水利工程水閘施工的水力計(jì)算方法研究

曹征強(qiáng)，孟劍偉

（上海建工（浙江）水利水電建設(shè)有限公司,浙江 紹興 312000）

水閘屬于泄水和低水頭擋水建筑物,擁有河道治理、調(diào)節(jié)流量、排澇、防洪等功能。在實(shí)際開(kāi)展水利工程建設(shè)工作時(shí),水閘施工屬于非常重要的施工內(nèi)容,而合理開(kāi)展水力計(jì)算是保證水閘符合工程要求的重要工序,在水閘水力計(jì)算中主要包含消力池計(jì)算、過(guò)流計(jì)算等。在水閘水力計(jì)算中存在求解高次方程的情況,很多相關(guān)人員無(wú)法快速準(zhǔn)確地獲得水力計(jì)算結(jié)果,降低了水利工程水閘施工效率,有時(shí)甚至?xí)?duì)水閘施工質(zhì)量造成不良影響。所以,研究水利工程水閘施工的水力計(jì)算方法非常有必要。

1 工程概況

李家橋節(jié)制閘是在1971 年11 月建成,整體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),為七孔開(kāi)敞式,安裝了升臥式平板鋼閘門(mén)。在開(kāi)展加工工程前,原閘長(zhǎng)度為84 m,凈寬70 m,每孔凈寬為10 m,閘底板高程為15.55 m。在設(shè)計(jì)中防洪流量需要達(dá)到658 m3/s,相應(yīng)閘上水位為21.49 m；需排澇流量達(dá)到429 m3/s,相應(yīng)閘上水位為20.17 m。該工程主要功能為蓄水灌溉,在必要時(shí)需要發(fā)揮輸水調(diào)水、防洪排澇的作用,屬于中型水閘工程。在設(shè)計(jì)水閘時(shí)確定最大防洪流量846 m3/s,水工建筑物等級(jí)為Ⅲ等三級(jí)。

2 水閘病險(xiǎn)現(xiàn)狀及安全負(fù)荷

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)50 年的運(yùn)行,該節(jié)制閘目前面臨嚴(yán)重的安全問(wèn)題。受長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行以及養(yǎng)護(hù)工作不規(guī)范和低建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響,導(dǎo)致水閘的防洪性能無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)?shù)睾恿鞯姆篮闃?biāo)準(zhǔn),且過(guò)流能力較差。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的銹蝕問(wèn)題,機(jī)架橋的混凝土強(qiáng)度較低。地基方面出現(xiàn)了不同程度的沉降情況,并在刺墻沉降縫處出現(xiàn)了裂縫。水閘滲透形狀發(fā)生變化,下游護(hù)坡也不完整。此外,閘底板出現(xiàn)沉陷或斷裂情況,少數(shù)閘孔底板出現(xiàn)異常涌水現(xiàn)象。

結(jié)合當(dāng)?shù)睾：恿饔蚓C合規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)可知,該閘20 年一遇防洪流量為658 m3/s,50 年一遇防洪流量為846 m3/s。在開(kāi)展本次重建工程前,該閘使用的是20 年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),防洪流量為658 m3/s,在該水閘中最大可過(guò)流流量為775 m3/s,在重建前存在較低防洪標(biāo)準(zhǔn),過(guò)流能力與50 年一遇防洪流量存在較大差異。在重建時(shí),需要提高該水閘為50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),水閘需要達(dá)到最大可過(guò)流量900 m3/s,從而為順利發(fā)揮防洪排澇作用提供有效保障。

3 節(jié)制閘重建方案

進(jìn)行安全鑒定后,決定拆除原有的節(jié)制閘,并計(jì)劃在原址上方8 m 處進(jìn)行重建工作。新的水閘將被布置在馬頰河干流上,為了避開(kāi)原有樁基,并與現(xiàn)有交通道路中心線(xiàn)結(jié)合,計(jì)劃沿用相同的垂直水流向交通橋軸線(xiàn),以增加水閘的過(guò)流寬度,從而提高水閘的過(guò)流能力。

