顶宽需为0.5m。因该河上游实施清障工程，上游清挖出的石方可用于挡水堰建筑，所以挡水堰采用M10浆砌石结构。为方便施工，堰型可采用Ⅰ型折线实用堰。经计算，挡水堰布设位置桩号分别为6+627、6+018和5+634。设计成果如表2.2-1所示：

表2.2-1河段挡水堰设计指标成果表

3结论建议

在中小河流生态修复工程中，挡水堰作用较大，但在实施设计时各个设计指标相互协调关联，需通盘系统地进行计算分析。同时，需要注意如果河道设计堤防较矮，则需严格控制行洪时的堰顶水深，此时可采用WES实用堰，但此堰结构复杂，施工难度大，且堰顶流速较大，推荐采用C25钢筋砼结构，并做好堰后消能设施，以防冲刷河床。

参考文献

[1]李炜.水力计算手册第二版,2006

[2]《水闸设计规范》（SL265-2001）

[3]《堤防工程设计规范》（GB50286-98）