某灌區總干渠3#退水閘設計研究

田振燕，惠志賓

（河南靈捷水利勘測設計研究有限公司，河南 南陽 473000）

1 工程概況

刁河總干渠3#退水閘位于刁河總干渠樁號28+772 處渠尾，采用胸墻式結構，設計過閘流量45 m3/s，閘孔總凈寬6 m，單孔寬3 m，共2孔；建筑物等級為3級。刁河總干渠3#退水閘重建后，閘孔總凈寬未改變，閘底板控制高程與原閘保持一致135.58 m，上游設計水位未變化，上游襯砌渠深4.60 m。

2 退水閘結構設計

刁河總干渠3#退水閘進口段長17 m，兩岸采用圓弧翼墻與上游渠道銜接，底部采用50 cm 厚C25 混凝土鋪蓋；閘室段長11.20 m，采用C30 鋼筋混凝土結構，底板厚100 cm，閘墩厚120 cm。陡坡段長3.20 m，兩側邊墻為C25混凝土重力式擋墻結構，底板為50 cm厚C30鋼筋混凝土現澆結構；消力池長13 m，兩側擋墻及底板與陡坡段相同；消力池出口采用漿砌石扭面與下游渠道銜接，渠底采用30 cm 厚C25 混凝土護底；扭面后接海漫段，長15 m，渠底及岸坡均采用30 cm厚格賓護砌，海漫末端設拋石防沖槽。

根據需要在閘前設置凈寬5 m 交通橋便于交通道路銜接。在上下游翼墻及邊墩外側設高1.10 m不銹鋼欄桿。

操作室布置在閘頂，總長4.50 m，總寬8.90 m，共2 間，層高3.30 m，操作室為磚混結構，樓面和屋面為現澆板，板厚0.12 m，操作室外部設挑檐，寬1 m，挑檐外側設高1.10 m不銹鋼欄桿。下部為C30鋼筋混凝土立柱，立柱尺寸50 DN 50 cm。于右岸設鋼斜梯1座與操作室連接，寬0.80 m，高5.10 m，斜度59h，便于工作人員上下。

3 退水閘水力分析計算

3.1 退水閘閘孔寬度分析計算

平底閘堰流閘孔總凈寬計算：

式中：B0為閘孔總凈寬（m）；Q 為過閘流量（m3/s）；H0為計入行近流速水頭的堰上水深（m）；g 為常數（取9.81 m/s2）；m 為流量系數（取0.385）；ε為堰流側收縮系數；σ為堰流淹沒系數；hs為由堰頂算起的下游水深（m）。

刁河總干渠3#退水閘（樁號28+772）流量45 m3/s，上游水深4 m，閘底板算起的下游水深1.58 m，計算孔寬5.15 m，重建閘孔尺寸2 N 3 N 3 m，出流型式孔流。

3.2 消能防沖計算

3.2.1 消力池過水尺寸計算

消力池型式選用斜坡段下接矩形斷面復合結構。經計算退水閘消力池尺寸計算成果見表1。

表1 退水閘消力池過流尺寸計算表

3.2.2 海漫分析計算

3.2.2.1 海漫長度計算

除刁河總干渠3#退水閘外，其余水閘下游渠道均已采用混凝土襯砌，因此僅對刁河總干渠3#退水閘進行海漫長度及沖刷深度計算。

經計算海漫長度為18.80 m。設計中消力池后設5 m 長30 cm 厚混凝土海漫和15 m 長30 cm 厚格賓海漫，海漫長度共計20 m，符合要求。海漫末端沖刷深度計算為2.68 mm。為了保護下游海漫免受沖刷危害，需做防沖處理，根據堆石數量應遵循以能安全覆蓋沖刷坑的上游坡面或下游坡面，防止沖坑向上游發展而危及海漫結構安全的原則設置防沖槽。因消力池末端已采用30 cm厚混凝土和格賓石籠護底進行護砌，設計中按一般構造要求結合以往水閘設計經驗設置防沖槽，拋石防沖槽深1 m、長5 m。

4 閘基滲流穩定計算

4.1 閘基防滲長度計算

閘底板座于原狀粉質粘土上。底板滲流采用以下公式計算。

防滲長度的基本計算公式為：

式中：C—滲徑系數，根據《水閘設計規范》中的允許滲徑系數值；ΔH—上、下游水位差，按照最大水位差計算，單位m。

刁河總干渠3#退水閘（樁號28+772）流量45 m3/s，上游水位差4.30 m，滲徑系數C4需要防滲長度L19.20 m，實際防滲長度27 m。退水閘的實際防滲長度大于最小防滲長度，閘基防滲設計滿足穩定要求。

