德州市朱家河節制閘設計及復核計算

王吉永

（德州市陵城區水利建筑安裝工程公司機械分公司，山東 德州 253500）

1 工程概況

德州市陵城區位于山東省西北部，屬黃河下游沖積平原。據《德州市統計年鑒-2016》，陵城區下轄10個鎮，1個鄉。全區總人口57.54萬人，其中農業人口48萬人，農村勞動力26.43萬人。總轄區面積181.95萬畝，總耕地120萬畝。

朱家河源于陵城區老馬頰河橋頭孫引水涵閘，過楊頂公路橋后，東北折向經董堂北、程家南于鹽頭呂東北入寧津縣境，經小店北，至解家以東復入陵城區境內，至相莊東北折向東南至大蘇家向東入樂陵城區境內，于東、西郭橋入馬頰河。干流全長37.3 km，流域面積 585.2 km2。

朱家河陵城區治理段（樁號6+032～13+870、樁號21+770～23+870）長 9.94 km，其中樁號 6+032～13+870于鮑莊村東南沿西南—東北走向至鹽頭呂村北陵城寧津縣界，樁號21+770～23+870于寧津—陵城區縣界大致沿東西走向至本次工程治理段末端張楊莊。

2 節制閘設計

2.1 節制閘結構型式設計

節制閘主要由進水渠、管身段、閘室段、消力池、出水渠等組成[1]。

（1）進水渠及管身段

進水渠及管身段漿砌石護砌段長10 m，兩岸坡比1∶3，在底部設置0.4 m厚砼墊層，緊接長10 m的C30砼連接段，其底部寬由9.5 m漸變至9.0 m，底高程12.0 m。砌石結構下均設厚0.10 m的碎石墊層，鋼筋砼結構下均設厚0.10 m的C10砼墊層。

（2）閘室

閘室為整體式鋼筋砼底板結構，平底寬頂堰，共2孔，每孔凈寬4 m，閘門高3.0 m。閘室縱向長為7.0 m，橫向寬為10.6 m，閘室上部設機架橋和啟閉機房等。

工作閘門采用鑄鐵閘門，閘門高3.0 m。啟閉機采用螺桿式啟閉機。在閘室上游側設工作橋，橋面板總寬1.0 m，兩側設欄桿。

閘底板、閘墩混凝土強度等級C30，抗滲等級采用W4，抗凍等級F150。

（3）下游段

下游段包括消力池、海漫以及防沖槽。用1∶4的斜坡將閘室與消力池相連接，消力池長12.0 m，0.8 m深，底板厚為0.4 m的C30鋼筋砼結構；海漫長度為15 m，砌筑為厚度0.3 m的M10漿砌石，后面設計長為5.0 m的拋亂石防沖槽，并在亂石下墊設土工布。

2.2 節制閘水力設計

（1）水力計算

根據《水閘設計規范》（SL 265-2016），采用以下公式計算對節制閘的過流能力：

式中：Q為過閘流量，m3/s；μ0為流量系數；H0為堰上水頭，m；hs為下游水深（由堰頂算起），m；B0為閘孔總凈寬，m。

按照《水閘設計規范》要求，水閘過閘的上下游水位差范圍為0.1 m～0.3 m，綜合考慮河流實際情況，本次計算上、下游水位差選定為0.15 m。具體計算見表1，擬定閘孔滿足過流要求。

表1 節制閘過流能力復核成果表

（2）消能防沖設計

節制閘上下游水位差很小的時候，沖刷影響不大；但是在運行過程中，有時根據灌溉或防洪要求需要開啟閘門，這時候上下游水位差就比較大，下游河道的沖刷情況就比較嚴重。

為滿足要求，本次消能計算過程中，選用最不利的情況進行計算：下游水深較淺，閘門按控制要求開啟至要求開度，閘前渠道為最大擋水位，先設定單寬流量及梯度，然后計算下游水深，再計算多種單寬流量下消力池的深度、長度以及海漫長度，并選取最大值作為設計值，消力池斷面簡圖見圖1。

圖1 消力池斷面簡圖

1）消力池深度

收縮水深可按下式計算：

式中：hc為收縮水深，m；T0為總勢能，m；q為過閘單寬流量，m3/(s·m)；a為水流動能校正系數，取a=1.0；φ為流速系數，取φ=0.95。

躍后水深可按下式計算：

出池落差可按下式計算：

式中：ΔZ為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m。

消力池深度可按下式計算：

式中：σ0為水躍淹沒系數，采用1.05。

2）消力池長度

水躍長度可按下式計算：

式中：Lj為水躍長度，m。

消力池長度可按下式計算：

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，m；β為水躍長度校正系數，m。

3）消力池底板厚度計算

根據工程經驗及規范要求，底板厚度設定為0.50 m。

4）海漫長度

式中：Lp為海漫長度，m；q′為消力池末端單寬流量，m3/（s·m）;Ks為海漫長度計算系數。

考慮防洪和排澇要求，計算流量按《水利學》淹沒寬頂堰流公式：

式中：Q為過閘流量，m3/s；ε為側收縮系數，0.981；ψ為流量系數，0.85；b為閘孔凈寬，6 m；g=9.81 m2/s；z為上下游水頭差，m；h為閘下水深，m。

5）沖刷深計算

采用規范公式：

式中：q"為海漫末端單寬流量，m2/s；[V0]為河床不沖流速，取0.8 m/s；hs"為海漫末端河床水深，m。

水力設計結果見表2。

表2 節制閘消能計算成果表

3 節制閘復核計算

（1）計算要求

按《水閘設計規范》（SL 265-2016）的要求，閘室穩定應滿足下列要求：

①各種計算情況下要求閘室平均基底壓力不大于地基容許承載力；

②基底壓力的最大值與最小值之比不大于規定的容許值，最大地基應力不超過地基允許應力的1.2倍；

③抗滑穩定安全系數大于規定的容許值。

（2）計算工況及荷載組合（見表3）

表3 節制閘閘室穩定計算荷載組合表

（3）穩定應力計算

抗滑穩定復核采用抗剪強度計算公式計算：

式中：K為抗滑穩定安全系數（基本組合≥1.25，特殊組合≥1.10）；f為砼與閘基面接觸面的抗剪摩擦系數，f=0.4；∑G為作用在閘上全部堅向荷載，包括揚壓力作用，kN；∑P為作用在閘上全部水平向荷載，kN。

基底應力計算公式采用以下公式計算：

地基應力不均勻系數η按下式計算：

節制閘閘抗滑穩定及地基應力計算成果見表4。

表4 節制閘閘室穩定計算成果表

由表4中計算結果可知，節制閘底板抗滑安全系數計算值在正常運行和地震兩種工況下均大于允許值1.2，節制閘滿足抗滑穩定要求；地基應力不均勻系數計算值在完建工況、正常運行和地震工況三種工況下都小于允許值，節制閘基底應力均滿足規范要求。

4 結論

本文對德州市節制閘進行設計分析，并且對所設計的節制閘進行復核計算。結果表明，該節制閘抗滑穩定和基地應力均滿足規范要求，可保證節制閘建成后安全運行，促進德州市構筑更加完善的排澇防洪體系，也可確保區域內農田灌溉，減輕區域的洪澇威脅，維護區域社會安定和工農業生產的正常發展，促進經濟社會和諧健康發展。