自動翻板閘過流能力復核與除險加固方案比選

劉英超

（遼寧省喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300）

1 工程概況

水泉灌區水力自動翻板閘工程位于大凌河中上游，遼寧省喀左縣水泉鄉境內，壩址以上流域面積5850km2，河道比降0.1%，水閘總庫容250萬m3，灌區灌溉面積1000hm2，其中左干渠灌溉面積800hm2，右干渠灌溉面積200hm2，電站裝機容量600kW，年發電量314萬kW·h。本工程于1992年開工興建，同年建成交付使用，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發電、水產養殖、旅游為一體的水利樞紐工程。

工程從左到右分別布置有左干渠進水閘、電站進水閘、沖砂閘、水力自動翻板閘、副壩、右干渠進水閘；水閘上、下游布置有堰前鋪蓋及石籠海漫。水泉灌區水力自動翻板閘的工程等別Ⅱ等，主要建筑物的級別3級，次要建筑物的級別3級，臨時建筑物的級別4級。工程設計洪水標準20年一遇，設計洪峰流量4420m3/s，設計洪水位260.94m；校核洪水標準50年一遇，校核洪峰流量6960m3/s，校核洪水位263.12m。攔河閘正常運行水位257.5m 。

工程建成至今已運行20多年，但由于年久失修、凍融、人為破壞等原因所致，水閘目前存在諸多安全隱患，為確保工程運行多年后仍能達到設計防洪標準，需對工程進行過流能力復合及除險加固工作。

2 過流能力復核

2.1 過流能力計算

工程建于20多年前，需要對水泉灌區水力自動翻板閘除險加固工程過流能力進行復核，工程附近有上窩鋪水文站實測資料，采用武漢大學開發的《水文頻率曲線計算》軟件，得到配線成果與《大凌河規劃》、《喀左縣大凌河西支堤防工程初步設計報告》成果對比如表1。

表1 洪水計算成果對比

從表1看出，延長洪水資料系列后，各頻率洪水值逐漸減小，主要是近幾十年沒有發生較大洪水造成的。經對大凌河上下游、干支流各站的洪峰頻率分析統計參數比較，認為《大凌河規劃》參數成果較準確，符合水文規律，同時本工程設計頻率下的洪水成果也較安全。

設計洪水采用《大凌河規劃》中的洪水計算成果。即P=5%時，Q5%=4420m3/s；P=2%時，Q2%=6960m3/s。計算采用上窩鋪水文站20年一遇的洪峰流量4420m3/s，而1992年的設計洪峰流量4080m3/s，同2000年《大凌河規劃》中計算的同頻率洪峰流量相比，計算的方法相同，20年一遇的洪峰流量減少340m3/s，不符合水文規律。分析認為1992年設計時，洪水計算采用頻率法，計算過程均為手算，P-Ⅲ曲線為手工繪制，結算從繪制的P-Ⅲ曲線上查得，可能會存在較大誤差［1］。

本次計算工程所在地洪水標準可采用直接移用及面積比擬的方法，從上窩鋪水位站至壩址處集雨面積133km2，而上窩鋪水文站以上集雨面積5717km2。根據面積比擬法流域面積比值2.33%＜5%，可對上窩鋪水文站的水文資料進行移用。

上窩鋪水文站位于水泉灌區水力自動翻板閘工程上游5km處，是喀左縣唯一一座水文站，對比上窩鋪水文站與項目所在地氣象條件和自然地理條件相似，所以直接移用上窩鋪水文站的資料即可。

2.2 過流能力復核

過流能力復核可分為2種情況：

（1）當閘門未全開時（20cm≤H0≤50cm），閘門總泄量為閘門頂過流加閘下出流，如式（1）：

式中 Q為泄量(m3/s）；B為閘門寬（m），B=182m；H0為閘上全水頭 （m）；m為流量系數，m=0.45；μ為流量系數，μ=0.60-0.176e/H；e為閘門開啟高度（m）。

（2）閘門全開時（H0≥50cm），根據相應的實驗資料，如式（2）：

式中 m為流量系數，取0.36。

1992年遼寧省水利水電科學研究院根據模型所做的流量系數實驗數據［2］，采用閘寬182m，26孔翻板閘，實驗成果如表2，復核結果如表3。

表2 流量系數實驗成果

表3 泄流量計算結果

當水泉灌區水力自動翻板閘工程通過校核洪水時，上游水位超過壩頂1.12m，土壩漫頂易沖毀，攔河閘過流能力不滿足要求。

3 除險加固方案比選

3.1 除險加固方案

通過過流能力復核計算，工程現狀過流能力不滿足要求，需通過增大過流能力來保證水閘安全，有加高副壩、副壩加高且加2孔翻轉閘、副壩加高且增加4孔翻轉閘共3套方案供選擇。