4.2 閘基滲流穩定計算

刁河總干渠3#退水閘建筑物級別為3級，除防滲長度復核外，對其閘基滲流進行計算，根據《水閘設計規范》附錄C，土基上水閘滲流穩定計算方法采用改進阻尼系數法。計算結果見表2。

表2 閘基滲流穩定計算成果表（改進阻尼系數法）

根據上表及工程地質情況，最不利工況下水平段、出口段滲透坡降分別小于閘基水平段允許滲流坡降、出口段允許滲流坡降，說明閘基防滲效果良好，不會發生滲透破壞、滲透穩定滿足規范要求。

5 退水閘閘室穩定應力分析計算

5.1 確定計算工況

由《水閘設計規范》可知，分析計算閘室穩定和應力荷載組合分基本組合和特殊組合兩種。基本組合采用完建工況、設計擋水工況2種工況計算。特殊組合采用設計擋水+7度地震計算。計算工況及荷載組合詳見表3。

表3 退水閘閘室穩定計算工況表

5.2 閘室沿基礎底面的抗滑穩定計算

由《水閘設計規范》可知：KC＝f∑G/∑H。在各種荷載組合工況下，閘室基底面抗滑穩定安全系數應滿足Kc＞［KC］。

5.3 閘室基底應力計算

式中：η—不均勻系數；σmax、σmin—最大及最小應力值。

地震慣性力：地震慣性力代表值根據《水工建筑物抗震設計標準》規定，采用進行擬靜力法計算。

沿建筑物高度作用于各質點的水平向地震慣性力代表值：F=ahξGEiai/g。動水壓力作用在水面以下0.54 H0處，其代表值F0按下式計算：F0=0.65 ahξpw。作用于水閘上的地震動水壓力：F3=0.65 ahξpw

刁河總干渠3#退水閘（樁號28+772）閘室穩定計算成果，工況1完建期抗滑穩定安全系數kc大于［Kc］=1.2，σmax29.35（kPa）和σmin26.11（kPa），不均勻系數1.12 小于不均勻系數允許值2.00，地基容許承載力（kPa）120；工況2設計擋水抗滑穩定安全系數kc6.89 大于［Kc］=1.2，σmax31.43（kPa）和σmin28.88（kPa），不均勻系數1.09 小于不均勻系數允許值2.00，地基容許承載力（kPa）120；工況3（擋水+地震）抗滑穩定安全系數kc1.95 大于［Kc］=1.05，σmax101.2（kPa）和σmin90.3（kPa），不均勻系數1.12 小于不均勻系數允許值2.50，地基容許承載力（kPa）180。

5.4 擋墻穩定計算

計算內容有：擋墻的基底應力、抗滑穩定性、抗傾覆穩定性。

擋墻地基承載力驗算，選取單位長度墻體，在垂直壓力ΣG作用下，墻體前后緣的地基應力為：

最大地基應力不大于地基容許承載力，最小應力不小于零，即地基全部受壓。

擋墻抗滑穩定計算公式：

式中：KC—抗滑安全系數；［KC］—允許抗滑安全系數；f—墻底與地基間摩擦系數，取f=0.30；ΣW—墻基面所受垂直力之和，kN；ΣP—墻體所受水平力之和，kN。

抗傾穩定計算公式：

式中：K0—抗傾安全系數；［K0］—允許抗傾安全系數；ΣMy—抗傾力矩，kN/m。

擋墻穩定計算成果：工況1正常狀態下基底應力88.35 kPa，容許承載力［σ］180 kPa，抗滑Kc 為1.28 大于［Kc］=1.25，抗傾Kf為2.19 大于［Kf］=1.5；工況2（正常+地震）狀態下基底應力93.21 kPa，容許承載力［σ］為180 kPa，抗滑Kc為1.13大于［Kc］=1.05，抗傾Kf為1.65 大于［Kf］=1.30。擋墻穩定計算滿足規范要求。

6 結語

綜上所述，對某灌區干渠大型退水閘從水閘結構設計、水力計算、閘基滲流穩定計算及閘室穩定應力計算等主要部分完成退水閘設計基本內容，獲得相應成果，可為同類工程建設提供參考。