平原地區(qū)天然河道節(jié)制閘閘檻高程的選擇

李春日

吉林省四平市南崴子灌區(qū)管理局

平原地區(qū)天然河道節(jié)制閘閘檻高程的選擇

李春日

吉林省四平市南崴子灌區(qū)管理局

本文論述了天然河道節(jié)制閘閘檻高程的選擇并提出選擇方法。

節(jié)制閘；閘檻高程；選擇

wooden structure；traditional building；fire hazard；fire-retardant coatings

在天然河道上修建攔河節(jié)制閘，其運(yùn)用條件一般比較復(fù)雜。閘檻高程的選擇需要考慮河道的水文情況，閘址的地形和地質(zhì)條件等很多因素。當(dāng)有幾種閘檻高程可供選擇時(shí)，要通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的論證和比較，選擇技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的最優(yōu)方案。

1 閘孔單寬流量的選擇

選擇閘檻高程時(shí)，首先選擇合適的最大閘孔單寬流量。它取決于閘下天然河道或人工引渠的水深以及河床的地質(zhì)情況。根據(jù)下游河道通過(guò)最大流量時(shí)的水深并以河床地質(zhì)的抗沖流速，求得下游河道的最大允許單寬流量。如果洪水期河道水流的含泥量不大時(shí)，河床質(zhì)的抗沖流速一般可以根據(jù)參考書(shū)中的建議數(shù)據(jù)初步選定。必須指出，天然河道含泥量較大時(shí)，特別是洪水水流，含泥量增大，就會(huì)降低對(duì)河床質(zhì)的沖刷能力。當(dāng)含泥量超過(guò)水流的挾帶能力時(shí)，河床不僅不會(huì)沖刷，反會(huì)淤積。因此，對(duì)含泥量較大的河流必須從閘址處原河道各個(gè)時(shí)期的實(shí)測(cè)水文資料的綜合分析中（包括水位、流量、含泥量、流速分布以及相應(yīng)的河床沖淤變化等）取得河床質(zhì)抗沖流速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)確定下游河床的設(shè)計(jì)抗沖流速和允許的最大單寬流量；然后考慮水流過(guò)閘以后的擴(kuò)散條件，按下游河床的允許最大單寬流量乘以1.1～1.5的系數(shù)，作為允許最大帶寬流量的可能采用范圍。

當(dāng)采用上述較小的閘孔單寬流量時(shí)，水閘的總寬度比較大，閘下水流的平面擴(kuò)散角較小，水流不致脫離下游邊墻而產(chǎn)生回流。閘后流速的平面分布比較均勻，防沖砌護(hù)的長(zhǎng)度就可以相應(yīng)縮短。采用上述較大的閘孔單寬流量時(shí)，雖然可以減小水閘的總寬度，但是閘后的導(dǎo)流邊墻長(zhǎng)度勢(shì)必增加，下游河床的防沖護(hù)砌長(zhǎng)度亦要加長(zhǎng)，不能達(dá)到減少整個(gè)節(jié)制閘工程量的目的。特別是在總寬度很大的節(jié)制閘上，水流的擴(kuò)散僅限于邊孔，中間閘孔的水流是很難擴(kuò)散的，往往加長(zhǎng)邊墻，并無(wú)顯著效果。如果下游流速的平均分布相差過(guò)大，很容易引起兩側(cè)大范圍的回流。回流壓消主流，不僅不能擴(kuò)散，局部的單寬流量反而增大（一般出現(xiàn)在回流和主流的分界部位），常常因此而引起下游河床的嚴(yán)重沖刷。在這種情況下，閘孔單寬流量與下游河床允許的單寬流量的比值應(yīng)取較小值。

最大閘孔單寬流量選定以后，可根據(jù)水閘泄放最大洪水時(shí)期相應(yīng)的上下游水位，按堰流狀態(tài)計(jì)算這時(shí)所需要的堰頂高程，這是可能采用的最高閘檻高程。

2 閘檻高程的選擇

平原地區(qū)的攔河節(jié)制閘，在泄洪時(shí)期不允許過(guò)分壅高上游水位，以免增加上游兩岸堤防的負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)的過(guò)閘落差一般只有0.1m～0.3m。此時(shí)閘孔上下游的水位差最小，而要求通過(guò)的流量最大，因此按這種條件確定的閘檻高程一般都能滿足其他泄水條件的泄量要求。但是當(dāng)河道的排澇水位與泄洪水位相差過(guò)大時(shí)，排澇時(shí)期的檻上水深過(guò)小，可能不足以宣泄排澇流量，就需要降低閘檻高程。檻高降低以后，泄洪時(shí)的最大閘孔單寬流量將超過(guò)允許值。這時(shí)可在閘孔頂部設(shè)胸墻擋水，改堰流為孔流，限制空口高度，控制最大閘孔單寬流量不能超過(guò)允許值。

