基于張當堡排水閘消能設計綜述

袁克光

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

基于張當堡排水閘消能設計綜述

袁克光

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

為了適應渾河大堤擴建工程的要求，在原涵洞處，即張當堡地區重建一座排水閘。在洪水期，當流量大于2 000 m3/s，水流有可能通過排水閘排出。排水閘用來排除內河或低洼地區對農作物有害的漬水，當外河水位上漲時，可以關閘，防止外水倒灌。當洼地有蓄水、灌溉要求時，可以關門蓄水或從江河引水具有雙向擋水，有時還有雙向過流的特點。排水閘根據水工建筑物設計要求和設計原理進行設計。閘門設計成整體式平板單孔閘門。同時考慮到水流特征，在涵洞出口即閘后設挖深式消力池，后半部分設置排水孔。消力池與涵洞間設跌水。為滿足與下游河道水流情況相同并且減少對河岸的沖刷要求,在消力池后鋪設海漫，海漫后設置齒墻。

水閘；消力池；海漫；翼墻；護坡

張當堡排水閘位于沈陽市蘇家屯區王綱公社張當堡村，渾河左堤,原工程于1958建成，多年來擔負著王綱鄉金大臺，楊孟達，張當堡，大淑鄉西淑村，胡家店等約22 km2的洪澇積水任務，即渾沙灌區內，六分干及六五引支，前謨南部老鐵路路基與該段渾河大堤所圍成的狹長地區。其中耕地二萬余畝。原工程為磚石混合結構，單孔涵洞。現渾河大堤擴建，原工程已經不能滿足要求，因此，本著經濟安全的原則，將在原涵洞位置上進行重建。

1 排水閘消能設計

1.1 消力池設計

涵洞出口消能水利設計的主要內容為：在已知總水頭T。、出口單寬流量q及下游水位流量關系的條件下，計算、分析水流的銜接形式，判斷是否要求采取消能措施，以及確定消能設施的結構型式與尺寸。

涵洞出口消能，多采用底流消能，所謂底流消能，就是采取一定的工程措施，是水流在涵洞出口處產生水躍，利用水躍消能。底流消能主要有挖深式消力池、消力墻和綜合式消力池3種型式[1]。

1.1.1 水躍計算

確定下游水深ht，求下游水深采用試算法。

先假設一水深h,根據m,b求出相應的流量Q，若Q與設計流量10.34 m3/s一致，則h=ht否則，重新假設h，重新計算直至h=ht，Q=10.34 m3/s，此時，即為求得ht=1.28 m。

下游收縮斷面水深hc=q/φ[2g(T0-hc1)]1/2=0.65 m。取hc1=0.8m；hc=0.717m；Hc2=0.73m；hc=0.717m；Hc3=0.72m；hc=0.72m。取hc=Hc3=0.72 m。

(1)

可知為遠離式水躍,必須修建消力池，使其成為稍有淹沒的水躍。

1.1.2 水躍長度計算

水躍長度指躍前斷面與躍后斷面間的距離。計算躍長的公式很多，但多屬于經驗公式。常用的公式有：

按躍前斷面佛汝德數Fr1大小，用不同公式計算Lj：

當1.7

當9.0

在本工程設計中我國采用歐勒佛托斯基公式計算得出：Lj=12.97m。

1.1.3 消力池深d的計算

挖深式消力池，是在涵洞出口要求發生水躍的范圍內，以挖深渠底的辦法局部加大下游水深，促成淹沒水躍消能。挖深式消力池水利設計的主要任務是確定池深值S和消力池長度LB。

按構造要求，消力池最小深度取0.5 m。

取消力池池長為10 m。

1.1.4 消力池的布置要求

消力池底板由于要承受水流、脈動壓力和底部揚壓力的作用，故有一定的重量、強度和抗沖耐磨能力。材料一般選用C15～C20的混凝土做成，并配置縱向Φ10～12 mm的溫度鋼筋，間距20～30 cm或按0.1%、0.2%的含鋼率配置構造筋。大型水閘消力池底板的頂、底面均需配筋，中、小型水閘可只在頂面配筋[2]。

為了減小滲透壓力的影響，按防滲設計要求，在底板上布設排水孔，孔徑一般5～25 cm，間距為1.0～3.0 m，呈梅花布置在消力池后部，并設反濾層。一般不要設在護坦前端，以防高速水流造成局部負壓，將孔下地基土壤吸出，導致護坦失事。本工程在消力池的后半部分設置了8個排水孔，孔徑為25 cm，間距為1 m。

為適應地基的不均勻沉陷，消力池與閘底板、翼墻、海鰻之間以及消力池本身順水方向均應分縫，縫距10～20 m，地基差時為8～12 m。垂直方向通常不設縫，以保證其整體性。縫寬2.0～2.5 cm。縫的位置如在閘基防滲范圍內，縫中應設止水；否則，不用設止水，但一般都鋪設瀝青油毛氈。

為增強護坦板的抗滑穩定性，常在消力池末端設置齒墻，齒墻一般為0.8～1.5 m，寬為0.6～0.8 m，消力池末端通常還設尾檻，其作用時壅高池內水位，促使消力池能在下游水深不足時形成水躍，并控制、縮短水躍長度，將出流挑向水面，調整出池水流的流速分布，促進出池水流的擴散作用，以減少下游河床的沖刷[3]。

