水閘除險加固中堰型的選擇

劉 娟，趙曉軍

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，烏魯木齊 830002)

水閘除險加固中堰型的選擇

劉 娟，趙曉軍

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，烏魯木齊 830002)

本文結(jié)合工程實例及分析計算，綜合比較了梯形堰、WES曲線堰、寬頂堰三種堰型的優(yōu)劣。過流能力比較得出：梯形堰與WES曲線堰側(cè)收縮系數(shù)相同，比寬頂堰略大;WES曲線堰流量系數(shù)最大，梯形堰與寬頂堰相近。投資比較：WES曲線堰比梯形堰更經(jīng)濟(jì)。因此，WES曲線堰為最優(yōu)堰型。

過流能力;堰型;比選標(biāo)準(zhǔn)

1 樞紐概況

一干渠引水樞紐位于阿勒泰地區(qū)福海縣境內(nèi)，該工程建于1992年，該樞紐以引水灌溉閘為主，兼顧防洪。引水流量60m3/s，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇(P=3.33%)，相應(yīng)洪峰流量Q設(shè)=1750m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1%)，相應(yīng)洪峰流量 Q校=2785m3/s。

目前工程由進(jìn)水閘、沖砂泄洪閘、攔河溢流堰和非常溢洪堰等四部分組成。

進(jìn)水閘布置在河道左岸，軸線與河道主流向夾角成7.5°，共2孔，每孔凈寬6m，閘前設(shè)鋪蓋，閘后有消力池、海漫等設(shè)施。

沖砂泄洪閘位于進(jìn)水閘右側(cè)并與進(jìn)水閘夾角30°，共3孔，每孔凈寬10m，閘前設(shè)束水攻砂導(dǎo)流墻，閘后有消能裙板、防沖塊石籠。

溢流堰位于沖砂泄洪閘右側(cè)，為砌石折線型實用堰，長70m，其軸線與沖砂泄洪閘軸線正交。

非常溢洪道位于溢流堰的右側(cè)，大致分為三部分：非常溢洪堰、溢洪道直線段、溢洪道尾端曲線段。非常溢洪堰長40m，梯形結(jié)構(gòu)，溢洪道直線段長75.5m，溢洪道曲線段長44.2m。

對樞紐進(jìn)行過流能力復(fù)核，溢流堰過流能力不足需對堰體在原址拆除重建，選取梯形堰、WES曲線堰、寬頂堰三種堰型進(jìn)行比較，選取最優(yōu)的堰型。

2 地質(zhì)情況

閘址區(qū)地貌屬于U形，兩側(cè)均有臺地發(fā)育，閘址南側(cè)以南為中泥盆統(tǒng)北塔山組(D2b)：石英巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖等，閘址區(qū)基巖為上石炭系喀喇額爾齊斯組(C3k)。

閘址左岸基巖出露部位，為石炭系地層，以砂巖、碎屑巖為主。自右岸至左岸基巖埋深增大，上覆第四系河床沖洪積卵礫石層，主河床段卵礫石層厚度最大，厚度20～25m。閘體溢洪堰基礎(chǔ)位于河床卵礫石層上，卵礫石層不均勻系數(shù)Cu=137.8，曲率系數(shù)Cc=5.82。滲透系數(shù)為3.7×10－2cm/s，該層承載力標(biāo)準(zhǔn)值350kPa，變形模量35MPa。右岸為一臺地，表層巖性以卵礫石為主，厚度20～25m，下伏石炭系地層。溢洪堰及防浪墻基礎(chǔ)位于卵礫石層上。

3 溢流堰現(xiàn)狀

溢流堰長70m，堰前鋪蓋頂高程587m，堰頂高程590.65m，堰高3.65m。

堰呈折線型實用堰，上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶3，頂寬 1.5m。上游齒墻埋深 3.5m，基礎(chǔ)底高程583.5m，下游防沖護(hù)坡深7.5m，水平距離為5.5m，基礎(chǔ)底高程579.5m，基礎(chǔ)上設(shè)砂礫石防沖層。堰表層為漿砌條石，條石下層為“651”止水橡皮，止水橡皮內(nèi)部為漿砌石結(jié)構(gòu)。

