三金攔河閘加固改建特征水力分析

李耿榮

（惠州市水電建筑工程有限公司,廣東 惠州 516001）

1 工程概況

廣東省興寧市寧江河三金攔河閘,在合水水庫灌區西溝河塘水閘的出口下游400 m處,閘址以上集雨面積1086 km2,其中合水水庫、石壁水庫控制集水面積680 km2,區間集雨面積406 km2。

三金攔河閘工程由陂頭、沖砂閘、電站等建筑物組成,于20世紀90 年代初建成投入使用。陂頭頂（堰頂）高程為104.20 m,溢流陂高3.5 m,陂頂寬2.3 m,陂底寬8 m,陂長（垂直于水流方向）72 m；沖砂閘凈寬7 m,邊墩厚1 m,總寬9.0 m。下游設長20 m,深0.6 m的200 號塊石混凝土消力池一座,下接長40 m的海漫段,海漫后設干砌石防沖槽,兩岸為重力式和護坡式及兩者結合的漿砌石或混凝土護砌。

2 加固改建特征水位

三金攔河閘加固改建后的特征水位計算成果見表1。

表1 三金攔河閘特征水位表

2.1 地基特性及設計參數

采用廣東核力工程勘察院編制的工程地質勘查報告,閘址區巖土主要物理力學性質指標見表2。

表2 巖土主要物理力學性質指標

2.2 抗滲穩定性復核

2.2.1 地下輪廓線長度和閘室垂直抗滲復核

正常蓄水時期的上下游水頭差最大,本次抗滲復核選取現狀正常蓄水位104.2 m時的水頭差進行計算分析。

復核地下輪廓線長度采用勃萊法,地下輪廓線的長度L用下式計算：

式中：H為上下游水位差H=104.2-100.3=3.90 m；C為滲徑系數,地基主要為中粗砂層,按有濾層考慮,取C=5。

經計算現狀輪廓線滿足設計要求,計算成果見表3。

表3 勃萊法抗滲復核計算成果

根據規范推薦阻力系數法,可以求得底板平均坡降J0和出口處坡降J1,計算公式：J0=出口段水頭損失／出口段垂直長度J1=水平段水頭損失／水平段長度

2.2.2 復核結果分析

從表4可知,抗滲穩定安全系數K＞1,出口段滲透坡降為0.41和0.43,均小于中粗砂層允許滲流坡降值0.45,底板水平段滲透坡降為0.11,小于允許滲流坡降值0.13,陂頭抗滲穩定性滿足要求。

表4 阻力系數法抗滲復核計算成果

3 改建后水力計算

3.1 運行調度

根據本工程工程任務,確定攔河閘的調度運行原則如下：

1）當上游來水較小時,來水全部用于兩岸灌溉。

2）當上游來水在滿足兩岸灌溉引水后的余水量Q來≤30 m3/s（機組滿發時流量）時,攔河閘門全部關閉,上游來水全部供機組發電,閘前保持正常蓄水位105.00 m。

3）當上游來水在滿足兩岸灌溉引水后的余水量30 m3/s＜Q來≤390 m3/s時,電站正常發電,攔河閘門局部開啟,以宣泄超出最大發電過流量的剩余洪水,閘前保持正常蓄水位105.00 m。

4）當上游來水在滿足兩岸灌溉引水后的余水量Q來＞390 m3/s時,開啟全部閘門滿負荷泄洪,恢復自然河道水流狀態,由于下游洪水宣泄速度較慢,這時的上下游水頭差會小于1.5 m,關閉水輪發電機組停止發電。基本洪峰過后,再逐漸蓄水到正常蓄水位105.00 m,開啟發電機組。

5）當上游來水量Q來＜390 m3/s,電站因故停機時,開啟部分攔河閘,按上游來水量調控泄洪,保持上游正常蓄水位105.00 m；當上游來水量Q來＞390 m3/s時,攔河閘閘門全部開啟泄洪。

閘門由中間孔向兩側,隔孔對稱開啟,要多孔同步操作；關閉則相反。增加泄洪量時,先設定增開閘數,再逐漸增加開度,大開度閘孔宜設在中間,避免造成大量洪水沖刷。

3.2 泄洪能力和上游壅高校核

根據攔河閘控制運行方式,當上游來水流量超過390 m3/s時,所有閘門全部打開,此時的過閘水流為堰流,泄流能力計算公式：

式中：B0為各閘孔凈寬之和,m；Q為泄洪量,m3/s；σ為堰流淹沒系數；ε為堰流側收縮系數；m為堰流流量系數,0.385；g為引力加速度取9.81 m/s2；H0為堰上流態水深,m。

