棗莊市西大樓閘除險加固工程設(shè)計研究

張 翔

(棗莊市市中區(qū)城鄉(xiāng)水務(wù)局，山東 棗莊 277100)

0 引 言

水閘作為一種重要的水利建筑，具有十分重要的功能，如防洪、蓄水等。由于我國早年間經(jīng)濟(jì)、建設(shè)水平較低，導(dǎo)致修建的水閘質(zhì)量不足，在使用過程中出現(xiàn)了不同程度的損壞；亦有一部分水閘由于環(huán)境條件的改變，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀的防洪、蓄水需求，針對這一類水閘采取除險加固工程治理措施是十分必要的[1]。

1 工程概況

西大樓閘原設(shè)計為大(2)型水閘，工程等別為Ⅱ等，水閘主要建筑物級別為2級。設(shè)計蓄水位47.5m，相應(yīng)蓄水量25.5萬m3。20a一遇水閘過流314m3/s，相應(yīng)閘上水位49.80m，閘下水位49.50m。西大樓閘為漿砌石墩提升閘，全長23.0m，共8孔，每孔凈寬2.0m，原閘過閘水頭差為0.3m，閘下水位49.5m，水閘最大過流314m3/s，老閘不滿足設(shè)計防洪要求。根據(jù)水閘安全鑒定結(jié)果，西大樓閘建議拆除重建。西大樓閘現(xiàn)狀如圖1所示。

2 設(shè)計洪水確定

2.1 水文資料選取

西大樓閘位于稅郭支流，稅郭支流及鄰近的郭里集支流迄今未治理，僅有嶧城大沙河分道治理的相關(guān)設(shè)計資料。嶧城大沙河流域5a一遇設(shè)計暴雨為148.84mm，20a一遇設(shè)計暴雨為214.52mm。根據(jù)流域內(nèi)多山區(qū)、丘陵的自然地理特點(diǎn)和小流域河道暴雨洪水特點(diǎn)，確定設(shè)計降雨歷時為24h。根據(jù)選用流域內(nèi)各代表站歷年最大24h降雨量系列資料，進(jìn)行頻率分析計算。經(jīng)排序整理和頻率分析計算，求得各站年最大暴雨系列的均值和變差系數(shù)Cv值。根據(jù)統(tǒng)計參數(shù)的均值，查P-Ⅲ型頻率曲線模比系數(shù)Kp值表，可得設(shè)計頻率的Kp值，據(jù)此可求出設(shè)計頻率的設(shè)計暴雨的面雨量[2]。成果見表1。

圖1 西大樓閘現(xiàn)狀

表1 設(shè)計暴雨參數(shù)

2.2 設(shè)計雨型

1)設(shè)計雨型：

設(shè)計暴雨的時程分配，采用山東省暴雨洪水查算圖表中的泰沂山南區(qū)雨型，取計算時段長度為1h。根據(jù)設(shè)計雨量成果計算相應(yīng)凈雨時程分配過程。

2)產(chǎn)流計算：

設(shè)計前期影響雨量Pa取40mm。設(shè)計頻率凈雨成果見表2。根據(jù)實測資料情況，凈雨計算采用降雨徑流相關(guān)圖法，求得設(shè)計頻率下的凈雨。

表2 設(shè)計凈雨

2.3 設(shè)計洪水推求

流域匯流計算采用瞬時單位線進(jìn)行計算，計算采用下式：

M1=0.196F0.33J-0.27R-0.2Tc0.17

(1)

式中：F為流域集水面積；J為河道干流平均坡度；R為設(shè)計凈雨，mm；Tc為有效凈雨歷時，單位h。

控制斷面設(shè)計洪水成果見表3。

表3 控制斷面設(shè)計洪水成果

本次計算控制斷面處洪水，按照小水庫的消峰情況，已考慮上游小水庫的影響。因此，西大樓閘除險加固采用本次計算成果，即20a一遇設(shè)計洪水為789m3/s，50a一遇設(shè)計洪水為999m3/s。