堰前設(shè)瀝青玻璃絲布防滲，長10m，瀝青玻璃絲布上、下層鋪砂礫土，表層采用干砌石防沖。堰北岸上、下游采用懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)。

溢流堰設(shè)計工況下堰前水位為595.65m，河道水流流速2.74m/s，溢流堰過流流量為Q=819.3m3/s，下游水面高程592.82m;校核工況下堰前水位為595.65m，河道水流流速3.15m/s，溢流堰過流流量為Q=1520m3/s，下游水面高程594.59m。

4 堰型比選

4.1 過流能力比選

過流計算采用堰流計算公式

式中 B——閘孔總凈寬，m;

Q——過閘流量，m3/s;

H0——計入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m;

g——重力加速度，可采用9.81(m3/s);

σ——淹沒系數(shù);

ε——側(cè)收縮系數(shù);

m——流量系數(shù)。

4.1.1 流態(tài)判斷

當(dāng)≤0.8時，經(jīng)判斷堰體在設(shè)計和校核工況下的自由出流淹沒系數(shù)均為1。

4.1.2 收縮系數(shù)計算

a.實用堰(這里指梯形堰和WES堰)的側(cè)收縮系數(shù)采用以下公式：

式中 ξk——邊墩形狀系數(shù);

ξ0——閘墩形狀系數(shù);

b——閘孔凈寬;

n——閘孔數(shù)。

b.寬頂堰的側(cè)收縮系數(shù)采用以下公式：

式中 b0——閘孔凈寬;

bs——上游河道一半水深處的寬度。

經(jīng)計算得出：在設(shè)計工況下梯形堰、WES堰、寬頂堰側(cè)收縮系數(shù)為 0.99、0.99、0.94，校核工況下為0.99、0.98、0.94。

4.1.3 流量系數(shù)

a.WES曲線堰流量系數(shù)

?參數(shù)確定

依據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL—2000)堰面曲線設(shè)計中，對于堰高P1＜1.33Hd的低堰，取Hd=(0.65－0.85)Hmax，最終確定Hd=6m。

?流量系數(shù)確定

依據(jù)上述規(guī)范 WES曲線堰可根據(jù)P1/Hd與H0/Hd，查表1確定，由此得出流量系數(shù)為0.5。

表1 WES曲線堰流量系數(shù)

b.梯形實用堰流量系數(shù)

梯形實用堰的流量系數(shù)可按表2查取，當(dāng)上游邊坡為1∶0.5時，其流量系數(shù)的值要較所查得的流量系數(shù)加大2%。其中δ為堰頂寬度，H為堰頂水深。由此得出流量系數(shù)為0.367。

表2 梯形剖面堰流量系數(shù)

c.寬頂堰流量系數(shù)

直坎：

圓坎：

本次比選在同等優(yōu)的水流條件下，取寬頂堰上游為圓弧形，半徑r為1.5m。由此計算得出流量系數(shù)為0.370。

4.1.4 各堰形寬度計算

經(jīng)計算得出：在設(shè)計工況下梯形堰、WES堰、寬頂堰計算寬度為70m、55m、74m，校核工況下為 72m、58m、75m。

由計算可見WES堰形寬度最小，但WES曲線堰堰型比梯形堰體積小，與上游鋪蓋相接時需要在堰前新增加一段鋪蓋長7.7m，曲線堰采用鋼筋混凝土，梯形堰采用現(xiàn)澆混凝土。因此須對這兩種堰形作近一步綜合比較。