經計算,攔河水閘泄洪能力及上游水位壅高值計算成果,見表5。

表5 水閘泄洪能力及上游水位壅高值

計算結果表明,按所選的攔河水閘布置方案,在泄放各種頻率的洪峰流量時,上游水位壅高值均在0.3 m以下,滿足要求。另外,上游兩岸堤防設計標準為20 年一遇,按壅高后上游水位107.88 m計,考慮堤頂安全超高及風浪爬高后,上游兩岸堤防堤頂高程應高于109.08 m,上游兩岸現狀堤頂高程約為109.15 m,滿足上游防洪要求。

3.3 閘下游水流銜接

根據節制閘運行方式,結合本工程水閘下游河床條件,采用綜合式消能方式進行設計。消能設計條件：

1）電站因故停機時,首先將上游蓄水位控制在105.00 m以下,通過水閘開啟數量保持水流平緩,通過控制水閘開度調節下泄流量,確保來水量下泄。閘門開啟按照先增加開閘孔數,再增加閘門開度的原則進行,分檔高度按每檔高度設為0.25 m。根據下游河道水位流量關系曲線以及下泄流量計算下游水位,水位升高必然滯后于泄洪流量的增加速度,因此選用低一級閘門開度的下游河道水位。

2）天然來水量大于390 m3/s時,閘門全開,便于下泄各種頻率的洪水。

通過水工模型試驗,進一步驗證下游消能設計方案及上下游水流連接條件,為下階段的設計提供可靠依據。水流泄洪調度要按“多孔同步、中間開度大、兩邊開度小、對稱分級、緩慢開啟”的原則啟閉,嚴禁一孔開到頂集中泄流。

4 改建后新閘的閘室穩定性計算

閘室采用兩孔一聯及一孔一聯的整體結構,驗算沿地基面的抗滑穩定和地基應力。地基為中粗砂層,根據地質資料,承載力標準值為160 kPa,混凝土與中粗砂層間摩擦系數f=0.35。

4.1 荷載組合驗證

1）荷載計算公式

①采用《水閘設計規范》（SL 265-2001）第7.3.6-1條公式,進行閘室沿基礎底面的抗滑穩定計算,計算公式：

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,取0.35；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載,kN；∑H為作用在閘室上的全部水平荷載,kN。

②采用《水閘設計規范》（SL 265-2001）第7.3.4-1條公式,進行閘室基底應力計算,計算公式：

抗滑穩定及基底壓應力計算成果,見表6。

表6 抗滑穩定及基底壓應力計算成果表

2）計算工況、荷載及荷載組合

作用在閘體上的荷載主要有：自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、波浪壓力等；荷載組合見表7。

表7 閘室穩定和基底應力計算荷載組合表

4.2 穩定分析成果及結論

閘室在各種運用條件下的抗滑穩定安全系數及基底應力值計算成果見表8。

表8 閘室應力成果表

從表7中可看出,閘室抗滑穩定滿足《水閘設計規范》要求,基底應力值較小且分布比較均勻,閘基上下游應力均小于地基允許承載力,無拉應力產生,布置合理,閘室安全。

5 結論

根據地質資料,閘址處河床覆蓋層厚度14.4 m～14.7 m,其中粗砂層厚5.7 m～6.1 m,粘土層厚5.1 m～5.3 m,卵石層2.5 m～2.1 m；覆蓋層以下為強風化泥巖。根據地質資料顯示,中粗砂層的允許承載力為160 kPa,粉質粘土層允許承載力為200 kPa。經計算,閘基底最大應力為95 kPa,在地基的允許應力范圍內,故本階段選擇中粗砂層作為閘基的持力層,攔河閘閘基底面高程為99.20 m；根據水閘設計規范,中粗砂基礎可不進行沉降計算。

由于地基中粗砂為強～極強透水層,故需對地基進行防滲處理。由于中粗砂層較淺,將底板前齒墻做到98.2 m高程,截斷透水層即可滿足防滲要求。水閘右岸扶壁式岸墻的扶壁,起刺墻的作用,防止水閘側向繞滲。

經基底抗滲穩定計算,水閘閘室的水平段和出口段最大滲流坡降值為0.06和0.32,小于基底表面土層中粗砂層的允許滲流坡降值0.13和0.45,因此閘室地基經防滲處理后基底抗滲穩定滿足規范要求。