某除險加固工程泄洪閘設計探討

紀中庭

(巴州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

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某除險加固工程泄洪閘設計探討

紀中庭

(巴州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000)

摘要：文章結合和靜縣烏拉斯臺河協比乃爾布呼渠進水閘除險加固工程實例，在簡單介紹工程概況的基礎上，對泄洪閘上游鋪蓋段、閘室段、消能防沖段及抗沖磨措施的設計理念與方法進行了分析和討論。施工結束后的驗收結果顯示，泄洪閘設計方案的預期目標得到了有效實現，泄洪閘的使用功能再度建立并較以往有了較大幅度的提升。同時也為協比乃爾布呼渠進水閘樞紐安全通過設計洪水提供了大力支持。

關鍵詞：除險加固；泄洪閘；閘孔寬度；消能防沖

1工程概況

和靜縣烏拉斯臺河協比乃爾布呼渠進水閘除險加固工程位于烏拉斯臺河老河道進水閘口以下9.30 km處，距和靜縣城西南20 km，距巴州首府庫爾勒市90 km。工程建成至今已運行40余年，其間經受住了多次超設計標準洪水的考驗，但是受建設年代較早、使用時間較長的影響，自2008年以來樞紐運行不正常，無法滿足泄洪要求，每年都需要投入大量的人力物力防洪及清淤，一旦該樞紐引水中斷，勢必會給灌區(qū)帶來巨大的經濟損失[1]。本次除險加固工程建設既可以恢復項目應有的使用功能，又可為灌區(qū)灌溉引水提供更多保障，增強灌區(qū)乃至和靜縣農林業(yè)的發(fā)展后勁，這對于促進和靜縣域經濟的健康、持續(xù)、快速發(fā)展是十分必要和迫切的。限于篇幅，本文僅對和靜縣烏拉斯臺河協比乃爾布呼渠進水閘除險加固工程中的泄洪閘設計進行分析和討論。

2泄洪閘設計

泄洪閘屬于平底開敞式水閘，由上游鋪蓋段、閘室段、消能防沖段共同組成，其縱軸線位于原閘址上游60m處，初步設定閘孔數為4孔。上游鋪蓋段長度為10 m；閘室段長度為10 m，屬于整體式結構，其上部設置工作橋和永久閘房；消能防沖段由護坦和防沖槽共同組成，其中，護坦長15m，防沖槽長16m，深度4.4m。

2.1　上游鋪蓋段

結合已建同類工程的設計方案，本次設計上游鋪蓋段長度取10m，采用厚度為40 cm的C20混凝土，鋪蓋前端設有厚度0.5m、深度2.5m的深隔墻。上游鋪蓋段的頂部高程與泄洪閘底部高程相同。

2.2　閘室段

2.2.1閘底板高程

新閘址位于老閘址和解放二渠渡槽之間的烏拉斯臺河河道上，河道河床狹窄、縱坡較陡，兩岸均為粉砂土，河道處于沖刷狀態(tài)。為滿足引水要求，樞紐經常需要進行攔水操作，上游河道的泥沙淤積現象較為嚴重[2]。此處現狀河床平均高程為1083.50m，為獲得更為滿意的引水沖砂效果，泄洪閘底板高程被設計為比河床高程高0.5 m，即1 084.0 m。

2.2.2閘孔總凈寬

本次工程的泄洪閘為平底開敞式水閘，底板高程1 084.0 m，所以在計算閘孔總凈寬時可采用平底寬頂堰流計算公式。

2.2.2.1上下游靜水位和行近流速

工程區(qū)所處河道地形高差較小，參考平原區(qū)水閘總凈寬的計算經驗以及樞紐運行管理資料，分別選擇閘址上游100 m處、閘址下游80m處斷面對上、下游行近流速進行計算。根據兩處斷面水深H~流量Q關系的計算結果，泄洪閘設計洪水位(p=5%)所對應的上、下游靜水位分別為1 085.63 m、1 085.11 m，對應的行近流速分別為2.23 m/s、2.17 m/s；校核洪水位(p=5%)所對應的上、下游靜水位分別為1 085.78 m、1 085.25 m，對應的行近流速分別為2.36 m/s、2.31 m/s。

2.2.2.2閘孔總凈寬B0

根據《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)的相關要求，本次設計采用的堰流計算公式對閘孔總凈寬B0進行計算。出于對安全泄洪的考慮，本次設計泄洪流量全部由泄洪閘和沖砂閘承擔。計算結果表明，泄洪閘閘孔總凈寬≥38.55 m，沖砂閘閘孔總凈寬≥2.39 m。

2.2.2.3閘孔凈寬及閘墩尺寸確認

根據閘孔總凈寬的計算結果，確定泄洪閘單個閘孔凈寬為10m，孔數為4孔；沖砂閘單個閘孔凈寬2.5m，孔數為1孔，泄洪閘和沖砂閘的閘墩厚度均為1.0m。

2.2.3閘孔寬度復核計算

根據《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)對于平底閘閘孔凈寬計算的要求，我們對閘孔寬度進行了復核計算，計算結果如表1所示。

表1　樞紐閘孔寬度計算結果

由表1可知，樞紐在過設計洪水時，水位為1 085.55 m；在過校核洪水時，水位為1 085.77 m。由于該段天然河道兩側河坎的高程約為1 085.90~1 086.90 m，因此樞紐各尺寸寬度的擬定是基本合理的。

2.2.4閘頂高程

本次工程屬于中型Ⅲ等工程，根據《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)的要求，閘頂高程應根據擋水、泄水兩種工況加以確認。

