小山口二級水電站引水閘設計

（廣東粵港供水有限公司，深圳市，518021） 閆軍南（黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州市，450003） 孫永波

1 工程概況

新疆小山口二級水電站位于巴音郭楞蒙古自治州境內的開都河小山口電站下游7.5km 處，無壓引水電站，工程規模為中型。發電引用小山口電站尾水，根據樞紐布置，需在小山口電站尾水渠左側修建一座引水閘，即為小山口二級水電站引水閘。該引水閘設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準200年一遇，抗震設防烈度為8度。

小山口二級水電站引水閘運行方式一般是全開引水發電。該閘直接從小山口水電站尾水渠取水，其縱向軸線與小山口尾水渠軸線夾角41°，閘后連接小山口二級水電站引水渠。引水閘設計引水流量為196.5m3/s，閘前設計引水位為1 278.62m，閘前設計壅高水位為1 279.11m。為防止泥沙進入渠道，在引水閘前引渠首部設攔沙坎，坎頂高程1 275.10m，高于相應位置退水渠底板0.5m。

為使水流平順過閘，閘室前布置20m的扭曲面段及10m 的矩形斷面段引渠。扭曲面段引渠翼墻由混凝土貼坡翼墻漸變到混凝土半重力式翼墻：貼坡翼墻端部斷面的迎水面邊坡坡度為1：1.75，底部邊坡坡度為1：1.69，翼墻高度為9.60m，齒墻寬度為2.0m，頂部護肩寬度為0.5m；半重力式翼墻高度9.60m，基底寬度為8.60m，立板墻背設有兩個轉折點，第一轉折點在離墻頂5.0m 處，坡度為1：0.2；第一轉折點以下2.27m 處設第二轉折點，坡度為1：0.8；底板設一個轉折點，坡度為1：2。矩形斷面引渠采用半重力式翼墻。引渠底板采用0.5m 厚混凝土襯砌，上下游端均設齒墻。

引水閘采用平底閘，三孔一聯，單孔凈寬為6.0m，中墩寬度為1.2m，邊墩寬度為1.5m，閘墩頂高程為1 280.95m，閘室底板高程為1 272.35m，閘室總寬23.4m，閘室長14.5m。為改善閘墩的受力條件，在閘室頂部現澆梁板結構，梁斷面為0.30m×0.6m（寬×高），板厚度為0.30m，其中閘室頂部梁板結構上游側4.5m范圍為交通橋，其余的為工作橋。閘室采用C25 混凝土，抗凍、抗滲標號分別為F250、W6；二期混凝土和交通橋、工作橋采用C30混凝土，抗凍標號分別為F250。

工作閘門采用平板鋼閘門，啟閉設備采用卷揚機型式，啟閉機室采用鋼筋混凝土框架結構。上、下游側各設一道檢修門，采用鋼板疊梁門，啟閉設備采用定滑輪起吊型式，該起吊設備布置在工作閘門啟閉機室的外懸挑梁上。

閘室后布置長16.4m 深0.7m 的消力池，消力池底板厚0.8m，兩邊為半重力式翼墻，翼墻高度10.30m，基底寬度為9.30m，立板墻背設有兩個轉折點，第一轉折點在離墻頂5.0m 處，坡度為1：0.2；第一轉折點以下3.0m處設第二轉折點，坡度為1：0.8；底板設一個轉折點，坡度為1：2；消力池后30m的扭曲面渠段，15m設置一道伸縮縫，由半重力式翼墻漸變到渠道貼坡翼墻，與小山口二級水電站引水渠道銜接，擋墻體型同閘前段。

小山口二級電站引水渠為混凝土面板襯砌，底寬為3.80m，渠邊坡坡比為1:1.5，縱坡為1/5 000，糙率取0.014。小山口二級水電站引水閘平面布置圖見圖1。

圖1 小山口二級水電站引水閘平面布置圖

2 地質條件

小山口電站尾水渠地質條件為砂礫石層、泥巖（微膠結）和砂礫巖（微膠結），基礎承載力為425.0kPa，抗剪摩擦系數為0.45。小山口二級電站引水閘即座落該層基礎上。

3 引水閘上下游翼墻形式比選

引水閘上游直段翼墻和下游消力池段翼墻高均為9.60m，適合采用半重力式或扶壁式翼墻。

半重力擋土墻主要由立板和底板組成，可采用低標號的混凝土，不用或僅用少量鋼筋。它的主要特點是施工簡易，并可分期施工；地基應力小而均勻，適用于軟弱地基和地下水位較高的情況。

扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，由立板（立壁）、底板及扶壁組成。扶肋把立壁同底板連接起來，起加勁的作用，以改善立壁和墻踵板的受力條件，提高結構的剛度和整體性，減小立壁的變形。它的主要特點是構造簡單、施工方便，墻身斷面較小，自身質量輕，可以較好地發揮材料的強度性能，能適應承載力較低的地基。

通過做兩種擋土墻的結構設計，采用單寬1.0m擋土墻計算工程量，見表1。

經比較，半重力式翼墻投資造價比扶壁式翼墻要略低一點。同時半重力式翼墻則具有立模較為簡單、施工簡易的優點，本工程選半重力式翼墻為推薦方案。

4 引水閘水力計算

引水閘過閘水位差取0.18m。引水閘處于高淹沒度（hs/H0≥0.9），閘孔總凈寬按《水閘設計規范》SL265-2001附錄A公式（A.0.2-1）、（A.0.2-2）計算：閘孔總凈寬：

淹沒堰流的綜合流量系數：

其中，設計引水流量為196.5m3/s，閘前水深為H=6.26m，閘后水深hs=6.09m。引水閘過流能力計算成果見表2。

根據計算結果，選定閘孔寬度為3×6m（孔數×單孔寬）。

5 引水閘消能設計

表1 擋土墻工程量比較

表2 閘孔總凈寬計算成果表

當引水閘在引水渠道檢修完成后開閘泄水時，為保護渠道襯砌結構，考慮在引水閘后設置一消力池。根據《水閘設計規范》SL265-2001 附錄B 公式（B.1.1-1）～（B.1.1-4）計算消力池深度，閘前水深取H=6.27m，渠道下游水深取閘門不同開度下對應流量的臨界水深。根據經驗，當閘門為小開度0.2時，消力池深度為0.67m，長度為16.34m。計算成果表見表3。

表3 小山口二級引水閘消力池計算成果表

表4 閘室穩定計算工況及荷載組合表

根據計算結果，小山口二級引水閘消力池長度取16.4m，深度為0.70m，消力池段總長度18.0m。由《水閘設計規范》SL265-2001 附錄B.1.3 條，對消力池抗沖抗浮計算，消力池底板厚度取0.80m，滿足要求。引水閘縱剖面圖見圖2。

圖2 引水閘縱剖面圖

6 引水閘穩定、結構計算

6.1 閘室穩定計算

引水閘三孔一聯。閘室總寬23.4m，閘室長14.5m。閘墩頂高程為1 280.95m，啟閉機房頂高1 294.00m，閘基高程1 270.85m，閘室總高23.15m。閘基座落在泥質粉砂巖基礎上，計算工況及荷載組合見表4。

由于閘基基礎為泥質粉砂巖基礎，屬于極軟巖，類似半巖半土，為確保引水閘穩定安全，對引水閘穩定進行抗剪計算。其抗滑穩定及基底應力根據《水閘設計規范》SL265-2001計算：

①閘室基地應力計算公式

②抗滑穩定安全系數計算公式

式中：f——閘室基底面與地基之間的抗剪摩擦系數，根據地質報告取0.4；引水閘抗滑穩定安全系數及基底應力核算成果見表5。

由水閘設計規范可知，對于地震工況的水閘，閘室基底應力最大值與最小值之比的允許值可適當增大。綜合分析，引水閘抗滑穩定及地基應力均滿足規范要求。

6.2 閘室結構計算

表5 抗滑穩定安全系數及基底應力匯總表

表6 引水閘結構計算配筋表

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL191-2008)，對閘墩的結構計算按照偏心受壓計算；對閘室底板的結構計算采用《水利水電工程設計計算程序集》中《G-2彈性地基梁計算程序》計算，結構裂縫限裂寬度為0.30mm，計算成果見下表6。

7 引水閘上下游擋土墻設計

為使水流平順過閘，閘室上游布置20m的扭曲面擋墻段及10m的矩形斷面擋墻段引渠，矩形斷面引渠段擋墻為半重力式擋墻。閘室后消力池段總長16.8m。消力池兩側為半重力式翼墻，并順流向向兩側擴散，擴散角為7°。消力池后設20m 的扭曲面擋墻渠段，從矩形過流斷面漸變到底寬為3.80m邊坡1：1.5的梯形斷面渠道。

8 結論

小山口二級水電站引水閘位于引水渠首端，閘室為三孔結構，每孔寬度為6m，共一聯。閘室結構布置簡單實用，緊湊合理，功能齊全，運行簡便。小山口二級水電站引水閘已投入運行多年，總結該引水閘平面布置、水力學計算、穩定及結構計算等設計思路及方法，實踐證明，本閘各項參數取值合適，閘室安全，達到了設計要求。