3.1.1 加高副壩（方案1）

通過表3計算成果可知，在50年一遇的洪峰流量6960m3/s情況下，復核閘前水位263.12m，壩頂高程264m，現狀壩頂高程262m，從而副壩需增加2m。副壩加固后土壓力增大，邊墻穩定性存在安全隱患，所以邊墻應拆除重建。

3.1.2 副壩加高且加2孔翻轉閘（方案2）

現有翻轉閘加2孔后為28孔，攔河閘凈寬196m，閘前水位262.72m，復核壩頂高程為263.61m，因此副壩需加高1.61m，且原副壩應拆除14m新建2孔翻板閘，原邊墻必須拆除，在垂直翻轉閘軸線位置重建。

3.1.3 副壩加高且增加4孔翻轉閘（方案3）

現在翻轉閘加4孔后變30孔，攔河閘凈寬210m，閘前水位262.36m，復核壩頂高程263.25m，因此副壩需加高1.25m，且原副壩應拆除28m后，由于原副壩與翻轉閘不同軸，為了與其連接應新建副壩8m。加孔后原副壩邊墻應拆除重建，新建4孔翻板閘。

3.2 方案比選

本工程3套方案分別從投資方面、運行管理方面、過流能力方面、防治泥沙淤積方面進行比選［3］。

3.2.1 投資

（1）方案1。副壩填筑砂礫料填筑投資估算51.94萬元；由副壩加固土壓力增大，邊墻穩定性存在安全隱患，所以邊墻應拆除重建，估算投資184.03萬元，總投資235.97萬元。

（2）方案2。副壩填筑砂礫料填筑投資估算45.25萬元；新建2孔翻板閘估算投資42.32萬元；副壩邊墻拆除重建估算投資175.38 萬元，總投資262.95萬元。

（3）方案3。副壩填筑砂礫料填筑投資估算39.97萬元；副壩邊墻拆除重建估算投資166.75萬元；新建4孔翻版閘門估算投資84.64萬元。

3種方案投資估算對比如表4。

表4 方案投資估算對比

通過比選可看出，隨著翻板閘增加，方案的估算投資也越高［4］，方案1優于方案2和方案3。

3.2.2 運行管理

方案1未改變工程原有布置型式，在原有工程現狀對副壩進行加高培厚，提高了副壩防洪標準及副壩邊墻穩定性。副壩工程為永久性固定建筑物，加高完成后不需要增加管理人員日常管理任務及管理成本。

方案2、方案3均增加管理單位日常管理任務及管理費用，如水力機械的防銹、維修等養護；閘門止水橡膠等設備更新維護；閘前堆積漂浮物清理，冬季閘前除冰工作，防止閘門無法自動翻轉進行了閘前清淤工作等。

通過比選可知，方案1優于方案2和方案3。

3.2.3 淹沒面積

通過遼寧省水利水電科學研究院模型試驗及工程多年運行觀測數據可知：

（1）水泉灌區水力自動翻板閘工程閘前洪水位257.7～258m之間時，翻板閘部分開啟。

（2）當閘前洪水位超過258m時，翻板閘逐漸開至最大角度。

（3）當上游水位小于258m時，閘門開始自動關閉，上游水位小于257.7m時，閘門完全關閉。

（4）因此當工程抵御20年一遇以上洪水時，水力自動翻板閘開啟至最大角度，3套方案均能達到設計過流能力，但方案1閘前水位最高，上游淹沒區最大，但工程所在地為山區丘陵地帶，上游回水區內無村莊、重要經濟目標、交通設施等，造成的影響有限。方案1優于方案2和方案3。

3.2.4 泥沙淤積防治

本工程左岸電站進水閘與水力自動翻板閘之間布置有1孔沖沙閘，型式為隧洞式有壓涵洞，洞長30m，直徑2.0m，進口底高程251.0m，最大泄水流量29.07m3/s。

沖沙閘進口底高程低于水力自動翻板閘底板高程3.8m，能夠解決工程泥沙淤積問題；當上游洪水位高于水力自動翻板閘30cm時，閘門開啟，泄洪期間也能夠起到輔助清淤作用。因此3套方案泥沙淤積防治方面基本相當。

3.3 比選結果

（1）投資方面及運行管理方面方案1優于方案2和方案3。

（2）過流能力方面方案2和方案3略優于方案1。

（3）泥沙淤積防治方面3套方案能力基本相當。

綜合考慮水閘防洪能力和運行管理等因素優先選用方案1。

4 結語

對水泉灌區水力自動翻板閘工程進行過流能力復核，確定工程防洪能力低于設計標準，需進行除險加固工作，結合投資大小、運行管理、淹沒面積、泥沙淤積等因素3套除險加固方案進行比選，確定方案1為水泉灌區水力自動翻板閘工程除險加固方案。