鋼壩節制閘水工建筑物的布置及設計要點

秦世兵

（新鄉市水利科技推廣中心，河南 新鄉 453000）

0 引言

節制閘工程位于新鄉市共產主義渠主河槽，G107國道牧野大橋上游約400 m 處，左岸為渠灘地，右岸為共產主義渠100 年一遇堤防，左岸上游距鳳泉東湖約1.15 km。共渠節制閘工程主要建設內容為：新建鋼壩節制閘一座，5 孔工作閘門閘孔總凈寬164 m，總寬200 m；新建管理用房250 m2，設備用房325 m2；管理區綠化400 m2；節制閘自動化系統及安全監測、觀測等管理設施。

設計采用的工程技術標準：①設計洪水標準依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，共渠節制閘工程等別為Ⅳ等小（1）型，其主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。考慮共渠左岸鳳泉區防洪標準20 年一遇，共渠右岸新鄉市區防洪標準為100年一遇，此工程鋼壩閘的洪水標準均取上限。即鋼壩閘的設計洪水標準為20 年一遇，相應流量1 650 m3/s；校核洪水標準為100年一遇，相應流量3 130 m3/s。②依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》4.1.5 規定，考慮到節制閘采用鋼壩閘新型結構，因此對建筑物可提高一級進行設計。確定主要建筑物級別為3級。工程閘室、翼墻、上游鋪蓋、下游消力池級別為3 級，防沖槽及海漫段以外的護底、護坡等次要建筑物級別為4級。考慮到檢修廊道和電纜廊道穿過共渠右堤，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定，穿越堤防的永久性水工建筑物級別不應低于相應堤防的級別。共渠右岸堤防為1級堤防，由此確定穿堤廊道的級別為1級建筑物。③根據《中國地震動參數區劃圖》，工程所處場地50 年超越概率10%，一般場地條件下的地震動參數為：地震動峰值加速度0.20 g，特征周期0.40 s，對應基本地震烈度Ⅷ度，此工程抗震設防烈度為Ⅷ度。④根據《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》條規定，工程為Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，確定工程合理使用年限為50年，永久性建筑物合理使用年限為50 年。根據《水工混凝土結構設計規范》，工程所處環境類別為二類，各部位混凝土抗滲等級W4、抗凍等級F150、抗壓強度C15～C30等級。

1 正常蓄水位的確定

1.1 水位確定原則

①回水長度盡量滿足城區生態環境需求。②正常蓄水位不影響堤防的安全。③有利于水體自然凈化，便于水質維護。④蓄水位不引起堤外土壤鹽堿化。

1.2 正常蓄水位選擇

①工程位置處現狀河底高程65 m，考慮在不影響河道泄流、沖刷及淤積的情況下，確定共渠節制閘底板高程為65 m。綜合分析正常蓄水位方案的優缺點，此次確定正常蓄水位為68.30 m。②根據地質勘察資料，節制閘附近灘地和外地面高程約為69 m，鉆孔水位為64.80 m，比灘地和外地面高程低4.20 m，地下水埋深較深。共渠左岸灘地與右堤外部分為農作物，大多一年兩季為小麥和玉米，植物根系深度約0.50 m，工程運行后，蓄水區達正常蓄水位68.30 m 時，閘頂溢流水位為68.40 m，溢流水位比蓄水區附近的灘地低0.60 m，水位低于植物根系深度，且共渠節制閘所蓄水的礦化度較低，因此，蓄水區正常蓄水位68.30 m時，對蓄水區周邊浸沒影響較小。

2 主要工程地質條件

2.1 第四系全新統人工堆積（Qs4）

人工堆積：黃褐色和灰褐色，硬塑，以中、重粉質壤土為主，夾雜灰白色鈣質結核，粒徑2～20 mm，無搖震反應，干強度高，韌性中等。主要分布于共產主義渠道兩側，右岸為堤坡填土，厚度2～3.10 m，層底高程為66.27～67.04 m，左岸為堆填土，厚度0.50～0.60 m，層底高程為67.82～68.32 m。

2.2 第四系全新統沖積物（Q41al）

重粉質壤土（Q41al）：黃褐色，硬塑，部分有機質含量較高，顏色為黑色，以重粉質壤土為主，于渠道兩岸連續分布，厚度1.10～3.50 m，層頂高程為66.27～68.82 m。標準貫入試驗擊數3～9 擊，平均7 擊。

2.3 第四系上更新統沖洪積物（Q3alp）

重粉質壤土（Q3alp）：黃褐色，硬塑，厚度1～5.80 m，層頂高程64.73～66.42 m。標準貫入試驗擊數10～20 擊，平均12 擊。連續分布，并且由于渠道內新近開挖導致此層大部分出露于地表，厚度10.70～16.80 m，平均層厚約14.20 m，層頂高程為59.24～65.84 m。以上標準貫入試驗擊數7～31擊，平均20擊。

