李陽河渠道倒虹吸退水、排冰閘設(shè)計要點

趙 磊

李陽河渠道倒虹吸南水北調(diào)中線工程內(nèi)丘縣城西約1.0km的李陽河西支、北支交匯處，是南水北調(diào)中線工程總干渠大型河渠交叉建筑物。根據(jù)工程總體設(shè)計要求，總干渠在李陽河渠道倒虹吸上游設(shè)退水、排冰閘。其中，退水閘設(shè)計流量要求滿足過渠道設(shè)計流量的50%，排冰閘滿足冬季排冰需要。南水北調(diào)中線總干渠為Ⅰ等工程，退水、排冰閘的引渠、閘室、消力池等均按1級建筑物設(shè)計，主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇設(shè)計，300年一遇校核。

1. 建筑物位置確定和結(jié)構(gòu)型式選擇

1.1 建筑物位置確定

閘址處李陽河基本呈東西走向，地勢西高東低，水流自西向東。根據(jù)交叉斷面處李陽河流向，為利于退水運用和工程管理，并考慮渠道倒虹吸的安全，退水閘布置于靠近倒虹吸進口的總干渠右岸，與倒虹吸共同組成樞紐。退水閘與倒虹吸進口的距離，根據(jù)退水渠道對主體建筑物的影響及退水河道地形、地質(zhì)條件等因素確定。排冰閘確定原則基本同退水閘，為利于管理、減小投資和節(jié)省占地，排冰閘與退水閘相鄰緊湊設(shè)計。最終確定退水閘中心線與總干渠中心線交叉點距離倒虹吸進口約155m。

1.2 建筑物結(jié)構(gòu)型式選擇

考慮退水、排冰閘的退水和排冰要求，選定3種布置方案：一是上下布置，上部布置舌瓣門，通過控制舌瓣門的開度排冰，下部通過短洞退水，閘孔凈寬6m，閘底板長 18m；二是左右整體布置，順?biāo)鞣较蛴覀?cè)布置退水閘，左側(cè)排冰閘，退水閘孔凈寬5m，排冰閘凈寬6m；三是左右分離布置，退水閘和排冰閘各設(shè)獨立底板，并根據(jù)各自的需要布置。通過計算和技術(shù)經(jīng)濟比較，考慮安全因素，最終采用第3種方案。

2. 建筑物結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)李陽河的退水條件，退水閘中心線與總干渠中心線夾角取35°。退水閘布置于倒虹吸進口漸變段上游端右岸，包括進口段、閘室段、消能防沖段和退水渠。進口段布置于總干渠內(nèi)邊坡上，與排冰閘共用，底板高程與總干渠渠底高程相同，均為76.945m，閘前以圓弧形翼墻與總干渠銜接。閘室為單孔無底坎開敞式布置，凈寬5m；閘室為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L15m；閘室設(shè)兩道鋼閘門，為檢修閘門和工作閘門，均采用平面滾輪閘門，啟閉設(shè)備均為固定式卷揚啟閉機。閘后設(shè)1:5陡坡與消力池連接，消力池長30m，深2.5m，其后為退水渠。退水閘閘底板與下游河底高差較大，使得消力池斜坡段和水平段岸墻均較高，為減少土方開挖和節(jié)省混凝土用量，消力池段采用鋼筋混凝土“U”型槽結(jié)構(gòu)。

排冰閘布置于退水閘左側(cè)，與退水閘并列布置。閘室為開敞式布置，凈寬6m，整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，順?biāo)鞣较蜷L15m；閘室底板高程為 81.945m，閘前以圓弧形翼墻和倒虹吸進口漸變段銜接，閘后設(shè)1:5陡坡，出口匯入退水閘消力池。閘室設(shè)檢修門和工作閘門，均采用平面滾輪閘門，啟閉設(shè)備均為螺桿式啟閉機。

為有效減小冬季浮冰對總干渠輸水的不利影響，在渠道倒虹吸進口漸變段上游布設(shè)了攔冰索。攔冰索可攔住上游大塊流冰防止冰塊進入檢修閘閘室及倒虹吸，在氣溫及邊界條件合適時攔住表面流冰，協(xié)助渠道生成動力冰蓋，為渠道冰蓋輸水創(chuàng)造條件，當(dāng)流冰量過大需要進行排冰時，攔冰索可以起到導(dǎo)冰作用，將冰導(dǎo)向排冰閘。

3. 水力設(shè)計

3.1 退水閘

退水閘的作用為事故退水，泄流量按閘址總干渠設(shè)計流量的50%考慮。閘址總干渠設(shè)計流量220m3/s，退水閘按Q=110m3/s的泄流量設(shè)計。經(jīng)計算，單孔閘孔凈寬B＝5m，設(shè)計水位82.945m時，退水閘過流量為113.7m3/s，滿足總干渠退水要求。

退水閘閘室處在挖方段，閘底板高程76.945m，退水渠出口河底高程71.50m，閘底板與河底高差5.445m，采用1:5斜坡與下游退水渠道連接。退水閘下游消能防沖設(shè)計按上游設(shè)計水位82.945m，下游無水，閘門逐級開啟為控制條件，閘門開度以0.5m為一級。計算消力池的深度和淹沒度時，下游正常水深按上一級閘門開度泄量的相應(yīng)下游水深確定。根據(jù)計算結(jié)果，布置消力池深2.5m，水平段池長30m；其后為鋼筋混凝土和漿砌石海漫，長度分別為10m和20m；末端設(shè)高鍍鋅鋼絲石籠護底。

3.2 排冰閘

排冰閘閘孔尺寸主要根據(jù)流冰的平面尺寸和厚度確定。根據(jù)經(jīng)驗，排冰溢流水深按最大冰厚的5倍考慮，閘孔寬度按最大冰塊平面尺寸的6倍考慮。結(jié)冰厚度按規(guī)范公式計算為0.2m。參照附近水庫冰厚資料，本工程冰厚取0.2m。

冰的單塊平面尺寸與冰厚及冰的強度有關(guān)，而冰的強度與溫度及狀態(tài)有關(guān)，參照附近南運河和衛(wèi)運河的運行經(jīng)驗及觀測資料，流冰平面尺寸在1m左右，本工程流冰平面尺寸取1m。

由此確定排冰閘閘室凈寬為6m，閘底板高程較設(shè)計水位低1m為81.945m，對應(yīng)此運行條件，排冰閘下泄流量為13m3/s。

4. 結(jié)語

目前，李陽河渠道倒虹吸退水、排冰閘已投入使用，運行良好。本工程根據(jù)總干渠與李陽河交叉斷面的地形、地質(zhì)等條件，結(jié)合渠道倒虹吸的布置情況，總結(jié)了退水、排冰閘的位置、結(jié)構(gòu)布置和型式的確定，閘室寬度、進口底高程、消能工確定的原則和方法，以及攔冰索的選擇，可供類似工程借鑒。