坎下湖電排站重建工程自排水閘建筑物設(shè)計(jì)及分析

鐘詩鵬

（潮州市潮水水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 潮州 521000）

根據(jù)《水利水電等級劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）、《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB502086-2013）、《廣東省防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)和治澇標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范規(guī)定的要求，并結(jié)合可研階段的批復(fù)意見。坎下湖電排站的工程規(guī)模確定為Ⅲ等中型工程，主要建筑物為3級、次要建筑物為4級、臨時(shí)建筑物為5級；泵站及自排水閘等主要建筑物級別為3級；泵站建筑物設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。但隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，對坎下湖電排站的防洪排澇要求也越來越高，對其進(jìn)行必要的重建改造已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 工程選址及選線

原坎下湖電排站位于韓江北溪秋西防洪堤樁號5+100處，距潮州市區(qū)約16 km，是坎下湖澇區(qū)的重要排澇設(shè)施之一，是整個(gè)澇區(qū)排澇工程的關(guān)鍵所在。電排站歷經(jīng)三十多年運(yùn)行，工程存在嚴(yán)重的安全隱患，機(jī)電設(shè)備和水工設(shè)施也因全面癱瘓而報(bào)廢，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為滿足澇區(qū)的排澇要求，改善澇區(qū)人民群眾的生活環(huán)境和生產(chǎn)條件，保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，擬對電排站進(jìn)行重建。

根據(jù)澇區(qū)地勢及現(xiàn)有排水渠系等布置情況，本次重建工程擬計(jì)劃將坎下湖電排站的自排水閘和電排站分開建設(shè)，統(tǒng)一調(diào)度。即將原電排站拆除后，就地重建一座電排站，在靠電排站左側(cè)重建一座自排水閘，電排站廠房橫向布置和自排水閘平行，電排站為側(cè)向進(jìn)水，其進(jìn)水口沿河道岸邊布置。

2 自排水閘建筑物設(shè)計(jì)

原自排水閘位于原電排站底部，共4孔，單孔凈寬3 m，總凈寬12 m，本次擬將原自排水閘拆除后，在靠泵房左側(cè)，原泵房自排涵位置重建自排水閘，水閘布置采用正向進(jìn)水，正向出水。

2.1 閘孔形式確定

閘孔形式采用寬頂堰型底板，考慮本水閘具有擋洪功能，且設(shè)計(jì)外江洪水位8.33 m（P=2%），為使閘門不致過高，在不影響泄流的前提下，在閘上設(shè)置胸墻。

閘址處河床面寬約30 m，根據(jù)河道面寬按構(gòu)造設(shè)計(jì)初選閘孔總凈寬為15 m，閘室總寬度為19.4 m，水閘閘室寬度占河道寬度比為0.65，基本滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求水閘閘室寬度占河道寬度0.6～0.75的一般要求。同時(shí)考慮到該水閘孔數(shù)不宜設(shè)置太多，根據(jù)規(guī)范要求水閘孔數(shù)少于8孔時(shí)，宜去單數(shù)孔，經(jīng)綜合考慮，本次該自排水閘取閘孔總數(shù)為3孔，單孔凈寬5 m，閘身總長度（垂直水流）18.4 m[1]。

根據(jù)該自排水閘的運(yùn)行工況，在圍內(nèi)外水位均低于2.35 m時(shí)的日常運(yùn)行工況時(shí)，水閘處于開啟狀態(tài)，為保證水閘日常運(yùn)行時(shí)，防止水閘上游的漂浮物在水閘上游淤積，兼顧使閘門不致過高，本次設(shè)計(jì)取胸墻底部高程為3.95 m，高出設(shè)計(jì)起排水位（2.35 m）1.6 m，可以滿足閘門板的基本高寬比構(gòu)造要求和水閘上游不至淤積的要求。

2.2 自排水閘自排能力計(jì)算

在水力計(jì)算中可采用閘孔的過流公式來計(jì)算其過流能力。因此，在調(diào)節(jié)計(jì)算過程中可能出現(xiàn)堰流和孔流兩種流態(tài)。

（1）孔流和堰流的判別

e/H≤0.65為孔流；e/H＞0.65為堰流。對于本次設(shè)計(jì)的自排水閘，根據(jù)其運(yùn)行工況，當(dāng)外江水位高于或等于2.35 m時(shí)，自排水閘關(guān)閘并開機(jī)排水。此時(shí)為自排水閘為搶排，搶排時(shí)考慮到水閘關(guān)閉的需要一定的時(shí)間，本次設(shè)計(jì)按水閘上下游最大水頭差0.1 m的過流能力作為自排水閘的最大搶排流量，此時(shí)的搶排流量為自排水閘的設(shè)計(jì)工況下的最大過流能力。

自排水閘過流能力e/H遠(yuǎn)大于0.65，按堰流公式進(jìn)行計(jì)算。

（2）過流能力計(jì)算公式

根據(jù)閘的形式，采用寬頂堰過流公式計(jì)算流量。

堰流計(jì)算公式：

式中：B0為閘孔總凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；g為重力加速度，可采用9.81，m/s2；m為堰流流量系數(shù)，可采用0.385；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)（按公式求得）；σ為堰流淹沒系數(shù)（按公式求得）。

