閘址選擇和閘孔初步設計

□李俊杰（開封市城區水利局）

閘址選擇和閘孔初步設計

□李俊杰（開封市城區水利局）

現代水閘建設，正在向形式多樣化、結構輕型化、施工裝配化，操作自動化和遙控化方向發展。文章結合相關資料，依據閘址選擇關系到工程建設的成敗和經濟效益的發揮，根據水閘承擔的任務，綜合考慮地形、地質條件和水文、泥沙、施工管理和建閘后過閘水流的形態等其他方面因素，最終選定最佳方案，并結合實際介紹了相關閘孔的初步設計要點。

水閘選址；閘孔設計要點；閘孔寬度計算

1　水閘的功能

水閘是一種利用閘門擋水和利用閘門控制流量和調節水位的水工建筑物，多建于河道、渠系及水庫、湖泊岸邊。關閉閘門，可以攔洪、擋潮、抬髙水位以滿足上游引水和通航的需要;開啟閘門，可以泄洪、排澇、沖沙或根據下游用水需要調節流量。

2　水閘的工作特點

一是土基的壓縮性比較大，承載能力相對比較低，很容易產生較大的沉降差，造成闡室傾斜，閘底板斷裂，甚至發生止水破壞塑性破壞，引起水閘失事。二是水閘泄流時，一般行進流速水頭較小，但仍具有一定的沖刷能力，土基的抗沖能力較低，容易被沖刷。此外，從水閘或溢流壩下泄的急流在受到下游渠道緩流的頂托時，容易產生水躍現象。因此，消能防沖設施要在各種運用情況時都能滿足設計要求。三是土基在滲透水流作用下，容易產生滲透變形，特別是粉、細砂地基。在閘后易出現翻砂冒水現象，嚴重時閘基和兩岸會被掏空，在地震時細砂容易液化。在滲流出逸面上應鋪設反濾層和設置排水溝槽。

3　閘址選擇和閘孔初步設計

3.1堰型選擇

寬頂堰是水閘中最常采用的一種形式。堰的厚度為2～10倍堰上水頭、堰頂水面線有一段近似為水平段的堰，它有利于泄洪、沖沙、排污、排冰、通航，且泄流能力比較穩定，結構簡單，施工方便，但自由泄流時流量系數較小,容易產生波狀水躍。

低實用堰有梯形的、曲線形的和駝峰形的。低實用堰自由出流流量系數大，水流條件較好，堰型適宜可消除波狀水躍，但當下游水深超過堰上水頭的0.60倍時，出流受尾水影響明顯，淹沒出流流量系數低，同時施工復雜。當上游水位較高，為限制過閘單寬流量，需要抬高堰頂高程時，常選用這種形式。

3.2閘底板髙程的選定

由于底板高程與水閘承擔的任務、泄流或引水流量、上下游水位及河床地質條件等因素有關，選定的是否恰當關系到閘的穩定性。

閘底板應置于較為堅實的土層上，并應盡量利用天然地基。在地基強度能夠滿足要求的條件下，底板高程定得高些，閘室寬度大，兩岸連接建筑相對較低。在大、中型水閘中，由于閘室工程量所占比重較大，因而適當降低底板高程，常常是有利的。對于小型水閘，由于兩岸連接建筑在整個工程量中所占比重較大，因而總的工程造價可能是經濟的。當然，底板高程也不能定得太低，否則，由于單寬流量加大，將會增加下游消能防沖的工程量，閘門高度增加，啟閉設備容量也隨之加大，另外,還可能給基坑開挖帶來一定的難度。

一般情況下，攔河閘和沖沙閘的底板頂面可與河底齊平；分洪閘的底板頂面也應較河床稍高，排水閘則應盡量定得低些，以保證將漬水迅速降至計劃高程，但要避免排水出口被泥沙淤塞；進水閘的底板頂面在滿足引用設計流量的條件下，應盡可能高一些，以防止推移質泥沙進入渠道；擋潮閘有排水閘作用，其底板頂面也應盡量設計低一些。

3.3閘頂高程的確定

在蓄水或擋水時，閘頂高程是指閘門頂高程，它不應低于正常蓄水位（或最高擋水位)加波浪計算高度與安全超高之和。在泄洪時，如果閘門全開，閘頂高程應指交通橋的梁底高程；如果閘門部分開啟，閘頂高程應指交通橋的梁底和閘門開啟后的門頂兩者中的較低者。按照我國《水閘設計規范》SL265-2001，在泄洪時，閘頂高程不應低于設計洪水位與相應安全超高值之和，后者的安全加高已考慮浪高因素，此處不再加浪高。

根據我國《水閘設計規范》SL265-2001，閘頂高程的確定還應考慮下列因素：①軟弱地基上閘基沉降的影響；②多泥沙河流上、下游河道變化引起水位升高或降低的影響；③在防洪堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪堤頂高程。

4　計算閘孔總凈寬

4.1當水流呈堰流時閘孔總凈寬

式中：Q—設計流量，m/s2；H0—計入行近流速水頭在內的堰頂水頭；σεm—淹沒系數、側收縮系數和流量系數，由《水閘設計規范》SL 265—2001査算；g—重力加速度。

4.2當水流呈孔流時閘孔總凈寬

式中：α—閘門開度或胸墻下孔口高度，m;σ、μ—寬頂堰上孔流的淹沒系數和流速系數，由《水閘設計規范》SL265—2001査得。

決定閘孔總凈寬L。還需選用適宜的最大過閘單寬流量。根據我國的經驗，對粉砂、細砂地基，可選取5～10m3(s·m);砂壤土地基，可取10～15m3/(s·m);壤土地基，取15～20m3/(s·m);堅硬粘土地基，取20～25m3(s·m)。

過閘水位差的選用，關系到上游淹沒和工程造價，例如：如過分壅高上游水位，將會增加上游河岸堤防的負擔，使地下水位升高，加大下游消能防沖的工程量。設計中，應結合工程的具體情況來擇定，一般設計過閘水位差選用0.10～0.30m。

水閘的過水能力與上下游水位、底板高程和閘孔總凈寬等是相互關聯的，設計時，需要通過對不同方案進行技術經濟比較后最終確定。

5　確定閘室單孔寬度和閘室總寬度

閘室單孔寬度l0根據閘門形式、啟閉設備條件、閘孔的運用要求（如泄洪、排冰或漂浮物、過船等）和工程造價，并參照閘系列綜合比較選定，大、中型水閘的單孔寬度一般采用8～12m。閘孔孔數n=L0/l0，設計中應取略大于計算要求值的整數，但總凈寬一般在計算值的3%～5%。閘室總寬度L1=nl0+（n-1）d,其中d為中墩厚度。閘室總寬度擬定后，尚需考慮閘墩等的影響，進一步驗算水閘的過水能力。

從過水能力和消能防沖兩方面考慮，閘室總寬度應與河（渠）道寬度相適應。拫據治理河工程的經驗，當河（渠）道寬B為50～100m時，兩者的比值η應≥0.60～0.75；當B＞200m時，η應≥0.85。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

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2016-05-19