豐東灌區渠首火焰山節制閘重建工程設計計算

劉 振，白 斌

(1.江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029；2.四川大學水電學院，四川 成都 610207)

1 工程概況

豐東灌區位于江西豐城市東南部，屬鄱陽湖水系清豐山溪流域。豐東灌區是一座蓄引并舉，庫渠結合的多水源大型灌區，設計灌溉面積52.33×104畝，工程等別為Ⅱ等。灌區渠首工程為火焰山節制閘樞紐，其中火焰山節制閘設計過閘流量Q=987m3/s，現狀上游河道寬約106m，左岸連接渠頂高程約29.1～30.0m，右岸為火焰山。按照SL 265—2016《水閘設計規范》規定，火焰山節制閘按3級建筑物設計。除險加固工程維持水閘原有規模不變，正常蓄水位27.80m，設計洪水位29.09m，校核洪水位29.54m。

2 工程現存主要問題

火焰山節制閘樞紐工程建于1971年，位于豐城市榮塘鎮火焰山腳下，距豐城市城區約30km。工程任務主要是攔截豐水河河水，抬高閘前水位，引豐水通過萬米渡槽、勝利節制閘為低線干渠和萬米干渠提供灌溉用水。水閘現狀過流能力不足，汛期阻水嚴重。經過幾十年運行，閘門銹蝕，閘門和閘墩之間止水不嚴，漏水嚴重[1- 2]。閘門為平板閘門，無啟閉設備，無法開啟。閘墩和人行便橋混凝土都已老化、開裂、露筋、剝落，危及閘室安全[3]。水閘下游無任何消能防沖設施，下游左岸沖毀較嚴重，形成沖坑深達2～3m，危及閘室的穩定[4]。進入閘址交通困難，現只能通過渡槽頂進入，渡槽頂寬不足1m。泄洪建筑物現存典型問題，如圖1所示。

圖1 火焰山節制閘現存典型問題

根據現狀水閘的結構布置，火焰山節制閘泄洪能力復核采用開敞式平板閘按堰流公式進行計算[5]，結果表明：下游校核洪水位(P=2%)為29.37m，相應下泄流量為987m3/s，現狀水閘最大過流能力為584m3/s；下游設計洪水位(P=5%)為28.88m，相應下泄流量為610m3/s，而現狀水閘最大過流能力為397m3/s。水閘各級頻率洪水上下游水位差較大，現狀水閘泄流能力嚴重不足，水流條件差，需加大行洪斷面，恢復水閘正常的灌溉和防洪功能[6]。

3 火焰山節制閘拆除重建設計

3.1 拆除重建方案優化比選

根據現狀火焰山節制閘過流能力不足，泄水凈寬不夠，水流條件差等情況[7]，結合現狀地形，在原閘址上游約60m垂直水流方向，采用閘壩結合型式對原閘進行拆除重建。綜合考慮各方面因素，設計2個方案進行比選，即節制閘段布置左岸和節制閘布置右岸方案。

方案一：閘壩結合，節制閘左岸布置

節制閘段位于原火焰山節制閘上游60m處，垂直左岸布置。節制閘采用開敞式平底閘，設檢修、工作閘門各一道。閘室段長10.0m，閘墩頂高程為30.50m。溢流壩段緊貼節制閘布置，壩體全長50m，壩體溢流表面采用WES曲線面。節制閘及溢流壩下游設消力池，混凝土導墻分隔，分區消能，消力池底板靠下游側每2m設一排水孔。

方案二：閘壩結合，節制閘右岸布置

節制閘段除布置在右岸外，布置地點、節制閘及溢流壩結構形式等與方案一相同。

經分析，上述兩方案均可以滿足控制調節上游正常蓄水位、泄洪等要求。兩種方案在地形、工程布置、工程投資等方面相當。從工程運行管理角度，方案一節制閘段布置在左岸，可直接進閘，要明顯優于方案二。設計優選方案一，即閘壩結合，節制閘左岸布置方案。

3.2 節制閘布置

火焰山節制閘泄洪建筑物由節制閘及溢流壩組成。該閘上游校核洪水位(P=2%)為29.54m，下游為29.37m，相應最大下泄流量987m3/s；上游設計洪水位(P=5%)為29.09m，下游為28.88m，相應最大下泄流量763m3/s；正常蓄水位27.80m。

(1)閘底板高程確定

節制閘主要功能是抬高上游豐水河水位，為低線、萬米干渠提供灌溉水量。現狀水閘底板高程為25.80m。經復核、計算，確定節制閘底板高程為25.00m。

(2)結構布置

節制閘段位于河道左側，緊靠左岸布置。閘軸線長54.0m，設5孔，每孔凈寬9.0m。閘室泄流總凈寬45.0m，順水流長10.0m。采用開敞式平底閘，閘底板高程25.00m，為整體式C20混凝土底板，厚1.5m。閘左、右側每兩孔為一聯，中間一孔為一聯，共三聯，閘墩長10.0m，閘段間設伸縮縫，縫寬2cm，縫間采用紫銅片止水。閘墩頂高程30.50m，邊墩厚1.0m，中墩厚1.5m，縫墩厚1.0m，為C20混凝土。每孔設檢修、工作閘門各一道，其中檢修門為5孔共用，檢修、工作閘門均采用平面鋼閘門，工作閘門采用QP- 2×160kN卷揚式啟閉機，檢修閘門采用2×100kN電動葫蘆啟閉機。閘門正常蓄水位27.80m，頂高程28.30m，超正常蓄水位開啟閘門泄流。閘墩頂設交通橋、啟閉排架及閘房，閘房長×寬為4.5m×55m，交通橋寬2.6m，橋頂高程與閘頂高程均為30.50m。