2.4 特征水位推求

西大樓閘閘址位于嶧城大沙河稅郭支流下游(樁號2+260)，距離下游嶧城大沙河干流裴橋閘3.68km，在嶧城大沙河30+850處新建裴橋節(jié)制閘，攔蓄水位49.00m，為截污導(dǎo)流工程重要節(jié)制建筑物；根據(jù)裴橋節(jié)制閘運(yùn)行調(diào)度方案，非汛期下閘攔蓄，汛期提閘行洪[3]。根據(jù)以上資料，西大樓閘所在河道入嶧城大沙河干流口處起推水位綜合確定為：非汛期采用49.00m，汛期采用50.25m。

以下游起推水位作為起始水位，采用裴橋節(jié)制閘閘址處的實測河道斷面進(jìn)行沿河自下而上逐個斷面推算河道水面線，推算至閘址下游處水位。相距△s的兩個漸變流斷面1和2的能量方程式為：

(2)

式中：z1，v1和z2，v2分別為斷面1和2的水位和流速；△hw為斷面1和2之間的水頭損失，△hw=△hf+△hj，△hf為沿程水頭損失；△hj為局部水頭損失。

裴橋節(jié)制閘至西大樓閘址共3.68km，該段河道尚未治理，本次水面線推算，嶧城大沙河段按照底寬80m，稅郭段底寬60m，大沙河干流糙率取0.03，稅郭支流糙率取0.028。按照規(guī)劃的稅郭支流設(shè)計縱斷，西大樓閘(樁號2+260)處規(guī)劃河底高程為47.5m。計算各流量下對應(yīng)水位，計算成果見表4。

表4 西大樓閘下水位-流量關(guān)系表

3 水閘閘孔寬度方案確定

3.1 過閘水頭差確定

過閘水頭差對水閘的造價和上游淹沒影響等關(guān)系較大。如果采用較大的過閘水頭差，固然可縮減閘孔總凈寬，降低水閘工程造價，但卻抬高了水閘的上游水位，增加上游淹沒風(fēng)險，同時也增加下游消能布置難度；若采用較小的過閘水頭差，則會增加閘孔總凈寬，從而增加水閘的工程造價，但是可以降低下游消能布置難度。一般情況下，平原區(qū)水閘的過閘水頭差可采用10-30cm，山區(qū)，丘陵區(qū)水閘的過閘水位可適當(dāng)加大。根據(jù)以上原則，結(jié)合西大樓閘的功能、特點(diǎn)、運(yùn)用要求及上游河道地形綜合考慮，擬定不同水頭差方案進(jìn)行比較，綜合選定過閘水頭差。根據(jù)選定的過閘水頭差計算過水凈寬，選定閘孔尺寸[4-6]。

采用寬頂堰淹沒公式計算：

(3)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為過水總凈寬，m；σ為堰流淹沒系數(shù)；H0為包括行近流速水頭的閘上堰上水頭，m；ξ為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)。

1)方案一、低水頭差方案(0.15m)。

根據(jù)閘下20a一遇設(shè)計洪水位51.92m，選定的閘底板高程47.50m，計算在水頭差為0.15m的情況下，過流789m3/s時所需要的閘孔總凈寬為54m。20a一遇相應(yīng)閘上設(shè)計洪水位52.07m。

2)方案二、中水頭差方案(0.30m)。

根據(jù)閘下20a一遇設(shè)計洪水位51.92m，選定的閘底板高程47.50m，計算在水頭差為0.30m的情況下，過流789m3/s時所需要的閘孔總凈寬為50m。20a一遇相應(yīng)閘上設(shè)計洪水位52.22m。

3)方案三、高水頭差方案(0.45m)。

根據(jù)閘下20a一遇設(shè)計洪水位51.92m，選定的閘底板高程47.50m，計算在水頭差為0.45m的情況下，過流789m3/s時所需要的閘孔總凈寬為46m。20a一遇相應(yīng)閘上設(shè)計洪水位53.0m。