4.2 投資比選

4.2.1 方案一：WES曲線堰

溢流堰斷面為WES曲線堰，堰頂高程591.1，堰寬69m，凈寬65m，堰高3.65m。堰面曲線采用三圓弧曲線，下游堰頭曲線采用y=0.201703377 x1.85冪曲線，堰面曲線后接1∶0.75的直線段，深入現(xiàn)狀沖坑，底部高程為579.5m，與原溢流堰后沖坑底高程一致。堰體內(nèi)部為C25鋼筋混凝土，表面采用40cm厚C40鋼筋混凝土。前齒墻深3.5m。堰左側(cè)接原泄洪閘邊墻，右側(cè)為重力式現(xiàn)澆C25混凝土擋土墻。堰體每10m設(shè)一道伸縮縫，采用高壓閉孔板填縫，聚氨酯閉縫，縫寬2cm。

堰前鋼筋混凝土鋪蓋高程為587.45m，采用C25現(xiàn)澆混凝土，鋪蓋長7.7m。垂直水流方向每10m設(shè)一道伸縮縫，與堰體錯縫布置，填縫止水材料與堰體一致。新增鋼筋混凝土鋪蓋上游與原堰前鋪蓋相接，中間縫采用P651止水橡皮止水，高壓閉孔板填縫，聚氨酯閉縫，縫寬2cm。

堰后沖坑上口寬18m，邊坡1∶1.75，頂高程為587.45m。沖坑底部填d10～d20礫石120cm，頂部為100cm厚格賓。

WES曲線堰堰體、堰前鋪蓋設(shè)施總投資581.01萬元。

4.2.2 方案二：梯形實用堰

堰總寬77m，凈寬72m，堰高3.65m。堰體上游坡1∶0.5，堰頂寬度4.1m，下游坡1∶3，堰長 14.8m。堰體內(nèi)部為C25現(xiàn)澆混凝土，表面采用40cm厚C40混凝土。堰前齒墻底高程583.95m。堰體每10m設(shè)一道伸縮縫，采用高壓閉孔板填縫，聚氨酯閉縫。

堰體后齒墻深7m，坡度1∶0.75，深入現(xiàn)狀沖坑，底高程579.5m，與原溢流堰后沖坑底高程一致。采用C25現(xiàn)澆混凝土。每10m設(shè)一道伸縮縫，與堰體錯縫布置，止水設(shè)置與堰體一致。堰后沖坑上口寬18m，邊坡1∶1.75，頂高程為587.45m。沖坑底部填d10～d20礫石120cm，頂部為100cm厚格賓。

梯形實用堰體總投資784.02萬元。

4.3 堰型確定

WES曲線堰與梯形堰在過流能力上相比，WES曲線堰過流能力較大，堰寬減少7m，節(jié)省投資203.01萬元，WES曲線堰在形體上輕巧、混凝土量較少，比梯形堰更易施工。因此推薦WES曲線堰。曲線堰與梯形堰結(jié)構(gòu)見圖1～圖2。

圖1 曲線堰結(jié)構(gòu)

圖2 梯形堰結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

對水閘除險加固中的堰體改建需要從以下方面綜合選擇堰型：

a.選擇同等條件下過流能力較大的堰型。

b.選擇堰型應(yīng)與原樞紐建筑物平順相接。

c.綜合比較各堰型選擇更經(jīng)濟(jì)堰型。

1 SL 265—2001水閘設(shè)計規(guī)范［S］.

2 李煒.水力計算手冊［M］.第二版.北京：中國水利水電出版社，2006

Selection of Weir Form in Sluice Danger Removal and Reinforcement

LIU Juan，ZHAO Xiao-jun
(Xinjiang Production and Construction Corps Survey Planning and Design Institute，Urumqi830002，China)

Engineering examples and analysis calculations are combined for comprehensive comparison of advantages and disadvantages in trapezoidal weir，WES curve weir and broad-top weir in the paper．Flow capacity comparison showed that trapezoidal weir has the same lateral contraction coefficient as WES curve weir，which is slightly higher than the broad-top weir．WES curve weir has the maximum flow coefficient，and broad-top weir has similar flow coefficient with trapezoidal weir．Investment comparison showed that:WES curve weir is more economical than the trapezoidal weir．Therefore，WES curve weir is the optimal weir form．

flow capacity;weir form;required standard

TV66

A

1005-4774(2013)09-0033-04