式中：b0為閘孔凈寬，m；dz為中閘墩厚度，m；bb為邊閘墩順?biāo)飨蜻吘壘€至上游河道水邊線之間的距離，m；N為閘孔數(shù)。經(jīng)計(jì)算得ε=0.955。

式中：hs為由堰頂算起得下游水深，m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m。

經(jīng)計(jì)算得，自排水閘最大過流能力為Q=56.43 m3/s，大于電排站設(shè)計(jì)自排計(jì)算流量14.69 m3/s，而且改建的自排水閘由原來的涵洞出流改為自由開敞出流，電排站自排水閘重建后，自排能力有較大提高。

（3）閘底高程的確定

自排水閘處上下游渠道底高程經(jīng)實(shí)測約為0.25 m，為了使閘身不致太高，同時(shí)防止閘底淤積，將閘底板高程適當(dāng)提高。閘底高程的確定，在滿足泄流條件的情況下，將閘底高程定為0.45 m。

2.3 自排水閘處堤頂高程確定

擋水時(shí)的堤頂高程（該處堤圍為30年一遇防洪設(shè)計(jì)，本自排水閘提高一個(gè)等級，按50年一遇防洪設(shè)計(jì)），擋洪時(shí)（P=2%，水位 8.33 m），吹程 D=100 m，風(fēng)速 V=18 m/s，水深 7.89 m，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的波浪公式計(jì)算得自排水閘處堤頂高程d=8.85 m；排澇時(shí)的涵閘頂高程：圍內(nèi)最高運(yùn)行水位4.52 m；涵閘頂高程d=4.95 m[2]。

由以上計(jì)算可知，在各種條件下，所需最大自排水閘處堤頂高程為8.85 m，設(shè)計(jì)取自排水閘處堤頂高程為8.90 m，滿足要求。

3 自排水閘消能防沖及穩(wěn)定性分析

3.1 自排水閘消能防沖設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)泵站的自排水閘的運(yùn)行工況，其閘門開關(guān)時(shí)其上下游水位基本相同，所以，但考慮到水閘操作的存在一些不確定因素，本自排水閘的消能設(shè)施仍按構(gòu)造要求進(jìn)行布置消能防沖設(shè)施。在自排水閘的下游布置消力池及海漫、防沖槽，消力池長5.5 m，寬18 m～19 m，海漫長4.5 m，寬約22.2 m，下接堆石防沖槽。自排水閘的上游布置長10 m鋼筋砼鋪蓋，坡度為1∶20；為防止自排水閘擋洪時(shí)出現(xiàn)反向滲透破壞，在鋼筋砼鋪蓋上游設(shè)10 m長二級反濾壓重層，從下層至上層依次為中、粗砂墊層厚150 mm、碎石墊層厚150 mm、干砌石厚300 mm。在消力池底板下鋪設(shè)二級反濾層，中粗砂厚150 mm，碎石厚150 mm，消力池底板設(shè)4排排水孔，排水孔為φ50硬塑管，梅花型布置，間距2000 mm×2000 mm。

根據(jù)自排水閘的工作特性，可不必設(shè)置消力池，但考慮到自排水閘運(yùn)行過程中操作的不規(guī)范性，仍在閘后按構(gòu)造要求設(shè)一消力池，池長5.5 m，池深0.5 m，尾坎高0.5 m。消力池后設(shè)海漫，長4.5 m，海漫尾端布置防沖槽。

3.2 穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

自排水閘穩(wěn)定計(jì)算選用能夠反映自排水閘各種運(yùn)行條件的四種荷載組合，其中基本組合兩種，特殊組合兩種，對自排水閘穩(wěn)定進(jìn)行分析。

墻后回填粘土，閘底板和地基摩擦系數(shù)取f=0.35(地基為粉質(zhì)粘土，考慮樁基礎(chǔ)的影響)。公路橋?yàn)樗募壒罚嚭奢d等級為公路—Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。地基允許承載力，工程主要建筑物基礎(chǔ)置于地質(zhì)勘察中的第3層（粉質(zhì)粘土層），該層綜合分析承載力特征值為70 kPa。

經(jīng)分析，各種工況下，自排水閘抗滑穩(wěn)定滿足要求，自排水閘基底應(yīng)力P均大于[R]，最大基底應(yīng)力大于1.2[R]，自排水閘基底應(yīng)力最大值與最小值之比小于允許值。因此，本自排水閘地基應(yīng)力不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)分析計(jì)算，本次重建工程擬計(jì)劃將坎下湖電排站的自排水閘和電排站分開建設(shè)，統(tǒng)一調(diào)度。重建水閘閘孔形式采用寬頂堰型底板，閘孔總數(shù)為3孔，單孔凈寬5 m，閘身總長度（垂直水流）18.4 m。自排水閘最大過流能力為Q=56.43 m3/s，考慮本水閘具有擋洪功能，在不影響泄流的前提下，在閘上設(shè)置胸墻。在各種條件下，所需最大自排水閘處堤頂高程為8.85 m，設(shè)計(jì)取自排水閘處堤頂高程為8.90 m。

（2）根據(jù)自排水閘的工作特性，可不必設(shè)置消力池，但考慮到自排水閘運(yùn)行過程中操作的不規(guī)范性，仍在閘后按構(gòu)造要求設(shè)一消力池，海漫尾端布置防沖槽；考慮各種工況，自排水閘抗滑穩(wěn)定滿足要求，但水閘地基應(yīng)力不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。