不同水頭跌差對應(yīng)的閘孔總凈寬計算成果見表5。

表5 閘孔總凈寬計算表

根據(jù)過閘水頭差方案比較后，由表5可以看出，從水閘可比投資角度看：方案一最大，方案二最小；方案一，各頻率閘前水位最低，但閘室寬度最大，增加了河道石方開挖量，金屬結(jié)構(gòu)投資增加，工程投資較大。方案二，充分利用了現(xiàn)有河口范圍內(nèi)河道，不需新增占地，且對兩側(cè)交通可以平順連接。方案三占用河道斷面最小，但壅高上游水位最大，且兩側(cè)回填量及兩側(cè)引路較方案二增大。經(jīng)綜合考慮，推薦方案二0.30m的過閘水頭差。綜合考慮基礎(chǔ)類型、閘前水位、過閘單寬流量、閘門選型(閘門設(shè)計及制造水平)、閘室總寬度與河道總寬的關(guān)系及水閘的調(diào)度運(yùn)用等因素，選用方案二為推薦方案。過閘水頭差方案比選，見表6。

表6 過閘水頭差方案比選

3.2 單孔凈寬方案比選

對西大樓閘單孔凈寬進(jìn)行方案比選。選定以下二個方案進(jìn)行比選。以下二個方案，均用平底板平板閘的方案，閘底板高程均采用47.50m，攔蓄水位均為52.00m，雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。

1)方案一：10孔閘，單孔凈寬5m。

該方案共設(shè)10孔閘，單孔凈寬5m，閘孔總凈寬為50.0m。閘底板高程47.50m，閘前攔蓄水位為52.00m，中墩厚1.4m，底板厚1.35m，閘室順?biāo)鞣较蜷L16.00m，垂直水流方向總寬度48.0m，閘室采用第三孔底板中間分縫形式。排架高7.0m，機(jī)架橋高1.0m，左右岸設(shè)橋頭堡。工作閘門采用平板鋼閘門，閘門尺寸5.0×4.8m，2×160kN雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。閘后附生產(chǎn)橋，橋?qū)?.0+2×0.5=6.0m。

2)方案二：5孔閘，單孔凈寬10m。

該方案共設(shè)5孔閘，單孔凈寬10m，閘孔總凈寬為50.0m。閘底板高程47.50m，閘前攔蓄水位為52.00m，中墩厚1.4m，底板最大厚1.5m，閘室順?biāo)鞣较蜷L14.00m，垂直水流方向總寬度58.0m。排架高7.0m，機(jī)架橋高1.0m，左右岸設(shè)橋頭堡。工作閘門采用平板鋼閘門，閘門尺寸10.0×4.8m，2×250kN雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。閘后附生產(chǎn)橋，橋?qū)?.0+2×0.5=6.0m。單孔凈寬方案比選，見表7。

表7 單孔凈寬方案比選

由以上二個方案比較可知，方案一閘孔數(shù)量較多，閘墩占河道過水面積較多，投資較大；方案二閘孔數(shù)量適中，閘墩占河道過水面積較少，投資較小，兩個方案均能滿足設(shè)計要求。經(jīng)綜合分析，本次設(shè)計認(rèn)為方案二投資最小，占用河道過水面積少；同時孔數(shù)相對較少，更方便水閘洪水調(diào)節(jié)和長期運(yùn)行管理，故選定方案二為推薦方案。

4 結(jié) 論

棗莊西大樓閘建設(shè)時期較早，受限于當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)、科技水平，水閘建設(shè)質(zhì)量較低、缺乏必要的監(jiān)測、輔助設(shè)施，已難以滿足現(xiàn)狀防洪、蓄水的需求，因此，水閘采用重建的方式進(jìn)行處理。結(jié)合當(dāng)?shù)厮馁Y料，確定20a一遇、50a一遇設(shè)計洪水為789m3/s、999m3/s。通過方案比選，過閘水頭差為0.30m，水閘閘孔采用5孔閘，單孔凈寬10m的水閘方案，有利于降低工程投資、緩解消能防沖壓力，降低上游洪水風(fēng)險等優(yōu)勢。