孝義市勝溪湖濕地公園泄洪閘工程設(shè)計(jì)

宋必連

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）

1 工程簡況

孝義市勝溪湖濕地公園依托張家莊水庫而建，為阻止泥沙直接進(jìn)入水庫、減緩庫區(qū)泥沙淤積，在確保防洪安全的前提下，宜在下堡河和兌鎮(zhèn)河入庫河段，利用現(xiàn)有地形開挖沉沙池，沉沙池與水庫之間通過濕地水系和新挖泄洪渠連接。在沉沙池東南側(cè)泄洪渠首布設(shè)一道泄洪閘，以確保汛期洪水經(jīng)沉沙池平順進(jìn)入張家莊水庫。

2 工程規(guī)模及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)水利工程有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，勝溪湖濕地公園泄洪閘采用20年一遇（P＝5%）洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，泄量為886.9 m3/s；采用 50年一遇（P＝2%）洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，泄量為1 371.1 m3/s。

3 泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

勝溪湖濕地公園泄洪閘布置在泄洪渠首，包括進(jìn)口段、控制段、陡坡段、消力池段和護(hù)坦段等五部分。

3.1 進(jìn)口段(樁號0-090—0+000)

泄洪閘進(jìn)口段總長90 m，包括扭面段、喇叭口段和直墻段。扭面段和喇叭口段平面均為弧線，轉(zhuǎn)彎半徑95 m，實(shí)際長度分別為41 m和53 m；直墻段長10 m。邊墻均采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)，高度由3.0 m漸變?yōu)?.6 m。引水渠設(shè)計(jì)縱坡為1∶100，底板采用C25鋼筋混凝土鋪蓋，板厚50 cm。

3.2 控制段(樁號0+000—0+025)

泄洪閘控制段即泄洪閘室，采用寬頂溢流堰，長25 m，凈寬75 m，分3孔，每孔寬25 m。閘門型式采用鋼壩閘，共3扇。閘室的兩側(cè)均設(shè)25.0 m×2.5 m×7.6 m（長×寬×高）的箱式沉井一座，內(nèi)設(shè)閘門控制機(jī)電設(shè)施；在閘室中間布設(shè)規(guī)格為25.0 m×2.0 m×7.8 m的箱式沉井一座；泄洪閘室的總寬度為90.6 m。閘室底板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)沉沙池底高程、年均沉沙厚度及鋼壩閘的安裝要求，確定閘室底板高程為769.50 m，厚度1.0 m。

3.3 陡坡段（樁號0+025—0+045）

泄洪閘室后緊接沿水流方向長20 m的陡坡段，陡坡段凈寬90.6m，縱坡1∶18.7，邊墻高度由7.6m漸變?yōu)?.6 m，邊墻采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)。底板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度50 cm，底板下設(shè)30 cm厚的反濾層。

3.4 消力池段（樁號0+045—0+067）

泄洪閘陡坡末端布設(shè)消力池，消力池段沿水流方向長22 m，凈寬90.6 m，底板高程為767.32 m，邊墻頂高程為772.72 m，高度為5.4 m，采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)。底板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度50 cm，內(nèi)設(shè)φ100 mm的豎向排水孔，間距2 m，梅花型布置。底板下設(shè)30 cm厚的反濾層。

3.5 護(hù)坦段（樁號0+067—0+119）

消力池出口末端設(shè)護(hù)坦，護(hù)坦段沿水流方向長52 m，首端底高程為 767.32 m，縱坡為 1∶500。護(hù)坦采用30 cm厚的格賓石籠鋪蓋，下設(shè)30 cm厚的反濾層。邊墻為扭面，由漿砌石重力式擋土墻漸變成1∶3的漿砌石襯砌邊坡，與泄洪渠渠堤自然連接。

4 泄洪閘水力計(jì)算

4.1 泄流能力核算

泄洪閘室控制段為寬頂溢流堰，泄量計(jì)算采用公式：

式中：Q為泄量，m3/s；m為二元水流寬頂堰流量系數(shù)，與相對上游堰高P1/H及堰頭形式有關(guān)，查《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱：溢規(guī)）表A.2.3-1、表A.2.3-2可得；ε為側(cè)收縮系數(shù)，按溢規(guī)中A.2.1要求??；B為堰頂寬，取75 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2；H0為計(jì)入流速水頭的堰上總水頭，m。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)H0＝3.90m時(shí)，相應(yīng)泄量 886.9 m3/s；當(dāng)H0＝5.22 m時(shí)，相應(yīng)泄量1 371.1 m3/s。閘室底板高程769.50 m，由此確定20年一遇設(shè)計(jì)洪水位為773.40 m，50年一遇校核洪水位為774.72 m。

4.2 陡坡段水力計(jì)算

4.2.1 陡坡段水面線

水面線根據(jù)能量方程，采用分段求和法計(jì)算（公式略）。

4.2.2 陡坡段水流摻氣水深

水流摻氣水深，按溢規(guī)中的公式計(jì)算（公式略）。按溢規(guī)規(guī)定，陡坡段邊墻高度，應(yīng)根據(jù)波動(dòng)及摻氣后的水面線再加0.5-1.5 m的安全超高。設(shè)計(jì)泄量886.9 m3/s下的水面線及校核泄量1 371.1 m3/s下的水面線計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計(jì)與校核泄量陡坡段水面線計(jì)算成果表

4.3 出口消能段水力計(jì)算

考慮到實(shí)際地形與地質(zhì)條件，確定出口消能采用底流消能方式。

4.3.1 收縮斷面水深h1的計(jì)算

消力池收縮斷面水深h1采用以下公式計(jì)算：

式中：E0為以收縮斷面底部為基準(zhǔn)面的水流總比能，m；h1為收縮斷面的水深，m；q為單寬泄量，m3/s/m；ψ為流速系數(shù)，取0.95。

4.3.2 躍后水深h2的計(jì)算

消力池躍后水深h2按溢規(guī)中的公式（略）計(jì)算。

4.3.3 消力池長度Lk的計(jì)算

計(jì)算公式為：Lk＝ 0.8L，L＝6.9(h2-h1)

式中：L為自由水躍的長度，m。

4.3.4 消力池池深d的計(jì)算

計(jì)算公式略，水躍淹沒度取1.05。

消力池水力計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)消力池水力計(jì)算結(jié)果，確定消力池的長度為20 m，不設(shè)池深。

表2 消力池水力計(jì)算結(jié)果表

4.4 護(hù)坦段水力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001附錄B.2，護(hù)坦長度按下式計(jì)算：

式中：Lp為護(hù)坦長度，m；q為消力池末端單寬流量，m3/s；ΔH′為閘孔泄水時(shí)上下游水位差，m；K為系數(shù)，取11。經(jīng)計(jì)算，護(hù)坦長度為52 m。

5 泄洪閘室穩(wěn)定計(jì)算

泄洪閘室穩(wěn)定計(jì)算包括抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算和基底壓力計(jì)算，均按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，抗滑穩(wěn)定系數(shù)4.66＞1.20，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)135.3＞1.50，均滿足設(shè)計(jì)要求；基底壓力Pmax＝44.8 kPa，Pmin＝24.79 kPa，η＝1.81＜[η]＝2.0，也滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算結(jié)果表明，泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

6 結(jié)語

本工程建成后，不僅能夠提高河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，提升濕地公園的品質(zhì)，又可以大大提高下游張家莊水庫的防洪減災(zāi)能力。同時(shí)，還可以改善生態(tài)環(huán)境，使人與自然更加和諧。