溢流壩段位于河道右側，緊靠節制閘段布置，壩體全長50.0m。壩頂高程27.80m，壩底高程23.80m，壩高4.0m，底寬6.0m。壩體溢流表面采用WES曲線面，頂設2m寬人行便橋，人行橋橋面高程30.50m。水閘上游設置混凝土護坦，底板高程為25.0m，長10.0m，厚40cm，為C20混凝土，下設0.10m厚砂卵石墊層。節制閘及溢流壩下游設消力池，混凝土導墻分隔，分區消能，節制閘段消力池長15m，溢流壩段消力池長10m，底板高程分別為24.0m、24.5m，消力池后沒消力坎，坎高分別為1.0m、0.5m，消力池底板靠下游側每2m設一排水孔。

4 節制閘設計計算

4.1 泄流能力分析

火焰山節制閘重建工程設計為閘壩結合形式，其中節制閘段垂直水流方向靠左岸布置，為5孔開敞式水閘，單孔凈寬9m。溢流壩段緊貼節制閘布置，壩體全長50m。壩頂高程27.8m，底寬6.0m，壩體溢流表面采用WES曲線面。按SL 265—2016中堰流公式對重建的節值閘泄流能力進行復核[8]，計算成果見表1。

從表1可知：水閘校核洪水位(P=2%)為29.54m(相應下游水位29.37m，上下游水位差0.17m)，相應最大下泄流量987m3/s；設計洪水位(P=5%)為29.09m(相應下游水位28.88m，上下游水位差0.21m)，相應節制閘最大下泄流量763m3/s。與現狀水閘泄流規模相比，拆除重建后水閘上下游水位差已減小較多，重建后節制閘的泄流規模與工程實際匹配，規模適當。

表1 節制閘泄流能力分析成果

表2 節制閘閘頂高程計算成果

表3 節制閘段閘室(溢流壩)穩定計算成果表

4.2 閘頂高程確定

火焰山節制閘重建工程正常蓄水位為27.80m，設計洪水位(p=5%)為29.09m，校核洪水位(p=2%)為29.54m。波浪要素采用莆田試驗站公式計算[9]，風速Vo=15.2m/s，水域平均水深Hm=6.37m，風區長度D=530m。根據SL 265—2016《水閘設計規范》，計算得閘頂高程成果，見表2。

由表2可知，校核洪水條件下，節制閘閘頂高程為30.04m。結合現場實際地形，考慮水閘人行橋梁高度，取閘頂高程為30.5m。

4.3 閘室及溢流壩穩定性分析

根據節制閘結構布置、受力等條件，閘室設計計算采用一個閘門段進行計算[10]。閘室及溢流壩穩定性分析計算工況為：①完建工況：閘上、下游水位均低于閘底板高程25.0m；②正常蓄水位工況：上游水位27.80m，下游25.0m(下游無水)；③設計洪水位工況：上游設計洪水位(P=5%)為29.09m，相應下游水位28.88m；④校核洪水位工況：校核洪水位(P=2%)為29.54m，相應下游水位29.37m。按SL 265—2016推薦公式，計算得節制閘段閘室和溢流壩穩定性分析成果，見表3。

計算結果表明，各工況下節制閘段閘室和溢流壩沿建基面的抗滑穩定安全系數及地基應力均滿足規范要求。地基應力均小于允許承載力[σ]=300kPa，不需對地基進行加固處理。

4.4 節制閘段及溢流壩消能計算

根據火焰山節制閘低水頭、大單寬流量特點，設計采用底流消能。按水閘設計規范推薦公式進行消能計算。

節制閘段消力池計算長度為13.2m，池深0.68m，設計布置中考慮出閘室后的銜接段長1m及尾坎厚1.0m，最終確定消力池段總長15.0m，池深1.0m，底板厚度1.0m。

溢流壩在各種洪水流量情況下，下游水深均遠比躍后水深大，滿足產生淹沒水躍的條件。消能防沖設計流量(P=5%)763m3/s時，消力池最大長度為8.86m。最終確定下游消力池護坦長度10.0m，底板厚度0.70m。同時，為增強小流量情況防沖效果，在護坦尾端設深0.5m尾坎。

5 結論

火焰山節制閘是豐東灌區首部樞紐重要的攔截引水灌溉和汛期防洪工程。由于當時建設施工水平較差、設計標準偏低和管理理念滯后等因素，工程從建成運行以來防洪功能就很難得到正常發揮，加上幾十年運行，泄洪閘存在混凝土嚴重老化、泄流能力不足、泄水凈寬不滿足要求、閘門嚴重漏水、下游無消能防沖設施和左岸沖毀等問題，急需通過除險加固改造以恢復節制閘的灌溉和防洪功能。根據水閘現狀結構及泄洪能力復核結果，綜合考慮樞紐構建物功能、現狀地形和工程運行等條件，優選與工程實際相匹配的閘壩結合節制閘布置左岸的拆除重建方案。通過在原火焰山節制閘上游60m處垂直左岸布置節制閘重建工程的實施，可以有效增加水閘的擋蓄水和泄洪能力，不僅可以為灌區農業生產提供可靠、足量水資源，同時可增強節制閘自身防洪性能，減小對上游堤防的防洪壓力，確保上游兩岸堤防安全。