南、北長虹渠退水閘設計與計算

崔洋

（北京市密云水庫管理處，北京 101512）

0 引言

在水利工程中，水閘作為擋水、泄水或取水的建筑物，應用廣泛，多建于河道、渠系、水庫、湖泊及濱海地區。水閘由閘室、上游連接段和下游連接段組成，按水閘其所承擔的主要任務，可分為：節制閘、進水閘、沖沙閘、分洪閘、擋潮閘、排水閘等。按閘室的結構形式，可分為：開敞式、胸墻式和涵洞式。而退水閘位于渠道末端、重要渠系建筑物或險工渠段上游，用于排除渠內積水、便于檢修渠道。文章根據南、北長虹渠退水閘的概況，進行退水閘設計與計算。

1 工程概況

南、北長虹渠南起衛輝市徐家堤，經浚縣新鎮鎮，至滑縣道口鎮西入衛河，是衛河綜合防洪體系的重要組成部分。項目區退水閘由于建設標準低、退水閘建筑物配套程度低，經過多年的運行，導致退水閘老化失修、破損嚴重，致使滲漏損失大，輸水效率低，因此需要加強對退水閘的改造。

2 項目區氣象與水文

2.1 氣象

項目區處于東亞溫帶季風氣候區，冬季為極地大陸氣團所控制，多西北風，干冷少雨。四季分明，冬季氣溫干燥寒冷，夏季潮濕、雨量集中，降水量年內分配不均，主要集中在七、八、九三個月，年最大降水量達1 024 mm，年最小降水量為310.80 mm，多年平均降雨量為696.40 mm。

2.2 水文

項目區夏季因太平洋副熱帶高壓加強北上，盛行偏南風，易在太行山迎風坡形成大暴雨。暴雨頻次多、量級大。

3 退水閘設計與計算

3.1 設計依據及標準

3.1.1 設計依據

退水閘的設計依據是：《水利水電工程等級劃分及洪水標準》《水利水電工程初步設計報告編制規程》《蓄滯洪區建筑工程技術規范》《堤防工程設計規范》《水閘設計規范》《灌溉與排水設計規范》，其他有關規程、規范等。

3.2 工程等級及標準

3.2.1 工程等級及標準

根據《河南省發展和改革委員會關于河南省漳衛河系衛河坡洼（良相坡 柳圍坡、崔家橋）蓄滯洪區工程建設可行性研究報告（鶴壁市部分）的批復》衛河右堤堤防級別為3 級，申店隔堤堤防級別為4級，南、北長虹渠退水閘建筑物級別為4級。

3.2.2 主要設計允許值

按照《堤防工程設計規范》，3級堤防安全加高值為0.70 m；4級堤防安全加高值為0.60 m；防止滲透變形的允許水力比降：無黏性土的安全系數為1.50～2.00，黏性土的安全系數不應小于2.00，堤防邊坡抗滑穩定安全系數詳見表1。

表1 堤防邊坡抗滑穩定安全系數允許值表

3.3 水閘計算

3.3.1 閘孔總凈寬計算

南、北長虹渠退水閘為柳圍坡蓄滯洪區的退水控制工程，其設計退水流量分別為90 m3/s 和60 m3/s。兩閘分別位于南、北長虹渠上，根據其運用工況，日常為開啟狀態以排泄上游澇水；蓄滯洪區啟用時關閉閘門滯蓄洪水；洪水過后開啟閘門宣泄滯蓄洪水。兩退水閘除滿足設計退水流量外，還需滿足南、北長虹渠的排澇流量要求。因此，退水閘閘孔凈寬計算，應采用退水流量和排澇流量兩種情況確定。

水閘閘孔總凈寬按《水閘設計規范》計算。一般情況下，平原區水閘的過閘水位差可采用0.10～0.30 m，此工程計算采用過閘水位差取0.20 m。設計水位泄流時屬于堰流，且處于高淹沒出流狀態。計算公式如下：

式（1）（2）中：B0—閘孔總凈寬（m）；Q—過閘流量（m3/s）；H0—堰上水深，H0=H+/2g（m）；g—重力加速度，g=9.81 m/s2；μ0—綜合流量系數；hs—堰頂算起的下游水深（m）。

根據以上公式，對南、北長虹渠退水閘五年一遇澇水時的過閘流量進行復核計算。退水閘下游水位采用南、北長虹渠設計5年一遇排澇水位，上游水位按照下游水位加過閘損失0.20 m確定。計算水閘寬度設計詳見表2。

表2 閘孔總凈寬設計成果表

3.3.2 水閘控制過流計算

按照南、北長虹渠退水閘的運用方式，發生50年一遇洪水時，退水閘上游柳圍坡蓄滯洪區設計滯洪水位為65.05 m，下游長虹渠蓄滯洪區設計滯洪水位為62.49 m。當衛河洪峰過后，長虹渠蓄滯洪區可通過長虹渠退水閘控制下泄，逐步分泄長虹渠蓄滯洪區內部滯蓄洪水時，柳圍坡蓄滯洪區可利用南、北長虹渠退水閘，控制下泄柳圍坡蓄滯洪區內部滯蓄洪水，通過長虹渠退水進入衛河。按照蓄滯洪區運用規劃，南、北長虹渠退水流量不應大于90 m3/s、60 m3/s。為保證其下游長虹渠蓄滯洪區的運用安全，長虹渠蓄滯洪區滯洪水位不能高于62.49 m。因此，在退水工況下，選取退水閘上、下游最不利水位，即上游水位選取柳圍坡蓄滯洪區設計50年一遇滯洪水位65.05 m，下游水位選取長虹渠蓄滯洪區設計50年一遇滯洪水位62.49 m，計算南、北長虹渠的閘門開度，以確定工程運行過程中的閘門控制，保證下游長虹渠蓄滯洪區及衛河的防洪安全。

