高堂水閘攔河閘設計及計算

何艷麗

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635）

攔河閘的主要作用是在枯水期關閉閘門抬高上游水位，以滿足航運、灌溉、發電引水和城鎮供水的要求；在洪水期開閘泄洪，確保上游供水位不超過防洪限制水位，同時控制下泄流量不超過下游河道的安全泄量。饒平縣高堂水閘是潮州市第一大排水閘，50年一遇校核過閘流量為2160 m3/s。本文針對高堂水閘攔河閘進行設計計算。

1 水閘概況

饒平縣高堂水閘是一座以灌溉為主、結合供水的大型水閘工程，是潮州市第一大排水閘，50年一遇校核過閘流量為2160 m3/s，最大過閘流量3710 m3/s，工程等別為Ⅱ等大（2）型水閘工程。樞紐布置從左至右依次為左岸對外連接道路段、左岸土堤連接段、攔河閘段、中間土堤連接段、節制閘段、右岸連接土堤段。

2 攔河閘設計及計算

2.1 閘室穩定及基底應力

閘室采用兩孔一聯的鋼筋砼整體結構，地基為中粗砂和礫沙，根據地質資料，地基承載力標準值為230 kPa～280 kPa，閘基底面與地基間的摩擦系數建議為0.4～0.5，計算采用0.40。根據《水閘設計規范》（SL265-2016）閘室的抗滑穩定采用公式（1）計算:

式中:Kc為沿閘室底面的抗滑穩定安全系數；f為閘基底面與地基之間的摩擦系數；∑G為作用在閘室上的全部垂直荷載；∑H為作用在閘室上的全部水平荷載。

閘室基底應力采用公式（2）計算:

作用在閘室上的荷載主要包括自重、水重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、波浪壓力、地震荷載等，據此進行各計算工況的設計。

（1）基本組合

①完建情況:閘上、下游均無水；

②正常蓄水位情況:閘上游正常蓄水位8.715 m，閘下游無水；

③設計洪水位情況:閘上游水位10.32 m；閘下游水位10.20 m。

（2）特殊組合

①檢修情況:閘上游正常蓄水位8.715 m，閘下游無水；

②校核洪水位情況:閘上游水位11.64 m，閘下水位11.4 m；

③地震情況:閘上游水位8.715 m，閘下游無水，遇7度地震。

閘室在各種工況下的抗滑穩定安全系數及基底壓應力見表1。

表1 閘室基底應力及抗滑穩定計算成果

從表1中可看出，閘室抗滑穩定滿足《水閘設計規范》要求，基底應力值較小且分布均勻。閘基上下游應力均小于閘基允許承載力，無拉應力產生，閘室布置比較合理。

2.2 水力設計

2.2.1 泄流能力

根據水閘的運行調度要求，當水閘宣泄洪水時，閘門打開，全部來水由水閘下泄，此時過閘水流為堰流。水閘泄流能力計算根據《水閘設計規范》采用公式:

式中:σ為堰流淹沒系數；ε為堰流側收縮系數；m為堰流流量系數，采用0.385；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計入行近流速的堰上水頭，m；Q 為過閘流量，m3/s。

在各種泄洪頻率下，水閘的泄流能力計算成果見表2。由表2可知，在各種泄洪頻率下，上下游水頭差均在0.3 m內，水閘的泄流能力滿足要求。

表2 水閘泄流能力計算成果表

2.2.2 消能防沖

根據水閘運行調度要求，水閘上游正常運行水位為8.715 m。當上游水位高于8.715 m時，根據上游來水量開閘泄水，保持水閘上游水位處于正常蓄水位8.715 m。攔河閘的運行要按多孔同步、對稱分擋的原則啟閉，嚴禁一孔開到頂集中泄流。

（1）在保持閘上正常蓄水位8.715 m的情況下，宣泄上游多余的來水量。此時使用閘門控制泄水量，相應的下游水位根據下游河道的水位流量關系曲線確定。閘門開啟按照閘孔同步、分檔開啟的原則，分檔高度按1/10上游水頭計算，每檔高度取0.4 m。

（2）上游來水量達到設計洪水流量2430 m3/s時，閘門全開宣泄設計洪水。

消能防沖計算采用《水閘設計規范》附錄B的有關公式進行計算。水閘最大上下游水位差達9.285 m，為了更好的與下游河床銜接，考慮設二級消力池。寬頂堰、一級消力池和二級消力池之間設置1:4的坡段連接，消力池為鋼筋砼結構。

在不同下泄流量、不同閘門開度下對二級消力池進行計算，計算成果見表3。

表3 水閘二級消力池計算成果表

計算結果表明，二級消力池在流量為10780 m3/s時，消力池池深最大，為1.20 m，故二級消力池池深定為1.2 m；流量為2430 m3/s時，消力池池長最大，為41.82 m，故二級消力池池長定為42 m。二級消力池尾檻頂高程為-0.8 m。

2.3 基礎處理及防滲

水閘地基為中粗砂和礫沙，承載力較高。考慮到原有水閘已運行多年，沉降基本穩定，基礎密實度相對較好，可采用天然基礎，不必振沖密實。

根據《水閘設計規范》，擬定的閘基防滲長度應滿足下式要求:

式中:△H為上、下游水位差，m；L閘基防滲長度，m；

根據地質報告，閘基②-3層砂卵礫石允許水力比降為0.20。上下游水頭差為8.315 m，防滲長度為45.6 m，計算滲流坡降為0.18，基本滿足允許水力比降的要求。

由于閘基為中粗砂、礫砂，粗砂、礫砂和砂卵礫石滲透系數為5.75×10-1cm/s～2.13×10-2cm/s，具強透水性。若僅采用水平防滲，無法解決透水地基產生滲漏量過大的問題，因此水閘防滲措施采用砼防滲墻，墻底入全風化層2 m，防滲墻平均深度約10 m。

3 結論

（1）高堂水閘攔河閘設計閘室總凈寬125 m，共設10孔，單孔凈寬12.5 m，閘室抗滑穩定滿足《水閘設計規范》要求，基底應力值較小且分布均勻。閘基上下游應力均小于閘基允許承載力，無拉應力產生，閘室布置比較合理。

（2）在各種泄洪頻率下，上下游水頭差均在0.3 m內，水閘泄流能力滿足要求。

（3）閘底板順水流方向長16.0 m，底板頂高程△4.8 m，底高程△2.8 m，水閘采用平板鋼閘門，閘室采用兩孔一聯整體式結構，閘室檢修平臺與閘墩整體澆鑄，水閘邊墩厚度為2.0 m，中墩厚度為2.0 m，縫墩厚度3.0 m，閘室檢修平臺高程13.5 m。

（4）閘下游消能防沖采用底流消能方式，設二級消力池。