如果泄洪時(shí)允許的過(guò)閘落差比較大，按上述條件確定的閘檻高程有時(shí)高出天然河床很多，是否會(huì)引起上游河段的淤積，導(dǎo)致上游河段的洪水位抬高，這是個(gè)普遍關(guān)注和爭(zhēng)議的問(wèn)題。一般地說(shuō)，在平原河道上，大都沒(méi)有推移質(zhì)泥沙活動(dòng)，只有懸移質(zhì)含量多少的區(qū)別。在節(jié)制閘關(guān)閉期間或閘上水位壅高的情況下，上游河段的水面升降與原來(lái)相比有顯著的改變，水面比降減小，降低了水流的流速和挾砂能力，懸移質(zhì)泥沙就會(huì)沉積下來(lái)，這種淤積大都出現(xiàn)在節(jié)制閘上游回水淺的末端，與閘檻的高低并無(wú)直接關(guān)系。由于平原河道天然比降小，回水延伸很長(zhǎng)，淤積河段遠(yuǎn)離閘址，而且這種淤積過(guò)程相當(dāng)緩慢。平水時(shí)期，上游來(lái)水的含泥量較小，雖有沉積，但數(shù)量不大，顆粒亦較細(xì)。洪水時(shí)期，節(jié)制閘閘門全部打開(kāi)，上游的洪水位壅高較小，基本上不改變?cè)拥赖乃Ρ冉担@時(shí)不僅不會(huì)淤積，還有可能沖走上游河段平水時(shí)期沉積下來(lái)的泥沙。因此淤積量并不逐年沉積，往往處于動(dòng)平衡狀態(tài)。

3 工程實(shí)例

公主嶺市卡倫河是一條含泥量較大的河流，1970年在距卡倫水庫(kù)25km韓家店處建深淺孔結(jié)合的攔河節(jié)制閘，共7孔，閘門為平板混凝土閘門，閘孔凈寬4m，孔高6m，淺孔閘檻高程高出原河床3m，只是在中間3個(gè)深孔中設(shè)置了排砂底孔，底孔的檻高亦高出河床1m左右。根據(jù)該閘40年來(lái)的運(yùn)用情況我們進(jìn)行了實(shí)地踏查，對(duì)上游河段的河床斷面與建閘以前的實(shí)測(cè)斷面進(jìn)行比較分析：

3.1 河底高程的變化情況

在節(jié)制閘至卡倫水庫(kù)出口（長(zhǎng)25km），河底高程有的淤高，有的刷深，明顯淤高地段是在卡倫水庫(kù)出口以下14km的范圍內(nèi)，河底高程逐漸淤高1m左右。在距離節(jié)制閘4km～6km處，河底最深點(diǎn)的高程低于深水閘檻3m～4m。河底刷深的斷面，多位于河道急轉(zhuǎn)彎處。河底淤高的斷面，則多位于平直的河段，而且原來(lái)的斷面形狀多是單一的寬淺梯形斷面，既有深溝，又有淺灘的斷面一般都比較穩(wěn)定，沒(méi)有顯著的沖淤變化。

3.2 河道淤積的變化

卡倫水庫(kù)出口以下14km范圍內(nèi)淤積比較明顯，淤積量為全河段累計(jì)淤積量的1/2,達(dá)1503m3，平均1km淤積113m3，節(jié)制閘以上4m～6km淤?zèng)_基本平衡。全河段的累計(jì)淤積量不變，仍為80萬(wàn)m3。從淤泥的堆積形狀觀測(cè)，非左即右，自然形成一條左右擺動(dòng)的主流河道。這亦是寬淺河道顯現(xiàn)的一般性規(guī)律。

3.3 比較分析得出幾點(diǎn)規(guī)律性認(rèn)識(shí)

節(jié)制閘上游的經(jīng)常蓄水位控制在186m～188m高程范圍內(nèi)，且淤積在回水或長(zhǎng)度大致在4km～6km范圍內(nèi)變動(dòng)，而且也是蓄水期上游回水路的末端，符合一般性規(guī)律。卡倫水庫(kù)出口以下14km的河段內(nèi)淤積是明顯的。其原因是支流來(lái)水干擾主流，引起水流折沖偏轉(zhuǎn)甚至回流，導(dǎo)致淤積。具有深槽和灘地的復(fù)式斷面河槽，比單一的梯形斷面穩(wěn)定。復(fù)式斷面在平水期，水流集中深槽，洪水期才漫灘。過(guò)水?dāng)嗝娴乃Π霃皆诟鱾€(gè)時(shí)期都比較合適，使受水力半徑影響的水流流速與含泥量相適應(yīng)，因而沖淤變化不大，相對(duì)穩(wěn)定；單一梯形斷面則不然，洪、枯水位時(shí)的水面寬度相差不大，往往在平水期，水面過(guò)寬，水深過(guò)淺，水力半徑和水流流速偏小，含泥量與水流的挾帶能力不相適應(yīng)，因此容易淤積。