2.4 第四系中更新統沖洪積物（Q2alp）

重粉質壤土（Q2alp）：黃褐色，硬塑，韌性高，切面光滑，無搖震反應，干強度高。含鈣質結核和鐵錳質結核，粒徑多為2～5 mm，分布不均，部分孔段可見富集現象，含量可達60%。在場區均有連續分布，厚度7.50～10.50 m，平均層厚約8.60 m，層頂高程48.52～50.13 m。標準貫入試驗擊數14～50擊，平均23擊。

2.5 新近系上新統潞王墳組（N2L）

泥灰巖（N2L）：灰白色，含礫石分選性差，多呈次圓狀，泥質膠結，膠結極差，巖芯采取率極低，為軟巖、極軟巖。被膠結物質以礫石為主，含量約55%～60%，層頂高程36.84 m。

3 水工建筑物的區位布置

節制閘工程位于共渠G107國道牧野大橋上游約400 m 主槽內（共渠樁號：25+500），左岸為共渠灘地，右岸為共渠100年一遇堤防，左岸上游距鳳泉東湖約1.15 km。

4 水工建筑物設計要點

4.1 節制閘主要參數設計

4.1.1 設計流量

節制閘工程非汛期存蓄再生水，改善河道生態環境。節制閘設計洪水標準為20年一遇，對應下泄流量1 650 m3/s；校核洪水標準為100 年一遇，對應下泄流量3 130 m3/s。共渠遭遇20年一遇洪水與100年一遇洪水均已從主槽漫出至灘地，經洪水影響分析計算，節制閘對行洪影響較大的工況為行洪水位臨近灘地高程但尚未出主槽工況。因此，設計以節制閘上游水位不漫出主槽為原則確定節制閘閘孔最大過流能力。根據閘址共渠斷面水位流量關系，經計算分析，當共渠洪水流量為768 m3/s時，閘上水位為69.70 m，與灘地高程基本相當，由此確定節制閘設計流量為768 m3/s。

4.1.2 閘室寬度確定

節制閘布置在共渠主槽內，共渠主槽寬200 m，為盡量減少對泄洪的影響，在主槽全斷面布置閘室，閘室總寬度為200 m。

4.1.3 閘孔數確定

考慮不影響泄洪，在閘室總寬確定的情況下，應盡量減少閘孔孔數，減少閘墩數量。根據規范在閘孔孔數少于8 孔時，宜采用單數孔。根據工程要求及設備要求等綜合考慮，工程推薦采用5孔閘孔方案，閘孔總凈寬為164 m，單孔凈寬32.80 m。

4.1.4 過流能力計算

根據水閘閘門布置，門體全部放倒后低于閘底板，因此該情況下按高淹沒狀態無底坎寬頂堰流計算，即平底板水閘堰流。水閘過流能力計算采用《水閘設計規范》附錄A 中高淹沒堰流公式。經計算分析，當共渠洪水流量為768 m3/s 時，閘下水位為69.65 m，閘上水位為69.70 m，較原渠道行洪水位壅高0.05 m，滿足相關規范要求，不會對河道行洪造成影響。

4.1.5 閘室穩定計算

閘室穩定計算包括基底應力及不均勻系數計算、抗滑穩定計算和抗浮穩定計算，計算依據《水閘設計規范》的規定執行。取順水流向相鄰永久縫之間的閘段作為穩定計算單元。計算結果分，閘基持力層為細砂，承載力特征值為180 kPa。從地質勘察資料可知，在各種工況下，閘室各段抗滑、抗浮安全系數、地基承載力和基底應力不均勻系數均滿足規范要求。

4.1.6 閘室沉降計算

依據《水閘設計規范》，土質地基最終沉降量按公式計算，土質地基上水閘建筑物大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉差不宜超過5 cm。計算結果表明，沉降計算結果均滿足水閘規范要求。由于節制閘采用鋼壩閘，根據閘門制作安裝要求，相鄰部位沉降差須小于10 mm。根據沉降計算結果，相鄰部位最大沉降差為7.98 mm，能夠滿足鋼壩閘結構變形要求。

4.1.7 主要結構計算

節制閘坐落于共渠主槽內，布置以盡量不減少原河道過水斷面為原則，既要滿足功能要求，也要保證行洪時安全。結構計算以遭遇校核洪水為最不利工況進行計算。閘墩頂高程為70 m，校核洪水位74.11 m，墩頂水深4.11 m，上游鋪蓋及下游消能防沖設計，節制閘泄洪過程中，下游水位逐漸從無水或低水位條件逐漸升高，上下游水位差逐漸減小，泄流量也隨之變化，在此過程中，會出現一系列流量水位組合，消能防沖計算控制工況在上述組合中選取。根據節制閘調度運行方式，行洪時先開啟中間3#閘門，再同時開啟兩側2#和4#閘門，最后同時開啟外側1#和5#閘門。根據閘門調度運行方式，對閘門放倒過程進行消能防沖設施水力計算，鋼壩閘放倒高度按每0.50～1.50 m為一級，逐級進行計算。

5 結語

鋼壩閘是一種新型的擋蓄水建筑物，泄洪能力強、自動化程度高、美觀、運行效果好，共渠鋼壩節制閘水工建筑物的布置及設計，可以為其他類似工程提供經驗和借鑒。