某灌區水閘工程設計

崔洋

（北京市密云水庫管理處，北京 101512）

0 引言

目前灌區的建設與灌溉工作離不開水閘，水閘在水利工程都起到防滲排水與防范水流危險的重要功用，因此做好水閘的設計工作十分重要。 在灌區中，水閘的構成較為復雜，通常包含了防滲漏排水設施、閘室、消能防沖設施等。在進行水閘設計時，要結合項目的具體情況，從水閘的設計要點著手分析，針對性地設計水閘，同時盡可能節約資源，把不同類型的水閘設置于同一個水利樞紐當中。

1 工程概況

項目區干渠和支渠總計長度44.38 km；渠系建筑物總計33座，其中干渠上水閘7座、農橋4座，一支渠上農橋3座，二支渠上農橋4座，三支渠上水閘1座、農橋7座，四支渠上水閘2座、農橋3座，五支渠上農橋2座。

2 項目區地形及氣象

2.1 地形

項目區地形平坦開闊，地貌單一，地基土分布有規律，無其他不良地質作用。地勢西北高東南低，稍有傾斜，地面高程在57～81 m之間，地面坡降1/2 000～1/40 00。

2.2 氣象

項目區屬溫帶季風氣候，四季分明溫差較大，光照資源豐富。春季降雨較少，夏季雨量集中，秋高氣爽長日照，冬季氣溫低較干。多年平均氣溫14.30 ℃，極端最高氣溫40.60 ℃，降雨量多集中在6—8月份，占全年降雨量的56.70%左右，年內最大月與最小月降水量相差懸殊，多年平均以7月份降水量最多，為160 mm；最小月降水量多發生在1月份，多年平均約9.20 mm，多年平均水面蒸發量1 018.80 mm。

1956—2016年縣多年平均年降水量667 mm，CV值為0.24，降水總量7.40億m3。P=20%保證率降雨量為794 mm，P=50%保證率降雨量為654 mm，P=75%保證率降雨量為554 mm，P=95%保證率降雨量為427 mm。見表1。

表1 蘭考縣分區年降水量特征值表

3 水閘工程設計

3.1 水閘工程

節制閘：為控制渠道水位、調節流量，保證灌溉期用水，在渠首無節制閘或節制閘已損壞的渠道渠首配套節制閘。

分水閘：分水閘主要布置在上級渠道向下級渠道分水處，其作用是控制和調節向下級渠道的配水流量，在渠道上合理設置分水閘。

退水閘：退水閘位于渠道末端、重要渠系建筑物或險工渠段上游，作用是限制排水，控制排水流量，在無退水閘的渠道上配套退水閘，退水閘下設退水溝，為自然排水溝。

新建水閘10座（其中渠首2座，一支渠1座，二支渠1座，三支渠3 座，四支渠1 座，五支渠2 座），重建水閘2 座（三支渠1座，四支渠1座）。

新建水閘的必要性：新建水閘一部分起到從干渠引水，并控制流量的作用，另一部分起到退水的作用。其余拆除重建的老閘均位于原來的位置，灌溉時起到控制流量，輪灌農田作用。節制閘及進水閘閘室結構采用開敞式，上、下游為現澆混凝土重力式墩墻與護坡相結合的聯結形式，出口為底流式消能，并設有防沖海漫。現以三干渠渠首0+118處節制閘為例簡述其設計過程。

3.2 工程設計

3.2.1 渠道設計

三支渠渠首節制閘位于樁號0+118 處，設計流量Q=4.26 m3/s，設計水頭0.10 m。設計渠道底寬：上游2.50 m，下游2 m；渠底比降：1/10 000；邊坡：上游1:1.50，下游1:1.50。

3.2.2 建筑物等級

三支渠渠首節制閘設計過閘流量為4.26 m3/s，根據《灌溉與排水工程設計規范》第2.0.6條，此水閘按4級建筑物設計。

3.2.3 閘孔尺寸選定

閘孔寬度。根據該處的河底高程，結合原閘的運行情況和渠道水面線計算，進水閘設計閘底板高程為支渠渠首渠底高程，節制閘底板為所在渠（溝）道渠底高程一致，過閘水位差0.10 m。

水閘上下游水頭差較小，過流時處于淹沒狀態，對平底堰流式水閘，閘孔總凈寬由《水閘設計規范》附錄A公式（A.0.2）計算。

式中：μ0——淹沒堰流的綜合流量系數；B0——閘孔總凈寬（m）；H0——計入行近流速水頭的堰上水深（m）；hs——下游水深（m）。

根據上式進行計算，所需閘孔寬度為1.90 m。擬定節制閘為單孔，閘孔凈寬2 m。

3.2.4 消能設計

消力池長度計算如下：

式中：Lsj—消力池長度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正系數，采用0.75；Lj—水躍長度，m。

水閘常用的消能方式為底流消能和挑流消能，平原地區的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流式消能。此工程均采用深挖式消力池。

3.2.5 防滲設計

初擬防滲長度應滿足式

式中：L—閘基防滲長度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和（m）；C—允許滲徑系數值。由于此工程為含細粒土砂地基，取9；H—上，下游最大水頭差（m）。

