西新河綜合治理工程東昌府區鋼壩閘設計探討

宋淑紅

（聊城市東昌府區水利局，山東 聊城 252000）

1 工程概況

西新河綜合治理工程東昌府區河段（樁號8+000 ～21+940），于東昌府區三干渠康營沿東北走向至本次工程治理段末端鳳凰路橋，長度共13.94 km，河道邊坡1∶2；河道比降1/8000～1/10000；主槽糙率 0.025，河道底寬為 13 m～15 m，工程新建鋼壩閘3 座，分別為聊張路鋼壩閘、任堤口鋼壩閘、申李鋼壩閘。

東昌府區是聊城市市轄區，區內西新河位于最早開挖于1949 年，承載著東昌府區西新河流域的排澇任務，境內長度27.4 km，流域面積232.45 km2。自2010 年之后未進行過徹底的治理，現狀河道河道淤積嚴重，建筑物年久失修、老化破損嚴重，嚴重滯后于兩岸經濟社會的發展和防洪排澇需求，制約該流域國民經濟的發展。

自三干渠、聊張路及以下，至申李海拔落差約1.5 m，東昌府區境內無節制閘。西新河作為東昌府區道口鋪鎮主要的蓄水河道，由于缺少節制閘，過境河水無法滯蓄，全部流向下游，河道內存水量很小，將無法實行分級提水，造成沿線村莊約5000 畝地無法灌溉，申莊、李莊、老李莊、北高莊約4000 畝地得不到灌溉。同樣，位于上游的侯營鎮西新河沿岸有村莊3 個，兩萬余畝地的農業用水都需從西新河引水，由于缺少攔蓄水建筑物，無法正常引水，沿岸兩萬余畝地灌溉得不到保障，故節制閘的建設刻不容緩。

2 節制閘的設計分析

西新河治理段防洪流量67.4 m3/s～162.55 m3/s，排澇流量41 m3/s～95.85 m3/s。根據《山東省海河流域防洪規劃》，東昌府區西新河治理起始水位仍然采用原設計值，即治理段起始端處（樁號 8+000）“61 年雨型”防洪水位 34.55 m，“64 年雨型”排澇水位33.49 m，治理段末端處（樁號21+940）“61 年雨型”防洪水位33.6 m，“64 年雨型”排澇水位為31.74 m。

聊張路節制閘（10+172）河段地面高程為33.2 m,河底寬度為13 m，河水流量為41 m3/s，正常蓄水位33.82 m，閘底高程30.22 m。

任堤口節制閘（18+385）河段地面高程為32.8 m，河底寬度為15 m，河水流量為52.5 m3/s，正常蓄水位32.79 m，閘底高程28.99 m。

申李節制閘（22+593）河段地面高程為32.16 m，河底寬度為16 m，河水流量為52.5 m3/s，正常蓄水位31.77 m，閘底高程28.47 m。

2.1 節制閘型式的確定

三座鋼壩閘結構形式相同，以任堤口鋼壩閘為代表。

普通水閘和鋼壩閘都是具有擋水、泄水雙重作用的低水頭水工建筑物、采取何種形式的結構，關系到投資、運行、管理、美觀及使用壽命等諸多方面，需要進行詳細的方案比選。以任堤口閘為代表進行方案比選，投資比較詳見表，比選過程見表1。

普通節制閘相較于鋼壩閘在施工、運用、管理方面都具有較為成熟的理論和經驗，工程投資比較省，且結構受力明確、清楚，但是因排架、機架橋和機房高度大，不利于結構抗震，難以設計出較好的造型，影響美感。

鋼壩閘為新型產品，在技術上有創新，相較于傳統的普通節制閘，設計結構中無中墩，水頭損失更小，過閘水流更順暢，閘頂溢流，有瀑布效果，且對下游沖擊小，省去排架、機架橋及機房等結構，結構簡單，外形美觀，閘門及啟閉設備均位于地下，結構抗震效果好，但投資及工程管理費用較高。

