結(jié)合實例探究水庫水閘尺寸設(shè)計及計算分析

崔志鵬 夏江

金華市水利水電勘測設(shè)計院有限公司

摘要：本文結(jié)合工程實例，著重從幾個方面探討了現(xiàn)代水庫水閘基本尺寸的設(shè)計工作，旨在選擇最優(yōu)的尺寸設(shè)計方案，保證工程建設(shè)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水庫水閘；基本尺寸；堰型選擇；設(shè)計

1.工程概況

某水庫工程由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，在水利主管部門對該水庫水閘進(jìn)行安全鑒定審核時，鑒定結(jié)論確定水閘為四類閘，安全性能存在著隱患，根據(jù)要求需要拆除重建，水閘重建工程的流量及特征水位詳見表1。該水庫水閘閘室為開敞式寬頂堰型漿砌石結(jié)構(gòu)，共設(shè)14孔，閘孔總凈寬35m，其中中間6孔凈寬均為2.30m，其余8孔凈寬均為2.65m，閘墩厚0.90m。閘底板高程5.90m，閘孔高度中間12孔均為4.50m，兩端邊孔為3.55m。閘墩上游側(cè)設(shè)閘門啟閉機(jī)室，下游側(cè)設(shè)人行便橋。進(jìn)水閘設(shè)于河道右岸閘軸線上游15m處，為開敞式漿砌石結(jié)構(gòu)，閘孔凈寬2.8m、高1.5m，設(shè)計引水流量2.0m3/s。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000）、《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001），該水閘工程的過閘流量為661.66m3/s，該水閘過閘流量介于100～1000m3/s，確定本工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，相應(yīng)主要建筑物等級為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。

表1工程特征水位及流量表

2.水閘基本尺寸設(shè)計及相關(guān)計算

（1）閘頂高程

該工程為Ⅲ等中型工程，主要建筑級別為3級，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）第4.2.4條規(guī)定，水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況來確定。

①擋水時，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高值之和。安全超高下限值，正常蓄水位時為0.4m，最高擋水位時為0.3m。

②泄水時，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高值之和。安全超高下限值，設(shè)計洪水位時為0.7m，校核洪水位時為0.5m。且閘頂橋梁底高程應(yīng)高出最高洪水位不小于0.5m。

表2閘頂超高及閘頂高程計算表

注：橋梁底高程控制要求情況下，安全超高1.2m為最低凈空0.5m與橋梁高0.7m之和。閘頂高程確定，主要是根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況并結(jié)合閘前水深、吹程以及設(shè)計風(fēng)速計算波浪爬高進(jìn)行確定的，經(jīng)計算閘頂超高及閘頂高程計算結(jié)果列于表2，計算閘頂高程最高為10.95m，該工程取11.00m。

（2）堰型確定

堰型選擇的主要考慮因素：①運用靈活安全可靠、泄流能力穩(wěn)定；②有利于排砂防淤積，盡量降低泄洪時閘前水位的壅高程；③施工方便、結(jié)構(gòu)安全可靠。綜合以上因素并結(jié)合工程本地區(qū)特點，該水閘選擇開敞式平底寬頂堰為堰型。