在充分考慮綜合造價(jià)、運(yùn)行管理、檢修維護(hù)、構(gòu)建物布置等因素后,決定使用平板閘,設(shè)置樁基開(kāi)敞式閘室,8 孔,每孔為10 m 凈寬,邊墩與中墩均為1.2 m 厚,總寬度為90.8 m。與橡膠壩和翻板閘相比,雖然存在較大阻水性,但是也具有檢修維護(hù)簡(jiǎn)單、水工結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、升降操作效率高等優(yōu)勢(shì),且只需要投入適中的工程造價(jià)。

4 水力計(jì)算方法

在開(kāi)展水閘施工水力計(jì)算工作時(shí),其計(jì)算對(duì)象主要包括防滲透排水計(jì)算、水流量能力計(jì)算以及消減下泄水流動(dòng)能防沖計(jì)算,計(jì)算依據(jù)主要為《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）。

4.1 計(jì)算防滲排水的方法

在充分考慮《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的基礎(chǔ)上,在分析地基滲漏穩(wěn)定性的過(guò)程中需要使用改進(jìn)阻力系數(shù)法。

（1）計(jì)算地基有效深度

在計(jì)算過(guò)程中需要采取以下方法,首先確定地下輪廓垂直投影長(zhǎng)度So和地下輪廓水平投影長(zhǎng)度的數(shù)值Lo的數(shù)值,當(dāng)確定Lo/So結(jié)果在5 以上時(shí),則證明地基有效深度Te為地下輪廓水平投影長(zhǎng)度的一半。倘若地基存在高于自身實(shí)際深度的有效深度,在計(jì)算滲流時(shí)則需要使用地基實(shí)際深度。

（2）計(jì)算分段阻力系數(shù)

在計(jì)算結(jié)構(gòu)出口段和結(jié)構(gòu)進(jìn)口段阻力系數(shù)的過(guò)程中相關(guān)人員可使用以下公式：

式中：ζo表示出口和進(jìn)口段阻力系數(shù)；T 表示地基透水層深度,m；S 表示齒墻的入土深度,m。

在計(jì)算內(nèi)部結(jié)構(gòu)垂直水流段阻力系數(shù)時(shí)可使用以下公式：

式中：ζy表示內(nèi)部垂直段阻力系數(shù)。

（3）計(jì)算結(jié)構(gòu)各分段出水頭損失值

在開(kāi)展該項(xiàng)參數(shù)計(jì)算工作時(shí),相關(guān)人員應(yīng)使用以下公式：

式中：∑ζi表示所有分段總阻力系數(shù)；ζi表示第i 段阻力系數(shù)；ΔH 表示上下游水位差,m；hi表示第i 段水頭損失值,m。

（4）計(jì)算滲漏坡降

在計(jì)算滲漏坡降的過(guò)程中相關(guān)人員應(yīng)使用不同的公式計(jì)算水平段和出口段,當(dāng)計(jì)算水平段時(shí)需要使用以下公式：

式中：Li表示順?biāo)鞣较虻趇 個(gè)水平段長(zhǎng)度,m；hi表示順?biāo)鞣较虻趇 個(gè)水平段水頭損失值,m。

4.2 計(jì)算過(guò)流能力的方法

與上述規(guī)范相結(jié)合,相關(guān)人員可以使用以下公式計(jì)算閘孔斷面過(guò)水流量：

式中：μo表示過(guò)堰水流受到下游水位的淹沒(méi)作用的綜合流量系數(shù)；g 表示重力加速度,在公式中取9.8 m/s2標(biāo)準(zhǔn)值；hs表示從堰頂算起的下游水深,m；Ho表示從上游到閘孔部位流入水流速度水頭的堰上水深,m；Bo表示閘孔總凈寬,m；Q表示過(guò)閘流量,m。

4.3 計(jì)算消能防沖的方法

在充分考慮相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,在消減狀態(tài)下泄水流動(dòng)能防沖需要充分考慮最大程度防水、設(shè)計(jì)排洪以及設(shè)計(jì)排澇三種工況的相應(yīng)流量。