2 海漫設計

2.1 海漫長度計算

海漫長度可按下式估算：

L=(10～12.5)ht

(2)

2.2 海漫段防沖砌塊體尺寸的計算

海漫防沖砌護塊體的幾何尺寸，隨材料類型及施工方法的不同而有所區別。工程中常用的干砌石海漫，可按公式(3)做估算塊石直徑。

d=0.06vmax

(3)

本工程采用干砌塊石結構，按公式d=0.06v2max計算塊石直徑：

A=(b+mh)h=10.14m2

d=0.16m<30cm。

因為本工程計算塊石粒徑小于常規要求的粒徑，按規范要求進行鋪砌，海漫由30 cm粒徑塊石鋪砌。查《水力學》得砂壤土流速v0=5.0 m/s。

2.3 海漫末端的水深控制

海漫末端水深ht1可根據渠(河)床上土質的最大流速來控制。

ht1=q/v0

(4)

式中：ht1為海漫末端(防沖槽)上水深，m；q為海漫末端的單寬流量，m3/s；v0為渠(河)床土質容許流速，m/s。

計算出來的ht1值應接近于下游水深ht：若ht1ht，則偏于不安全；海漫設計中應控制其末端水深ht1小于下游水深。

具體計算過程如下：

L=(10～12.5)ht=(10～12.5)×1.28=12.8～16 m，取海漫長度L=15 m。

則：海漫末端控制水深為：

ht1=q/v0=0.34 m

上列計算結果說明本工程海漫末端的實際流速小于容許流速，則偏于安全。

2.4 海漫的布置要求

一般在海漫起始段做5～10 m長的水平段，其頂面高程可與護坦齊平或在消力池尾坎頂以下約0.5 m，水平段后做成不陡于1∶10的斜坡，以使水流均勻擴散，調整流速分布，保護河床不受沖刷。

對海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利進一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使滲水自由排出，降低揚壓力；③具有一定的柔性，以適應下游河床可能的沖刷變形。

本工程中，采用了長15 m的干砌石海漫，底面設置反濾層，末端設置高1.5 m的齒墻。

3 防沖槽設計

水流經過海漫后，盡管多余的能量得到了進一步的消除，流速分布接近河床水流的正常狀態，但在海漫后末端仍有沖刷現象。為保證安全和節省工程量，常在海漫末端設置防沖槽[4]。

在海漫末端預留足夠的塊徑>30 m的石塊，當水流沖刷河床，沖刷坑向預計的深度逐漸發展時，預留在海漫末端的石塊將沿沖刷坑的斜坡陸續滾下，散鋪在沖刷坑的上游斜坡上，自動形成護面，使沖刷不致再向上游側擴展。

3.1 沖刷坑深度計算

因為計算出來的沖刷坑深度為負值，所以本排水閘不需要設置防沖槽。

參照已建水閘工程的實踐經驗，防沖槽大多采用寬淺式的，其深度t″一般取1.5 m，底寬b取3 m，上游坡率m1=2.5，下游坡率m2=1.8。

3.2 防沖槽斷面面積計算

防沖槽斷面面積大小，取決于沖刷坑形成以后沖坑上游坡的平均坡度及堆石自槽內向坑底塌滑時塊石鋪蓋的厚度。根據有關試驗研究資料，沖刷上游平均坡度為1∶3～1∶6，下游平均坡度為1∶10或更緩。防沖槽斷面面積可按公式計算：

(5)

式中：ω為防沖槽斷面面積，m2；hd為沖刷坑深度，m；m為滑落的堆石形成的護面坡率，可取m=3～6；δ為堆石形成的護面厚度，m，可以取δ=0.3～0.5(m)。

4 翼墻與護坡

在與翼墻連接的一段河道，由于水流流速較大和回流漩渦，需要加做護坡。護坡在靠近翼墻處常做成漿砌石后接干砌石，保護范圍稍長于海漫，包括預計沖刷坑的側破。干砌石護坡每隔6～10 m設置混凝土埂或漿砌石一道，其斷面尺寸約為30 cm×60 cm，在護坡的坡腳以及護坡與河岸土坡交接處應做一深0.5 m的齒墻，以防止回流淘刷和保護坡頂。護坡下面需要鋪設各厚10 cm的卵石及粗砂墊層。

翼墻通常設于鋪蓋段，若鋪蓋上游需設防沖槽，也可以參照海漫末端的防沖槽進行布置。

[1]蔡正昆,管楓年,洪仁濟.涵洞[M].北京：水利水電出版社,1983：69-74.

[2]洪仁濟.清華大學水利學教研組.水利學上下冊[M].北京：中國水利水電出版社,1980：56-60.

[3]補慶和.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社,1996：20-23.

[4]蔡正昆,管楓年,洪仁濟.閘門與起閉機[M].北京：中國水利水電出版社,1983：79-82.

1007-7596(2014)12-0140-03

2014-04-29

袁克光(1982-)，男，滿族，遼寧本溪人，工程師。

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