崇明区扬子中学河道拆坝建涵的过流能力研究

韩明克

上海宏波工程咨询管理有限公司上海市201700

摘要：为努力改善崇明人居环境和生态环境，崇明区水务局组织开展重污染河道治理工作，对相关河道进行综合整治，扬子中学河道也急需整治。扬子中学河道整治内容主要就是河道一处拆坝建涵，本文先分析计算河道的过流能力，再计算坝基处管涵的过流能力，进而计算设计箱涵的过流能力，对过流能力计算结果作相应的对比研究。

关键词：扬子中学河道；拆坝建涵；过流能力

扬子中学河道是《崇明县2017年度重污染河道城桥镇施翘横河及小港横河等河道整治工程》项目中的一条整治河道，项目位于崇明区（原项目批复名称为崇明县，现已更名为崇明区）城桥镇，项目共涉及施翘横河、小港横河和扬子中学河道3条河道。

城桥镇内水系发达，河道分布密集，纵横交错，水面率较高，有一定的调蓄能力。这些河道担负着镇内引水、排涝、城乡居民生活用水及工农业用水的重任，已形成一个独立的灌排网络，同时河道周边居民区较多，河道的水质、水生态健康直接影响到周边居民的生活质量。所以河道的畅通及其功能的发挥将直接影响着城桥镇人民生活质量改善和社会经济的可持性发展。

根据全市471条重污染河道项目清单，崇明城桥镇重污染河道共有施翘横河、小港横河2条，另外由于扬子中学河道整治已有近8年时间，目前总体水环境状况不佳，周边群众满意度不高，又位于扬子中学和崇明体育场周边，社会关注度高，亟需对其进行整治。为此，将扬子中学河道与其他两条重污染河道一起治理。

1.扬子中学河道特征及存在问题

扬子中学河道位于扬子中学北面，为镇级河道，整体呈“F”型，东起东门路，西至接近川心街，东西向约450米，南北向为“F”型的两段，分别长约300m和250m，分别位于扬子中学体育场的东西两侧，河道总长度约1000m，河口宽度约4m，现状大部分为小木桩护岸。扬子中学河道上有一座单孔管径为0.6m的管涵，总长约7.8m。扬子中学河道未纳入规划，经过与当地政府主管部门沟通，由于拆迁工作难度较大，目前不具备按规划实施的条件，故河道按现状进行设计。参照周围河道疏浚项目，疏浚底高程取2.0m，两岸边坡为1：2.5，内河常水位为2.6~3.0m，河道通过泵站向外排涝，不会出现每年岛内大换水工况。

扬子中学河道主要存在以下问题：

（1）水流不畅。

涵洞管径较小，管底标高较高，水流不畅，河道为断头浜，与外界水系沟通较差，水体缺乏流动性。

（2）地表径流污染。

沿途流经企业、居民小区、市政道路等下垫面硬化程度高、人口或车辆密集的区域，这些区域面源污染较严重，由于缺乏滨岸缓冲带拦截净化作用，初期雨水径流携带地面污染物直接冲刷入河，造成水体污染。

（3）底泥污染。

河道根据现场调查及测量资料，水质较差，底泥淤积严重，扬子中学河道，不仅底泥淤较严重，而且污泥上浮严重。

（4）生态系统不健全。

河道生态系统不健全，两岸为硬质驳岸，水生动植物稀少，加之底泥上浮，水质恶化严重，透明度低。

2.研究方向及计算思路

本文主要从过流能力的角度来研究扬子中学河道一处坝基的拆坝建涵的必要性和新建箱涵的可行性，具体是通过计算并对比扬子中学河道的过流能力、扬子中学河道坝基处管涵的过流能力和扬子中学箱涵的过流能力，来判定坝基拆除的必要性和新建箱涵的合理性。

由于扬子中学河道为扬子中学里的一条河道，河道为内河，排涝通过水泵抽水进行的。从学校的安全角度以及实际的河道状况考虑，一般情况下河道水位很低，不会达到排涝水位3.75m，因此本文计算仅采用了常水位2.6~3.0m的水位数据。

