高落差水閘除險加固消能設計與穩定性分析

張 巍

（遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110003）

0 引言

根據水利部全國水閘安全情況普查資料[1]顯示，我國病險水閘共有2.97萬座，約占全國水閘總數的72%，其中遼寧省大中型病險水閘163座，占全省大中型水閘的40.8%。遼寧省中部平原河流水閘普遍存在著上游泥沙淤積、下游河道違法超量濫采河砂現象，導致水閘上下游河道落差較大，形成較為特殊的高落差病險水閘[2]。在對此類水閘的除險加固過程中，遼寧地區逐步總結出普遍適用的跌坎式消能工方案[2～3]。

1 工程概況

清河攔河閘樞紐工程位于清河水庫下游20 km處河道干流，為開西灌區渠首樞紐工程，主要功能為灌溉、防洪。主體工程包括自動翻板閘27孔、調節閘8孔、進水閘8孔、消力池和海漫等，工程建筑物級別為3級，設計標準為50年一遇，閘址控制流域面積5192 km2。由于歷史條件所限，水閘設計和施工存在一定缺陷，長期帶病運行。2010年7月20日，開原市遭遇100年一遇的特大暴雨，最大過閘流量超過2000 m3/s，攔河閘下游消力池、海漫及兩側翼墻全部沖毀，閘體全部沖毀，閘室整體向下游嚴重傾斜扭曲，為保證安全和下游農業灌溉用水，需對清河閘進行除險加固。

2 除險加固方案

2.1 工程規模及標準

該閘為開西灌區渠首樞紐工程，灌溉引水流量為30 m3/s，P=2%時過閘流量為4690 m3/s，工程等別為Ⅱ等，規模為大（2）型。清河閘下游河道寬淺，失事后造成損失較小，因此建筑物級別降一級，按3級確定，防洪標準為設計20年一遇，校核50年一遇。

2.2 除險加固方案

攔河閘在原址重建，結構為無坎式平底寬頂堰，共設36孔，每孔凈寬8.00 m，閘下游設消力池與護坦，消力池后設長25 m的海漫段。除險加固采用全河閘方案，過流能力增強，設計流量Q5%=3320 m3/s時，水位為79.69 m，比原閘降低1.11 m，過閘流量3320 m3/s，比原閘增大76.7%；校核流量Q2%=4690 m3/s時，水位為80.64 m，比原閘降低1.08 m，過閘流量為4690 m3/s，比原閘增大51.6%。

3 高落差水閘消能防沖設計

清河閘設計閘底板高程為76 m，下游河底高程為72 m，工程總寬度344.14 m。根據水閘的運用要求，其上下游水位、過閘流量以及泄流方式等復雜多變，為滿足多種水力條件下消散動能與均勻擴散水流要求，與下游河道良好銜接，現就三種方案進行比選。

3.1 單級消力池方案

單級消力池的消能計算采用挖深式消力池算法，計算簡圖見圖1。

圖1 單級消力池計算示意圖

由表1可知，該方案在20年一遇設計流量下，單級消力池總長度為32.56 m，50年一遇設計流量下總長度為37.03 m。

表1 單級消力池尺寸計算結果

3.2 多級消力池方案

多級消力池設計多用于平原地區攔河閘加固，清河閘上下游河底高程相差4 m，是典型的高落差水閘，故考慮用多級消力池進行設計。根據對已建多級消力池的工程的設計及運用情況進行分析可知，多級消力池具有減少開挖量、閘門調度管理方便、便于檢修、沖刷坑較一級消力池淺等優點，但多級消力池的總長度常大于單級消力池，工程量有所增加。本工程采用二級消力池方案，計算簡圖見圖2。

圖2 二級消力池計算示意圖

先假定一級消力池的深度和坎的高度，根據上游水位和閘底板高程計算一級消力池的躍后水深hc1'，通過試算得出一級消力池尾坎頂水頭H1；以此水頭作為二級消力池的上游水深，進行二級消力池的設計，方法同挖深式消力池設計。H1=二級消力池的計算結果見表2。

由表2可知，該方案下在20年一遇設計流量下二級消力池總長度為43.06 m，50年一遇設計流量下總長度為47.94 m。

表2 二級消力池尺寸計算結果

3.3 單級跌水方案

單級跌水消能方案采用單級高跌坎式渠槽進行計算。計算簡圖見圖3。

圖3 單級跌水計算示意圖

采用下式進行計算，跌落水舌長度ld=4.30D0.27P，水舌后水深hp=D0.22P，收縮水深hc=0.54D0.425P，躍后水深hc'=1.66D0.27P，水躍長度 lj=6.9（hc'-hc），池深 S=hc'-ht，池長 ls=ld+0.8lj。式中為單寬流量。計算時首先假定池深，結合上下游河底高程差確定跌差P，進而得出消力池深的計算值，再與假定值比對，經試算確定消力池深度。消力池長度按校核流量計算成果最大，水舌長度l1=10.59 m，水躍長度l2=17.75 m，總長度L=24.79 m。

