虎莊河防潮節制閘工程過流能力及穩定性分析

楊 勇

(綏中縣水利局，遼寧 葫蘆島 125200)

節制閘工程是河道控制的主要設施，很多節制閘因建設年代久遠，已經完全無法發揮應有作用，必須進行必要重建，而其過流能力和結構穩定性是最重要的兩個指標。因此，在設計時應充分結合河道及閘門的實際情況，保證設計參數的科學合理性。

1 工程概況

虎莊河流域位于遼寧營口地區西北部，原虎莊河防潮節制閘工程始建于1964年11月。2014年9月，經相關部門鑒定，該閘門過水能力不足，主要建筑物和結構嚴重老化及損壞，現已無法使用，綜合評價為Ⅳ類閘，故對其拆除重建。根據防洪規劃，虎莊河防潮攔河閘最大過閘流量設計為477 m3/s，河閘工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。設計標準30年一遇，校核標準100年一遇，設計潮水標準100年一遇。

2 潮位計算

2.1 潮位資料

虎莊河位于大遼河水系，為感潮河段，主要受潮水控制。工程所在地區有營口和四道溝兩個國家級潮位站，其中營口站潮位資料較完整，涵蓋1955-2013年共58年資料，主要據此來確定設計潮位。見表1。

表1 營口站潮位特征值表

2.2 設計潮位計算

根據營口站58年潮位資料，按“皮爾遜Ⅲ型分布曲線”進行頻率分析計算，公式如下：

(1)

(2)

式中：hp為對應于年頻率P的潮位值；Kp為不同頻率P對應的模比系數；CV為離差系數；n為年數。

根據公式計算出營口站在CV=0.05，CS/CV=1.0、2、2.5共3種情況下的最高潮位理論頻率曲線(CS為偏度系數)，其中在CS/CV=1.0情況下經驗頻率點與理論頻率曲線適線良好，由此可以推出營口站設計高潮位頻率分析成果，見表2[1]。

表2 營口潮位站年最高潮位頻率分析成果表(CS/CV=1.0)

3 閘門過流能力計算

3.1 應承擔的過流能力計算

本次水閘過流能力驗算主要對上游河道的承泄能力進行分析，最大泄流能力取20年一遇洪水和滿槽水位時當過流量的較小者。

3.1.1 20年一遇洪水當過流量計算

在20年一遇洪水時，虎莊河閘泄水能力Q按照“半有壓流涵洞”計算，計算公式如下[2]：

(3)

式中：m為流量系數，取0.36；A為斷面面積，m2；H0為計入行進流速水頭在內的進口水深，取值5.85 m；i為主河道平均坡度，(°)；L為主河道長度，m；β為修正系數，取0.72；D為涵洞高度，m。

經計算可知，當過流量Q=523.36 m3/s。

3.1.2 滿槽水位當過流量計算

本項目滿槽水位當過流量按照“10年一遇設計洪水位與波浪爬高、風壅高度、安全超高”之和計算。計算參照《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)附錄C的有關公式，5級堤防安全超高取0.5 m。經計算，波浪爬高與風壅高度之和0.30 m，堤頂高程為4.22 m。按此計算虎莊河閘門在滿槽水位時堤防承擔的當過流量Q=477 m3/s，小于20年一遇洪水當過流量，所以泄流能力應按該數值計算。

3.2 過流能力驗算

虎莊河閘門上泄流水位4.22 m，通過與下游各種不同水位進行組合來驗算過流能力，成果見表3。

表3 虎莊河閘門過流能力驗算表

根據閘下河道規劃斷面形式，按照明渠水力學公式進行計算，繪制出閘下水位-流量關系曲線，見圖1[3]。由圖1可知，當水位在4.0 m左右時，虎莊河閘門通過流量可達500 m3/s，大于其應承擔的當過流量477 m3/s，因此過流能力符合要求。

圖1 閘下水位-流量關系曲線

4 閘門工程穩定性分析

4.1 閘基滲透穩定性分析

4.1.1 閘基防滲長度計算

根據《水閘設計規范》(SL 265-2001)規定，閘基防滲長度L(閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度總和)應滿足式(4)[4]，求得L=16.56；而測得地下輪廓線實際長度為40.0 m，遠大于L值，因此防滲長度滿足要求。

L=C·△H

(4)

式中：C為允許滲徑系數值，取值3；△H為上下游水位差，按最不利情況取值5.22 m。

4.1.2 閘基滲透穩定性計算

本項目計算閘基滲透穩定性時，采用“分段阻力系數法”，共分為以下3段：進出口段、內部垂直段、水平段[5]。采用以下3個水位組合：①正常蓄水位：閘上水位1.50 m，閘下水位-1.00 m；②設計洪水位：閘上洪水位3.42 m，閘下平均高潮位1.45 m；③校核水位：閘上水位1.50 m，閘下洪水位3.77 m。

1) 進出口段阻力系數ξ0：

(5)

式中：S為齒墻或板樁的入土深度，m；T為地基有效深度或實際深度，m。

2) 內部垂直段阻力系數ξy：

(6)

3) 水平段阻力系數ξx：

(7)

式中：Lx為水平段長度，m；S1、S2為分別為進出口段齒墻或板樁的入土深度，m。

計算出各分段阻力系數后，接著計算各分段水頭損失值hi及滲壓值，計算公式如下[6]，部分成果見表4-表6。

表4 正常蓄水位滲壓計算成果表(部分)

表5 設計洪水位滲壓計算成果表(部分)

表6 校核情況滲壓計算成果表(部分)

本項目水平段及出口段滲流坡降值計算：

(8)

式中：ξi為各分段阻力系數；n為總分段數；△H為水閘的上下游水位差，m。

水平段：Jx=hx/Lx

出口段：J0=h0/S

由此得出水平及出口滲流坡降值結果，見表7。由此可見，在各種水位組合下，閘基水平段、出口段滲透坡降值均滿足規范要求，閘基滲透穩定性良好。

表7 閘基滲流穩定計算成果表

4.2 閘室結構穩定性分析

重建的虎莊河閘主體結構按2級建筑物設計，以上游胸墻為界，前為開敞式，后為涵洞式，共9孔，每3孔為一聯，進口尺寸3.5 m×4.2 m(寬×高)，設矩形平板鑄鐵閘門，手電兩用啟閉機，出口尺寸3.0 m×4.2 m(寬×高)，設自由側翻式拍門，總寬41.10 m。

4.2.1 計算工況及公式

為計算閘室結構穩定性，在此選取以下兩個水位工況分析：①設計洪水水位：閘上10年洪水3.42 m，閘下平均高潮位1.45 m；②校核水位：閘上水位1.50 m，閘下大遼河100年洪水位3.77 m?？够€定系數Kc計算如下[7]：

Kc=f·∑G/∑P

(9)

式中：f為底板與基礎摩擦系數，取0.35；∑G為作用在閘室的全部垂直力總和，kN；∑P為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m。

4.2.2 閘室穩定性分析

閘室穩定性分析成果見表8。

表8 閘室穩定性分析成果表

由表8中數據得知，在該兩種工況下閘室穩定性滿足規范要求。

5 結 語

虎莊河防潮節制閘投入使用后，各項指標均已達到設計標準要求，過流能力通過了夏季洪水考驗。通過水準儀持續測量，閘門整體結構穩定性也完全符合標準，虎莊河防潮節制閘重建工程取得了圓滿成功。閘門工程設計理論結合實際，按照最不利情況考慮，以防出現“小馬拉大車”問題的出現。