1)擋水時，閘頂高程需大于或等于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計算高度與相應安全超高值之和。正常蓄水位、最高擋水位時，安全超高的下限值分別為0.4 m、0.3 m。

2)泄水時，閘頂高程需大于或等于設計洪水位(或校核洪水位)與相應安全超高值之和。設計洪水位、校核洪水位下的安全超高下限值分別為0.7 m、0.5 m。另外，閘頂交通橋梁底高程較最高洪水位高0.5 m。

風浪要素按《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)計算，波浪平均波高、波長采用莆田試驗站公式，設計波浪爬高值則根據工程等級查表換算得出，1~3級建筑物采用累積頻率1%的爬高值(當m=0時，波浪爬高值等于波高)。閘頂超高及閘頂高程計算結果如表2所示。

表2　閘頂超高及閘頂高程計算成果

根據上述計算結果，泄洪閘閘頂高程為1 086.28 m，考慮到河道存在著較為嚴重的漂浮物淤積問題，本次設計將閘墩頂部高程在計算結果的基礎上提高至1 086.60 m，以便使樞紐泄洪保證率得到進一步的提升。

2.2.5閘室設計

采用開敞式閘室，沿水流向閘室總長度為10 m，閘墩、閘底板為整體式結構，采用C25鋼筋混凝土結構；閘墩采用C25鋼筋混凝土結構，高度3.0 m，厚度1.0 m。

2.2.6上部結構

泄洪閘上部設置檢修便橋、排架、工作橋和永久閘房，其中，檢修便橋采用鋼結構；排架和工作橋采用C25鋼筋混凝土結構；永久閘房采用15 cm厚彩鋼板結構[3]。

2.2.7閘基防滲

為提高泄洪閘的垂直滲徑，本次設計在閘室段上游設置長度為10m的鋪蓋段，并在鋪蓋段上游設置厚度為0.5m、深度為2.5m的厚齒墻，同時，于閘底板上下游分別設置厚度為1.0m、深度為2.5m的厚齒墻。

經計算，水平段水頭損失值及平均滲透坡降如下：上游鋪蓋水平段：i=0.033；閘室水平段：i=0.037；閘室出口段：i=0.111。根據《和靜縣烏拉斯臺河協比乃爾布呼渠進水閘除險加固工程地質勘察報告》，閘基主要為粉砂層，根據《水閘設計規(guī)范》(SL265—001)，粉砂地層水平段允許滲透坡降為0.05~0.07，出口段允許出逸坡降0.25~0.30。由計算結果可知，泄洪閘上游鋪蓋水平段、閘底板水平段、閘底板出口段的滲透比降均處于標準要求的范圍以內，因此泄洪閘閘基滲流穩(wěn)定滿足設計要求。

2.3　消能防沖段

2.3.1工程設計

泄洪閘后緊接自然河床的土質為粉砂層，閘后水流湍急、沖刷力較強，因此，需要在泄洪閘后設置護坦(15 m)和防沖槽(16 m)。其中，防沖槽斜坡、水平段分別長8.8 m、7.2 m，坡度1∶1，槽深4.4 m。槽底板和斜坡段均采用格賓石籠結構，厚度0.6m。結合已建同類工程施工經驗以及本樞紐工程地質的實際情況，在樞紐下游增設深隔墻，以便使防沖刷效果得到進一步的提升[4]。

2.3.2防沖深度復核

水閘后沖刷坑深度hd的計算公式為：

(1)

式中：q為護坦或海漫末端單寬流量，m3/s.m；h為護坦或海漫末端水深，m；z為護坦或海漫末端流速分布圖中最大流速的位置高度，m。若流速分布均勻，則取值50%h；a0為護坦或海漫末端流速分布的動量修正系數；ht為下游水深，m；d為(d50)床沙粒徑，m；γs、γ為床沙、水的重率，kg/m3。

由該公式我們可以看出，沖刷深度主要受流速、河床土質、樞紐單寬流量的影響。計算結果顯示，樞紐最不利沖刷深度為4.06 m，取值5 m。

2.4　抗沖磨措施

由于過閘流速過大、河水中泥沙含量較高，所以參考已建同類工程的經驗，應設置抗沖磨措施，即在閘室、消力池底板表層40 cm以及閘墩下部80 cm范圍內設置C60硅粉混凝土[5]。

3結語

施工結束后的驗收結果顯示，泄洪閘設計方案的預期目標得到了有效實現，泄洪閘的使用功能再度建立并較以往有了較大幅度的提升。項目的成功建設不僅提高了灌溉保證率，為灌區(qū)9.89萬畝灌溉面積適時適量供水提供了保障，同時也為協比乃爾布呼渠進水閘樞紐安全通過設計洪水提供了大力支持。

參考文獻：

[1]王朝江、胡彬彬，等.喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道和泄洪沖沙閘布置設計[J].水利水電工程設計，2014(03):29-31.

[2]馬軍衛(wèi).唐河水電站工程初步設計中的泄洪閘結構設計[J].科技情報開發(fā)與經濟，2009(31):143-145.

[3]盛芳.某河床式水電站泄洪閘消能防沖設計[J].四川水力發(fā)電，2011(A01):75-77.

[4]李翠芳.涼風殼電站引水樞紐泄洪沖沙閘的水工設計[J].甘肅科技，2011(22):77-79.

[5]田啟文、張敬，等.坪頭水電站2#泄洪閘基礎處理設計方案的優(yōu)化與安全性論證[J].安全與環(huán)境工程，2014(03):159-164.

[作者簡介]紀中庭(1984-)，男，江蘇邳州人，工程師，從事水工結構、水利工程的各種建筑物(橋梁、樞紐、水閘)設計等。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：TV66

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0105-03