在計(jì)算消能池底板厚度時(shí)需要使用以下公式：

式中；k1表示消能池底板計(jì)算系數(shù),取0.20；t 表示消能池底板起始端厚度,m；ΔH'表示上下游在泄水過(guò)程中的水位差,m。

5 節(jié)制閘水力計(jì)算

5.1 改造后影響河道防洪能力的情況

以《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）為依據(jù),使用以上公式計(jì)算在50 年一遇洪水和20 年一遇洪水情況下節(jié)制閘的壅水情況和過(guò)流能力,見(jiàn)表1。

表1 某節(jié)制閘改造前后壅水情況

在將相關(guān)數(shù)據(jù)上報(bào)給規(guī)劃部門(mén)后,經(jīng)審核本次設(shè)計(jì)中的水閘壅水高度符合設(shè)計(jì)規(guī)范,能夠在一定程度上提升河道的防洪能力和水流量。

5.2 消能防沖情況

因?yàn)樵摴?jié)制閘為平原地區(qū)攔蓄閘,河床只存在相對(duì)較低的抗沖刷能力,因此在消能中采取底流式方式。由于第1 次開(kāi)啟閘門(mén)最重要的影響因素,若是下游為0 m水深或者污水時(shí),試算得池長(zhǎng)17.399 m 和池深1.13 m。初定消力池深為1.2 m,并將1∶4 斜坡段設(shè)置在消力池前端,水平投影長(zhǎng)為5 m,池長(zhǎng)度為20 m。閘門(mén)以0.5 m 高度差為依據(jù)進(jìn)行逐級(jí)提升,最終得到如表2 所示的消力池特征參數(shù)。

表2 消力池特征參數(shù)

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知,在充分考慮相似工程成功經(jīng)驗(yàn)和該節(jié)制閘實(shí)際情況的基礎(chǔ)上,可以明確消能防沖設(shè)施的實(shí)際尺寸,即2 m 防沖槽深度、0.5 m 厚底板、35 m 海漫長(zhǎng)度、20 m池長(zhǎng)、1.2 m 池深。

5.3 防滲措施

在本次工程防滲布置中,有機(jī)結(jié)合導(dǎo)滲和滯滲兩種方法。建設(shè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的閘室底板,設(shè)置為15 m 長(zhǎng)度,防滲工作主要由閘室底板來(lái)完成,與計(jì)算值38.5 m 的要求相比滲徑長(zhǎng)度與相關(guān)要求不符。針對(duì)此種情況,相關(guān)人員決定將鋼筋混凝土鋪蓋設(shè)置在閘室上游端,總長(zhǎng)為25 m,可發(fā)揮出與防滑板相似的作用,滲徑總長(zhǎng)度為44.14 m,比指標(biāo)要求的38.5 m更高。在邊墩上游端部位將扶壁式弧形鋼筋混凝土翼墻設(shè)置在兩側(cè),從而使閘門(mén)擁有更高的繞流防滲性能。閘室下游運(yùn)用土工布和四級(jí)反濾相結(jié)合的方式導(dǎo)滲,將一級(jí)導(dǎo)滲設(shè)置在水平向,位置為消力池底部起首處,同時(shí)在護(hù)坡底部設(shè)置側(cè)向?qū)B。

6 穩(wěn)定性分析

該節(jié)制閘為平板鋼閘門(mén),屬于開(kāi)敞式中型介質(zhì)閘,為10 m×2.5 m8孔設(shè)計(jì),順?biāo)鞣较蜷l門(mén)底板長(zhǎng)度為15 m,承臺(tái)寬為5 m,其設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板,墩厚度為1.2 m,高7.8 m。在完建工況下分析該節(jié)制閘邊墩和中墩的穩(wěn)定性,見(jiàn)表3。由表3 可知,在工程完工情況下,水閘可滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定系數(shù)相關(guān)要求。

表3 邊墩和中墩穩(wěn)定性分析結(jié)果

7 結(jié)論

在本次研究中以實(shí)際節(jié)制閘重建工程為研究對(duì)象,分析了計(jì)算防滲透排水、計(jì)算水流量能力、計(jì)算消減下泄水流動(dòng)的方法,詳細(xì)論述了水利工程水閘施工中的水力計(jì)算方法,最終該節(jié)制閘重建工程順利完成了建設(shè)任務(wù)并達(dá)到了較高的質(zhì)量水平,充分證明了本文所述水力計(jì)算方法的科學(xué)性和有效性。