從消力池的消能效率的角度分析，消能效率Kj是躍前斷面弗勞德數Fr1的函數，可以表示為經核算，校核水位時躍前弗勞德數Fr1為2.91，相應的消能效率Kj為13.2%，因此若根據校核洪水水躍長度確定消力池長度，其消能效果并不理想，而工程投資增大很多。考慮到水閘下游無重要的防護對象，因此本工程按小流量閘孔出流確定消力池的長度與深度[4～5]，計算結果見表 3。

表3 消力池長度和深度計算結果表

根據不同的開孔數與閘孔開度時，消力池的長度和深度計算結果不同，當開兩孔、開孔高度e=1 m時，消力池的深度最深為1.632 m，同時消力池長度最長為20.982 m，因此取力池深度d=1.6 m，消力池長度L=20.5 m。

3.4 三種方案對比分析

根據3.1～3.3結果可知，在20年一遇設計流量下，單級消力池總長度為32.56 m；二級消力池總長度為43.06 m；單級跌坎式消能工其消力池長度為20.5 m。工程造價與消力池尺寸直接相關，故對于上下游落差較大的河道水閘，采用單級跌坎式消能工方案可明顯降低消能設施必需尺寸，節約工程造價。

4 高落差水閘穩定性研究

閘室穩定計算取相鄰順水流向永久縫之間的閘段作為計算單元。地震與設計洪水或校核洪水同時遭遇的幾率極小，因此在計入地震荷載時，只與正常蓄水位情況下的相應荷載進行組合[4～5]。單位寬度閘門的總地震動水壓力作用在水面以下0.54 H0處。

4.1 基底應力計算

4.1.1 閘室段基底應力計算

閘室段的穩定計算簡圖見圖4。分四種工況進行計算:工況一，施工完建期，計入自重荷載；工況二，正常擋水位，計入荷載為自重+揚壓力+靜水壓力+風荷載；工況三，校核洪水位，計入荷載為自重+揚壓力+靜水壓力+風荷載；工況四，正常擋水位考慮地震荷載，計入荷載為自重+揚壓力+靜水壓力+風荷載+地震動水壓力，為最不利工況。閘室段荷載統計表及應力計算結果見表4～表5。

圖4 閘室穩定計算簡圖

表4 閘室段荷載統計表

表5 閘室段應力計算結果

由表4～表5可知，各工況下各個閘段均滿足地基應力的要求，閘基基底應力最大值與最小值之比均小于容許值，滿足規范要求。各工況閘基底壓應力均未超過地質報告建議的允許值 392 kN/m2～490 kN/m2。

4.1.2 消力池應力計算

消力池的穩定計算簡圖見圖5。

圖5 消力池穩定計算簡圖

分兩種工況進行計算，兩種工況為:工況一，施工完建期，計入自重荷載+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力；工況二，正常擋水位，即計入荷載為自重+揚壓力+防沖槽內的靜水壓力+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力。正常擋水位時期，下游防沖槽內可能有水，其對齒墻可以產生向上游方向的推力，此推力具有阻止消力池滑動的有利作用，因此在消力池的基底應力和抗滑穩定計算時，不考慮此靜水壓力的影響。計算方法同閘室段，結果見表6。

表6 消力池應力計算結果

經計算可知，基底應力滿足地基承載力要求，基底不均勻系數滿足規范要求。

4.2 抗滑穩定計算

4.2.1 閘室段抗滑穩定計算

閘室段在完建期不受靜水壓力的影響，考慮三種工況:工況一，正常擋水位，計入荷載為自重+揚壓力+靜水壓力；工況二，校核洪水位，計入荷載為自重+揚壓力+靜水壓力；工況三，正常擋水位（地震荷載），計入荷載為自重+揚壓力+靜水壓力+地震動水壓力。計算采用摩擦公式，壩體與粗砂間摩擦系數取為0.45，計算結果見表7。

表7 閘室段抗滑穩定安全系數K值

計算結果表明，在各種工況下，水閘各段抗滑穩定安全系數滿足規范要求。校核洪水位下的閘室抗滑安全系數大于正常擋水位，是由于校核洪水時，閘門打開，水平向只有作用在閘墩上的力，故校核洪水時抗滑安全系數較正常擋水時大。

4.2.2 消力池抗滑穩定計算

消力池在完建期不受靜水壓力，但上游閘室段底部土對消力池產生主動土壓力的作用，共計算兩種工況:工況一，施工完建期，計入自重荷載+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力；工況二，正常擋水位，計入荷載為自重+揚壓力+防沖槽內的靜水壓力+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力。計算結果見表8。

表8 消力池抗滑穩定安全系數K值

由表8可知，各工況抗滑安全系數均大于允許抗滑安全系數，滿足規范要求。

5 結論

高落差跌坎式消能工是針對下游河道沖刷和采砂嚴重、上游河道淤積而形成的上下游具有較大河道落差的消能工方案。通過方案比選，提出跌坎式消能工具有結構簡單可靠、消能效果好、造價節約等特點；對閘室和消力池的基底應力、不均勻系數、抗滑穩定安全系數等參數進行穩定計算，得出其基底應力、消力池應力及抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。經過一段時間的運行，證實清河閘采取的高落差跌坎式消能工方案是安全有效的。