則，L=9 m×1.70 m=15.30 m

防滲設備尺寸及構造：閘底板順水流方向長度據閘基土質，系數A 取2.5；L=2.50 m×1.70 m=4.25 m。①經綜合考慮上部結構布置及地基承載力等要求，確定閘底板長度為7 m。②閘底板厚度取0.80 m。③閘底板齒墻厚度取為0.50 m。④鋪蓋長度3～5倍上下游水頭差；取6 m。⑤上游連接段與鋪蓋之間也設有止水。

根據以上設計數據，實有長度L=21.41 m ＞CH=15.30 m安全。

3.2.5.1 上游連接段

連接渠長6 m 采用厚0.15 m 的現澆C25 混凝土護坡和厚0.20 m 的混凝土護底；上游鋪蓋為0.40 m 的現澆C30 混凝土，長6 m，護坡為混凝土結構。

3.2.5.2 閘室段

該段為新建閘室段，閘室開敞式混凝土結構，凈寬2 m，1孔。底板為平板式，閘底板長度為7 m，厚度d=0.80 m，C30 鋼筋混凝土結構。底板上下游均設置齒槽，齒槽深0.50 m。閘墩為實體式，閘墩長7 m。工作閘門為鑄鐵閘門，門寬2 m，高2 m，采用QL-8 t螺桿式啟閉機。

3.2.5.3 消能防沖段

消力池陡坡連接段，長2.40 m，坡度為1：4，其下設5～20 mm小石子墊層0.20 m 厚，設1～5 mm 礫石墊層0.20 m 厚，設0.50～1 mm粗砂墊層0.20 m厚。消力池段，為深挖式消力池，池長10 m，池深0.60 m，底板厚0.40 m，消力池底部設排水孔，排水孔間距1 m，呈梅花狀布置。

防沖槽長度4 m，為現澆0.60 m厚的C30混凝土。

3.2.6 閘室穩定計算

3.2.6.1 計算工況

節制閘1 孔，孔凈寬2 m，閘室長度2 m，閘室穩定計算考慮以下兩種工況：

①完建工況（竣工期）：閘室上、下游均無水，僅考慮永久荷載及可變作用中的風荷載和人群荷載。②設計工況1（關門擋水）：閘上為設計水位，閘下無水。③設計工況2：上游設計水深1.98 m，下游水深1.84 m。

3.2.6.2 抗滑、抗傾覆穩定計算

3.2.6.2.1 計算參數

根據勘探資料和閘室布置情況，閘基坐落在粉質壤土層上，其地質參數建議值為混凝土與地基摩擦系數f=0.30，C=15 kPa、φ=21°，承載力特征值為120 kPa；墻后回填土料選用中粉質壤土φ=25°，C=0 kPa，飽和容重取19.39 kN/m3，浮容重取10 kN/m3。

3.2.6.2.2 荷載組合

依據規范要求計算荷載組合包括基本荷載組合和特殊荷載組合，穩定計算工況荷載組合見表2。

表2 閘室穩定計算荷載組合表

3.2.6.2.3 閘室抗滑、抗傾穩定計算及閘基應力計算

閘室抗滑穩定計算主要核算閘基面上的抗滑安全系數，采用抗剪強度計算公式：

式中：Kc—抗滑穩定安全系數；f—閘室與閘基接觸面抗剪摩擦系數；∑G—作用在閘室上全部豎向荷載；∑P—作用在閘室上全部水平荷載。

3.2.6.3 閘室穩定計算

閘室穩定計算采用三種工況：完建期、閘門正常擋水位1.984 m，閘下無水（工況1）；上游設計水位1.984 m，下游水位1.844 m（工況2）。計算成果見表3。

表3 2閘室穩定計算成果表

閘門啟閉設備應根據運用要求、孔口布置、閘孔數、工作級別、啟門力大小，并結合經濟指標選定，此工程涵閘均為螺桿式啟閉機，一機對一門。啟門力按下列公式計算：

式中：ηT——摩擦阻力安全系數，可采用1.20；n′G—計算啟門力用的閘門自重修正系數，可采用1.00～1.10；G—閘門自重，kN，當有拉桿時應計入拉桿重量；計算閉門力時選用浮重，kN；WS—作用在閘門上的水柱壓力，kN；Gj—加重塊重量，kN；Px—下吸力，kN；Tzd=f2P—滑動支承摩阻力，kN；TZS=f3PZS—止水摩阻力，kN。

經計算，典型設計中（三支渠渠首節制閘），閘門選用PZM鑄鐵閘門2.00 m×2.00 m（寬×高），啟閉機為單吊點螺桿式，80 kN。

4 結語

在水利工程中，水閘是非常重要的組成部分，水閘設計在整個水利工程項目設計和施工中占據重要地位，因此，需要對水閘設計工作予以高度重視。每個水利工程的水閘建設條件與環境各不相同，對水閘的設計需求也大為迥異，這需要工程設計人員從灌區水閘的建設實際條件與影響因素出發。文章根據項目區概況有針對性對水閘進行設計，就設計中防滲、消能、閘室穩定等問題進行詳細分析，為水閘有效地發揮作用提供保障，也為灌區水利工程的建設安全與區域水利危險控制打下堅實的基礎。