（3）閘室底板高程

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》條文說明4.2.5條，“一般情況下，為了多泄（引）水，多沖砂，節(jié)制閘、泄洪閘、進(jìn)水閘或沖砂閘閘檻高程宜于河底齊平”，同時結(jié)合類似工程經(jīng)驗，水閘閘檻高程與河底齊平，有利于泄水沖沙和減小工程投資。該工程原舊水閘底板由于經(jīng)多次加固后，現(xiàn)狀高程為5.90m，舊水閘閘室上下游河床高程約為4.50～5.85m，為了尋找一個滿足泄流、滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)同時經(jīng)濟(jì)指標(biāo)又合理的底板高程，該工程初選定該水閘底板高程4.50m、5.00m、5.50m三個方案進(jìn)行比較。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對3個方案進(jìn)行比較結(jié)果可知，不同閘底板高程對水閘泄流能力影響不大，閘上水頭壅高值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。根據(jù)水閘調(diào)度原則，采用水力計算方法確定消能方式，當(dāng)閘底板在高程5.5m，下游消能效果開始變差，需要消力池降低30cm以滿足消能要求，伴隨底板不斷抬高，閘室部分工程量不斷減少，但下游消能部分和水閘基礎(chǔ)的處理不斷加大，其中以閘底板在高程5.0m工程直接投資最小，經(jīng)綜合考慮，本階段擬定重建閘室底板高程為5.00m，基本與上下游河床持平，且略低于舊閘底板高程，有利于增大水閘的過流能力，減少工程投資。

（4）水閘總凈寬

根據(jù)地形、地質(zhì)鉆探資料，該水閘閘址河道寬49.50m，下游河床為中、粗砂層，按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）有關(guān)內(nèi)容，水閘總寬度按以下3個因素控制。

（1）過閘水位差0.1～0.3m。

（2）過閘單寬流量10m3/s·m～15m3/s·m。

（3）與河道總寬度的比值不小于0.85。

閘孔總凈寬按《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）推薦公式（A.0.2-1）計算。

根據(jù)以上公式計算并考慮水閘總寬度控制的3個因素，該水閘過閘水位差0.30m時，閘室總凈寬40m，閘室總寬度48.50m（與河道寬度比值0.98），最大泄流量為671.40m3/s，校核洪水時下游海漫出口處單寬流量13.84m3/s，符合規(guī)范要求，綜上所述本階段水閘總凈寬選定為40m。

（5）單孔凈寬選擇

閘孔的孔口尺寸與工程地基條件、運用要求、閘門結(jié)構(gòu)型式、啟閉機(jī)容量等因素相關(guān)，對于總凈寬為40m的水閘，單孔凈寬一般為6～12m。在總凈寬一定的條件下，孔口尺寸過小，增大了閘墩數(shù)量，從而加大了工程量。若孔口尺寸過大，雖可減小閘墩數(shù)量，但增大了上部橋梁、啟閉機(jī)房及閘門等的跨度，尤其增大了底板跨度，為保證閘室有足夠的剛度和強(qiáng)度，閘室各部分的結(jié)構(gòu)尺寸亦需相應(yīng)增大；而且根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》第4.2.7條的要求：閘孔孔數(shù)少于8孔時，宜采用單數(shù)孔。該工程試用了幾種不同的單孔凈寬對閘室結(jié)構(gòu)、工程量和工程投資進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔口尺寸采用8m 時，閘室底板及各部分結(jié)構(gòu)尺寸適中、工程量最省、總投資最少，經(jīng)綜合考慮本階段擬定孔口寬度為8m，閘孔數(shù)為5個。

（6）水閘過流能力復(fù)核

（1）計算公式

該水閘泄流能力計算采用《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄A的有關(guān)公式進(jìn)行計算。計算采用水力學(xué)堰流計算公式：

（2）計算工況

設(shè)計工況（P=5%）：上游水位9.33m、下游水位9.15m時，計算過閘流量不小于540.45m3/s。

校核工況（P=2%）：上游水位9.75m、下游水位9.48m時，計算過閘流量不小于661.66m3/s。

（3）計算成果及結(jié)論

計算成果見表3，通過計算分析表明：擬定的閘室孔口尺寸能滿足水閘過流運用要求。

表3上下游水位及過閘流量表

3.結(jié)束語

綜上所述，水庫水閘基本尺寸的確定是影響水利工程建設(shè)規(guī)模及經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。在設(shè)計工作中，需結(jié)合工程特點，選擇一個滿足泄流、滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)同時經(jīng)濟(jì)指標(biāo)又合理的基本尺寸，從而確保水利工程整體效益的發(fā)揮。

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