綜上所述，平原河道上的攔河節(jié)制閘即使閘檻高程高于原河道，只要設(shè)計(jì)合理，不會(huì)導(dǎo)致上游緊鄰河段的淤積。但是在節(jié)制閘關(guān)閉或在閘上水位壅高的情況下控制泄放上游來(lái)水時(shí)，上游回水路末端河段的淤積是難免的。淤積是取決于該時(shí)期上游來(lái)水的含泥量及泥沙顆粒大小，與閘檻高程高低無(wú)關(guān)。因此，平原河道上的攔河節(jié)制閘，其閘檻高程可以在高出原河床的一定范圍內(nèi)擬選幾個(gè)方案，然后根據(jù)各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和比較，選擇最優(yōu)方案。

如果攔河節(jié)制閘是引水樞紐的壅水建筑物，為了使上游河床以及水流穩(wěn)定，保證附近的進(jìn)水閘引水通暢，節(jié)制閘閘檻亦不宜過(guò)分抬高，至少不宜高于進(jìn)水閘閘檻高程。

4 單孔閘深淺孔的選擇方法

4.1 深淺閘孔布置的基本要求

一般來(lái)說(shuō)單孔節(jié)制閘的閘檻高程通常用同一個(gè)高程。這對(duì)于設(shè)計(jì)和施工，相對(duì)地都比較簡(jiǎn)單，但往往不一定是最合適的。當(dāng)閘址附近的天然河道是復(fù)式斷面，既有深槽又有淺灘時(shí)，如果節(jié)制閘各孔采用同一個(gè)閘檻高程，就與原河槽的斷面不相適應(yīng)，勢(shì)必導(dǎo)致水流分布狀態(tài)的改變，容易引起原河槽新的沖淤變化。在這種情況下，節(jié)制閘采用高低檻相結(jié)合的方式比較合適。相應(yīng)與深槽部位采用較低的閘檻，淺灘部位采用較高閘檻，平水時(shí)期利用深孔放水，洪水時(shí)才深淺孔同時(shí)打開(kāi)。在各種不同的放水條件下，均不顯著改變水閘上下游原有的流態(tài)，使其斷面保持穩(wěn)定，創(chuàng)造有利的引水條件。卡倫水庫(kù)下游韓家店閘就是比較成功的一例。運(yùn)用40年，河床很穩(wěn)定，取得了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

節(jié)制閘的深淺閘孔可以分開(kāi)布置，如果閘址位于略微彎曲的河段上，宜略偏一側(cè)，深孔位于凹岸，淺孔位于凸岸。如果閘址附近的河段比較順直，深孔可以位于中間，兩側(cè)分布淺孔。其優(yōu)點(diǎn)是兩側(cè)邊墻均較低，可以顯著減小邊墻的工程量。

4.2 深淺孔閘布置時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題

如果閘址的地質(zhì)條件和高程變化不大，而且閘檻高程允許在一定范圍內(nèi)選定，在流量以及過(guò)閘落差相同的情況下，在工程量和投資方面進(jìn)行比較，應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題：

1）淺孔閘所承受的總水平推力比深孔閘小。

試以開(kāi)敞式平底閘為例，設(shè)通過(guò)最大泄洪流量時(shí)閘上水深為H，過(guò)水總寬度為B,過(guò)閘流速為V，蓄水時(shí)期閘上水深為H1，相應(yīng)的閘下水深為H2（均以閘底板高程為基準(zhǔn)線）,則洪水水位與蓄水水位只差為：

蓄水時(shí)期閘上閘下的水位差為：

泄洪流量為：Q=VBH

蓄水時(shí)期水閘承受的最大水平推力為：

在過(guò)閘落差一定的情況下，過(guò)閘水流的流速是一定。無(wú)論水閘深度H與水閘總寬度B如何變化，兩者乘積BH是不變的。因此(1)式中的第一項(xiàng)是固定值，第二項(xiàng)括號(hào)中的數(shù)值仍是不變的，只隨著B(niǎo)值的增大而增大，P值則隨著B(niǎo)值的增大而減小。水閘閘室是依靠自身的重量維持抗滑穩(wěn)定的。閘室重量與水流的水平推力成正比，因而淺孔閘閘室的工程量比深孔閘小。