經表1 比較兩種方案的投資總比僅相差86.2 萬元，普通節制閘較為節省；從水頭損失、河道后期運行、美觀度、占地面積、抗震效果上比較，鋼閘壩均優于普通節制閘。新西河東昌府區建設節制閘的主要任務滯蓄過境河水，實現分級提水，滿足沿岸灌溉和生態景觀的要求，控制河水流速保證河道不沖不淤積，恢復提高河道生態景觀。根據節制閘的擋水深度、過流條件，綜合考慮實用、安全、經濟、美觀等因素，雖然鋼閘壩成本更高，但是同時能夠滿足東昌府區的綜合發展需求，故確定選用鋼閘壩。

2.2 鋼閘壩的具體布置

任堤口鋼壩閘工程（平面圖見圖1），工程全長59 m，由上游連接段22 m，閘室段10 m 和下游連接段27 m 三部分組成。

上游連接段長22 m，包括上游鋪蓋、上游護底、上游翼墻和上游護坡等部分。上游鋪蓋長度12 m，厚度0.4 m，采用C25鋼筋混凝土結構。上游護底長10 m，厚0.25 m，采用M10 漿砌塊石結構，下鋪50 mm 厚M10 水泥砂漿及150 g/0.3 mm150 g復合土工膜；上游翼墻采用C25 鋼筋混凝土懸臂擋土墻結構；上游護坡為M10 漿砌塊石結構，厚度0.25 m，護坡下鋪設50 mm厚M10 水泥砂漿及150 g/0.3 mm150 g 復合土工膜。

閘室段順水流向長10 m，垂直水流向總寬度23 m，采用整體式鋼筋混凝土結構，閘底板厚度1 m。共設1 孔15 m×3.4 m鋼壩閘門，采用2 臺630 kN液壓啟閉機，啟閉機單機功率11 kW。另設控制室1 間，值班室一間，均采用磚混結構，建筑面積均為16.21 m2。

下游連接段長27 m，包括下游護底、防沖槽、下游翼墻、下游護坡等部分。下游護底包括M10 漿砌塊石護底和干砌塊石護底，漿砌塊石護底長度12 m，厚度0.25 m，下鋪M10 水泥砂漿厚50 mm；干砌塊石護底長度10 m，厚度0.3 m；防沖槽長度5 m，深度1 m，防沖槽內拋亂石；下游翼墻采用C25 鋼筋混凝土懸臂擋土墻結構，下游護坡采用M10 漿砌塊石結構，厚度0.25 m，護坡下鋪設M10 水泥砂漿厚50 mm。

2.3 水力計算

閘孔寬度的確定：

閘孔寬度計算采用公式《水閘設計規范》（SL 265-2001）：

式中：μ0為淹沒堰流的綜合流量系數；B0為過流斷面計算寬度對矩形斷面即為洞寬，m；H0為上游總水頭，m；hs為下游水深，m。

經計算，綜合考慮安全、實用、經濟與景觀因素，閘孔凈寬適當加大，計算成果見表2。

表2 鋼壩閘閘孔凈寬計算成果表

2.4 消能設計

三座節制閘均采用鋼壩閘形式，閘門開啟初期為閘頂溢流閘門開啟后為淹沒出流，水流對下游沖擊小，無需專門設置下游消能，僅在閘室下游端設置消力坎，坎高0.6 m。閘室下游設置12 m 長砌石護底、10 m 長干砌塊石護底及5 m 長防沖槽。

2.5 防滲排水設計

防滲長度計算采用公式《水閘設計規范》（SL 265-2001）：

式中：L 為閘基防滲長度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和，m；C 為滲徑系數，根據土質情況和排水條件，取C＝9；ΔH 為上下游水頭差，分別取最大可能值3.2 m～3.4 m。

經計算，所需防滲長度為28.8 m～30.6 m，實際閘基防滲長度均為37.5 m，滿足規范要求。地基土為砂壤土，允許滲透坡降為 [J]＝0.15～0.25，實際滲透坡降為Jx＝3.4/37.5＝0.085～0.091＜[J]，滿足規范規定的閘基抗滲穩定性要求。