水閘過流計算采用無坎寬頂堰閘孔出流，計算公式如下：

式中：Q—流量；e—閘孔開度；n—孔數；b—每孔凈寬；H0—計入行近流速的堰頂水頭；σs—淹沒系數；μ—流量系數，μ=εφ；φ—流速系數；ε—垂直收縮系數。

根據以上分析，按照上述計算公式，對南、北長虹渠退水閘在水閘上游水位為65.05 m，下游水位為62.49 m，過閘流量分別為90 m3/s、60 m3/s的情況下，計算其閘門開度。水閘計算結果詳見表3。

表3 水閘過流計算成果表

通過以上計算結果，南、北長虹渠退水閘在50年一遇洪水時，閘門開度應控制在不大于1.31 m 和1.22 m，能夠滿足規劃的退水流量要求，確保下游防洪安全。

3.3.3 防滲排水計算

南、北長虹渠退水閘閘底板分別坐落在細砂、粉砂層，為砂礫石地基。驗算砂礫石閘基出口段抗滲穩定性時，判別發生滲流破壞形式。

式中df—閘基土的粗細顆粒分界粒徑（mm）；Pf—小于df的土粒百分數含量（%）；n—閘基土的孔隙率；d15、d85—閘基土顆粒級配曲線上小于含量15%、85%的粒徑（mm）。

為防止閘基發生管涌和流土等滲透破壞，水閘必須具有足夠的閘底輪廓長度。根據《水閘設計規范》，采用勃萊法初擬閘基防滲長度：

式中：L—閘基最小防滲長度（m）；C—允許滲徑系數，閘基土層為細砂或粉砂，根據《水閘設計規范》表4.3-2 規定，允許值分別為7～9 或9～13，此工程取值南長虹渠退水閘閘基土層為細砂，允許值為9；北長虹渠退水閘閘基土層為粉砂，允許值為13；△H—上、下游水位差，m。

按最不利情況，上游最高擋水位，下游渠道無水，考慮到排水反濾層失效的可能性，適當加大滲徑系數。此工程初擬允許滲徑系數14 m，閘基防滲長度按36 m計算。

為降低閘底滲透壓力，消力池底板下鋪墊反濾料，分層采用碎石、粗砂及土工布；海漫底板下鋪墊一層砂礫墊層。消力池與海漫底板上呈梅花形布置排水孔，排水孔采用PVC管，管底用無紡布包裹。

按照工程地質勘察報告，南長虹渠退水閘地基土為細砂，根據《水閘設計規范》表6.0-4規定，水平段滲流坡降允許值為0.07～0.10，出口段滲流坡降允許值為0.30～0.35；北長虹渠退水閘地基土為粉砂，水平段滲流坡降允許值為0.05～0.07，出口段滲流坡降允許值為0.25～0.30。由于南、北長虹渠退水閘滲流出口處設有濾層，允許滲透坡降值可增大30%。經計算，南、北長虹渠退水閘水平段及出口段滲流坡降滿足規范要求。

3.3.4 閘室穩定計算

計算工況：完建期、正常擋水期、地震情況。

施工完建期閘前后均無水，只考慮結構、設備自重與土壓力。常水位情況按照觀測閘前按1.00 m深，閘后水位無水。地震情況為常水位情況加地震力；地震力包括水平向地震慣性力及動水壓力。

閘室抗滑穩定按下式驗算：

式中：Kc—沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f—閘室基底面與地基土之間的摩擦系數；∑H—作用在閘室上的全部水平向荷載，（kN）；［KC］—允許抗滑穩定安全系數。

根據《水閘設計規范》，土層上的閘室穩定計算應滿足：①各種計算情況下閘室平均基底壓力不得超過地基允許承載力，最大基底壓力不大于地基允許承載力的1.20倍；②基底壓力的不均勻系數不得大于規定的允許值，以免產生過大的不均勻沉降，正常情況不均勻系數小于2.00，特殊組合情況不均勻系數小于2.50；③水閘運用期，抗滑穩定安全系數不得小于規定的允許值。正常情況抗滑穩定安全系數大于1.20，地震情況抗滑穩定安全系數大于1.00。

各水閘閘室穩定計算成果見表4。

表4 閘室穩定計算成果表

由表4 可知，重建水閘閘基穩定安全系數、閘底應力不均勻系數均滿足規范要求。

3.4 水閘設計

南、北長虹渠退水閘主要功能為攔蓄滯洪洪水和河道洪水、控制下泄流量，因此采用穿堤涵閘形式。閘房與堤頂采用簡支橋板連接，橋板寬1.20 m。閘室與消力池段采用穿堤箱涵連接，穿堤箱涵共4 孔，單孔凈寬3 m，長15 m。閘門采用平板鑄鐵閘門，啟閉機采用手電兩用螺桿式啟閉機。設置胸墻還能夠有效降低閘門高度和排架柱高度，節省投資。因此南、北長虹渠退水閘采用胸墻式閘室。水閘設計成果見表5。

表5 水閘設計成果表

4 結論

綜上所述，結合退水閘設計規范及南、北長虹渠退水閘工程的實際，文章對南、北長虹渠退水閘閘孔總凈寬、箱涵過流、水閘控制過流、消能防沖、防滲排水、閘室穩定計算，并對其進行設計，不僅滿足南、北長虹渠正常運用的要求，同時也滿足南、北長虹渠防洪安全的要求。