深孔閘的基底單位荷載一般比淺水閘大。如果基底單位荷載超過(guò)地基的承載力，不僅地基處理技術(shù)復(fù)雜性顯著增加，地基處理的工程量亦必然增加。

2）水閘的邊墻（包括上下游翼墻），無(wú)論其長(zhǎng)度和高度，均隨著閘底提高而減小。單位長(zhǎng)度邊墻的工程量與墻高的二次方成正比。因而淺孔閘的邊墻工程量小于深孔閘的邊墻工程量。

3）水閘上游的工程量包括鋪蓋和防沖砌護(hù)兩部分，鋪蓋長(zhǎng)度與厚度雖與閘上水深無(wú)關(guān)。如果是剛性鋪蓋，閘本身就是防沖護(hù)砌的一部分；如果是黏土鋪蓋，鋪蓋表面亦需要護(hù)砌，同樣是屬于防沖護(hù)砌的一部分。護(hù)砌的總長(zhǎng)度一般不受防滲鋪蓋長(zhǎng)度控制，只與閘上水深、單寬流量以及河道流速有關(guān)。深孔閘雖然由于總寬度減小，底部護(hù)砌的平均厚度亦隨之減小。但是由于水深和單寬流量增加，上游引河寬度與閘室前水面寬度比值增加，發(fā)揮導(dǎo)流作用的上游邊墻，其長(zhǎng)度亦然增加，河底護(hù)砌工程的長(zhǎng)度和厚度亦相應(yīng)增加。因而深孔和淺孔的上游護(hù)砌工程總工程量不會(huì)相差太大。

4）水閘下游的工程量包括消力池和防沖砌護(hù)兩部分。它們的長(zhǎng)度和厚度在閘下水流連接平順的情況下，均與閘孔單寬流量的1/2次方成正比。如果下游引河寬度與閘室后水面寬度比值過(guò)大，則下游引河中將出現(xiàn)回流流態(tài)，流速分布不均勻。下游護(hù)砌物厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受較大流速的控制，必須加厚或加強(qiáng)。護(hù)砌范圍亦必須延伸至回流區(qū)域以外，其長(zhǎng)度也不再是閘孔單寬流量的1/2次方的估算長(zhǎng)度所能控制。閘孔寬度與閘孔單寬流量的一次方成反比，但下游引河的寬度不變，因此下游護(hù)砌的平均寬度并不因閘孔加深而明顯增加。所以深孔和淺孔的下游護(hù)砌工程量也不會(huì)相差太大，常常是深孔閘大于淺孔閘。

水閘的總工程量主要由上述四部分組成。閘室、邊墻以及下游護(hù)砌工程更是最主要的部分。它們都是隨著閘孔的加深而增大，因而淺孔閘的總工程量和總投資均小于具有同樣泄流能力的深孔閘。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在閘址地質(zhì)條件滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的情況下，攔河節(jié)制閘采用較高的閘檻高程使閘室寬度接近天然河道比較適宜；不僅技術(shù)上比較簡(jiǎn)單，工程量和投資都比較節(jié)約，閘檻前發(fā)生大量淤積的顧慮也是不必要的。

2）如果洪水期水流含泥量過(guò)大，有推移質(zhì)泥沙活動(dòng)，或者泄洪水位與排澇水位相差過(guò)大，宜采用高低閘檻相結(jié)合的分布。

3）低檻高程與天然河道深槽部分的底高程相適應(yīng)。高檻高程則與淺灘高程相適應(yīng)。

4）上下游新開(kāi)挖的引渠亦采用復(fù)式斷面，與高低閘檻相結(jié)合，這樣既可以利用深孔排砂，防止閘檻前泥沙淤積；不至于過(guò)分壅高閘前的排澇水位，經(jīng)濟(jì)上亦是比較合理的。深淺閘孔的聯(lián)接在技術(shù)上是可以解決的，只要縝密的進(jìn)行設(shè)計(jì)，水閘安全性是有把握的。

Chinese traditional structure is the world's most ancient building system，it has a long history of tradition and glorious achievements，also have an important and far-reaching impact to our modern building technology and the arts.This paper studies the analyses the shortcomings in the protection of ancient buildings.Then introduce the classification and fire-retardant principles of the fire-retardant coatings.Current status was analyzed and the development trends of fire-retardant coatings were introduced too.Exploration of fire-retardant coatings apply in the ancient architecture.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.018