3.扬子中学河道过流能力计算

扬子中学河道疏浚底高程取2.0m，两岸边坡为1：2.5，内河常水位为2.6~3.0m，河道两侧护岸为浆砌石直立挡墙，河宽4.0m左右，挺水植物种植平台高程2.2m。那么，根据《水力计算手册》（第二版）[1]中的谢才公式计算扬子中学河道的过水流量如下：

，。

其中，n——粗糙系数，本处取0.014；R——河道水力半径（m）；I——水力坡降，本处取1/10000；Q1——河道过水流量（m3/s）；A——河道水流有效断面面积（m2）。

经计算得出扬子中学河道相应的过水流量及流速如下：

常水位H为2.6m时，过水面积A为2.10m2，水流流速V为0.41m/s，水力半径R为0.43m，过水流量Q1为0.85m3/s。

常水位H为3.0m时，过水面积A为3.70m2，水流流速V为0.54m/s，水力半径R为0.65m，过水流量Q1为1.99m3/s。

4.扬子中学河道坝基处管涵过流能力计算

扬子中学河道上有一座单孔管径为0.6m的管涵，总长约7.8m。涵洞管径较小，管底标高较高，水流不畅。河道水位取2.6m，管涵过水能力根据熊启钧编著《涵洞》[2]中的淹没压力流的过水能力公式计算管涵的过流流量如下：

其中，ξ1——进口处水头损失系数，此处取0.2；ξ2——拦污栅损失系数，此处取0.3；ξ3——闸门槽损失损失系数，此处取0.2；ξ4——出口损失系数，此处取1；ξ5——进口渐变段损失系数，此处取0；ξ6——出口渐变段损失系数，此处取0；R——洞半径，0.3m；m2——流量系数，计算得出m2=0.694；G——重力加速度，g=9.81，m/s2。

计算得出扬子中学河道坝基处的管涵过水流量Q2=0.086m3/s。

5.扬子中学箱涵过流能力计算

设计箱涵为单孔，箱涵底高程为2.0m，孔径2m×1.5m，河道水位分别取2.6m、3.0m，参考熊启钧编著《涵洞》[2]中的无压流涵洞的过水能力公式计算扬子中学箱涵的过流能力如下：

其中，σ——淹没系数；ε——侧收缩系数，此处取0.95；m——流量系数，此处取0.36；B——洞宽，此处取2，m；H0——上游行进水头；g——重力加速度，g=9.81，m/s2。

经计算得出扬子中学箱涵相应的过水流量及流速如下：

常水位H为2.6m时，淹没系数σ为0.422，上游行进水头H0为0.61m，过水流量Q3为0.61m3/s。

常水位H为3.0m时，淹没系数σ为0.428，上游行进水头H0为1.02m，过水流量Q3为1.33m3/s。

6.过流能力计算结果对比分析

通过以上扬子中学河道过流能力、扬子中学河道坝基处管涵过流能力、扬子中学箱涵过流能力的计算结果可以看出。

（1）常水位最低时，水位为2.6m。此时扬子中学河道过流能力Q1=0.85m3/s，Q1/2=0.425m3/s，而扬子中学河道坝基处管涵的过流能力仅为Q2=0.086m3/s，Q2<Q1/2。由此看出，扬子中学坝基处管涵的过流能力远远满足不了常水位处在最低水位的要求，因此也满足不了常水位时候的过流能力要求。

（2）常水位最低时，水位为2.6m，此时扬子中学河道过流能力Q1=0.85m3/s，Q1/2=0.425m3/s，扬子中学箱涵的过流能力为Q3=0.61m3/s，Q3>Q1/2；常水位最高时，水位为3.0m，此时扬子中学河道过流能力Q1=1.99m3/s，Q1/2=0.995m3/s，扬子中学箱涵的过流能力为Q3=1.33m3/s，Q3>Q1/2。由此看出，扬子中学箱涵过流能力满足河道常水位的过流能力要求。

7.结论

通过过流能力计算结果的对比分析得出以下结论：

（1）扬子中学坝基处的管涵满足不了扬子中学河道的过流能力要求，必将导致水流不畅，水体缺乏流动性，需要拆除坝基从而改善水环境；

（2）新建的扬子中学箱涵在常水位情况下满足扬子中学河道的过流能力，箱涵的孔径设计合理。

参考文献

[1]李炜.水力计算手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[2]熊启钧.涵洞[M].北京：中国水利水电出版社,2006.