2.6 穩定計算

2.6.1 閘室穩定計算

三座鋼壩閘結構形式相同，現以任堤口鋼壩閘為代表，說明閘室穩定計算情況。

（1）計算工況

①基本組合Ⅰ：完建情況，地下水位在閘底板底面以下，荷載組合為結構自重和設備自重。

②基本組合Ⅱ：正常蓄水位情況，上游為設計蓄水位，下游無水，荷載組合為結構自重、設備自重、水重、靜水壓力、揚壓力、波浪荷載；

③基本組合Ⅲ：正常過流情況，閘門開啟，荷載組合為結構自重、設備自重、水重、揚壓力；

④特殊組合：地震情況，上游為設計蓄水位，下游無水，荷載組合為結構自重、設備自重、水重、靜水壓力、揚壓力、波浪荷載、地震荷載。

（2）閘室穩定計算公式

①閘室基底應力計算采用《水閘設計規范》（SL 265-2001）第 7.3.4 條規定：

②基底應力不均勻系數計算，采用《水閘設計規范》（SL 265-2016）第 7.3.5 條規定：

式中：η 為基底應力不均勻系數：Pmax為閘室基底應力的最大值，kPa；Pmin為閘室基底應力的最小值，kPa。

③沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數計算，采用《水閘設計規范》（SL 265-2016）第 7.3.6 條規定：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f 為閘室基底面與地基之間的摩擦系數；∑G 為作用在閘室上的全部豎向荷載（包括閘底板底面上的揚壓力在內），kN；∑H 為作用在閘室上的全部水平向荷載之和，kN。

（3）閘室穩定計算成果見表3。

表3 鋼壩閘閘室穩定計算成果表

由表3 可知，各種計算工況下，閘室平均基底應力不大于地基允許承載力，最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2倍，閘室基底應力的最大值與最小值之比η 不大于規范允許值[η]，沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數Kc不小于規范允許值[Kc]，均滿足規范要求。

2.6.2 擋土墻穩定計算

（1）計算工況

根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）荷載計算及組合章節的有關規定，擬定以下三種運行工況：

基本組合Ⅰ：施工完建情況，地下水位在擋土墻基底以下，荷載組合為墻體自重、土重、土壓力；

基本組合Ⅱ：正常運行情況，墻前為西新河設計洪水位，墻后為相應地下水位，荷載組合為墻體自重、土重、水重、土壓力、靜水壓力；

特殊組合：運行期遇地震情況，墻前為西新河設計洪水位，墻后為相應地下水位，荷載組合為墻體自重、土重、水重、土壓力、靜水壓力、地震荷載。

（2）擋土墻穩定計算公式

擋土墻基底應力計算及抗滑穩定計算同閘室部分計算公式。

（3）回填土要求

回填土采用壤土，要求分層碾壓、夯實，壓實度不小于0.95，壓實后等效內摩擦角不小于30°。

（4）擋土墻穩定計算成果見表4。

表4 擋土墻穩定計算成果表

由表4 可知，最大基底應力滿足地基承載力要求，不均勻系數 η＜[η]，抗滑穩定安全系數 Kc＞[Kc]，均滿足規范要求。

2.7 驅動裝置容量計算

鋼壩尺寸為10 m×3.4 m，底軸圓心位于底板以下s=0.165 m，假設壩頂溢流h=0.3 m，下游無水。

鋼壩最大靜水總壓力：

式中：H 為鋼壩最高擋水深度，約為3.4 m；Bzs為鋼壩寬度，15 m；γ 為水的比重，10 kN/m3。

鋼壩靜水壓力作用點位置：

靜水壓力對鋼壩底軸扭矩：

單側拐臂所需克服靜水壓力扭矩為：

單側驅動裝置容量：

式中：1.5 為側止水及底止水摩擦阻力系數及動水系數；2.5 為拐臂中心回轉半徑，m；

按容量系列選取，單側驅動裝置容量F=630 kN，總容量為2×630=1260 kN。

3 結論

東昌府區新西河綜合治理工程3 座鋼閘壩總投資4384917 元。2018 年11 月完工，工程實施后，擴大了河道的過流能力和防洪能力，較少澇災影響面積12 萬畝；由本流域農作物種植面積所占比例、產量、單價等資料，工程治理后，年平均減少農業損失1740 萬元。綜上所述，說明東昌府區新西河綜合治理工程鋼閘壩的設計切實可行。