某除險(xiǎn)加固工程泄洪閘設(shè)計(jì)探討

紀(jì)中庭

(巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

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某除險(xiǎn)加固工程泄洪閘設(shè)計(jì)探討

紀(jì)中庭

(巴州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

摘要：文章結(jié)合和靜縣烏拉斯臺(tái)河協(xié)比乃爾布呼渠進(jìn)水閘除險(xiǎn)加固工程實(shí)例，在簡(jiǎn)單介紹工程概況的基礎(chǔ)上，對(duì)泄洪閘上游鋪蓋段、閘室段、消能防沖段及抗沖磨措施的設(shè)計(jì)理念與方法進(jìn)行了分析和討論。施工結(jié)束后的驗(yàn)收結(jié)果顯示，泄洪閘設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo)得到了有效實(shí)現(xiàn)，泄洪閘的使用功能再度建立并較以往有了較大幅度的提升。同時(shí)也為協(xié)比乃爾布呼渠進(jìn)水閘樞紐安全通過(guò)設(shè)計(jì)洪水提供了大力支持。

關(guān)鍵詞：除險(xiǎn)加固；泄洪閘；閘孔寬度；消能防沖

1工程概況

和靜縣烏拉斯臺(tái)河協(xié)比乃爾布呼渠進(jìn)水閘除險(xiǎn)加固工程位于烏拉斯臺(tái)河老河道進(jìn)水閘口以下9.30 km處，距和靜縣城西南20 km，距巴州首府庫(kù)爾勒市90 km。工程建成至今已運(yùn)行40余年，其間經(jīng)受住了多次超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的考驗(yàn)，但是受建設(shè)年代較早、使用時(shí)間較長(zhǎng)的影響，自2008年以來(lái)樞紐運(yùn)行不正常，無(wú)法滿足泄洪要求，每年都需要投入大量的人力物力防洪及清淤，一旦該樞紐引水中斷，勢(shì)必會(huì)給灌區(qū)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。本次除險(xiǎn)加固工程建設(shè)既可以恢復(fù)項(xiàng)目應(yīng)有的使用功能，又可為灌區(qū)灌溉引水提供更多保障，增強(qiáng)灌區(qū)乃至和靜縣農(nóng)林業(yè)的發(fā)展后勁，這對(duì)于促進(jìn)和靜縣域經(jīng)濟(jì)的健康、持續(xù)、快速發(fā)展是十分必要和迫切的。限于篇幅，本文僅對(duì)和靜縣烏拉斯臺(tái)河協(xié)比乃爾布呼渠進(jìn)水閘除險(xiǎn)加固工程中的泄洪閘設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論。

2泄洪閘設(shè)計(jì)

泄洪閘屬于平底開(kāi)敞式水閘，由上游鋪蓋段、閘室段、消能防沖段共同組成，其縱軸線位于原閘址上游60m處，初步設(shè)定閘孔數(shù)為4孔。上游鋪蓋段長(zhǎng)度為10 m；閘室段長(zhǎng)度為10 m，屬于整體式結(jié)構(gòu)，其上部設(shè)置工作橋和永久閘房；消能防沖段由護(hù)坦和防沖槽共同組成，其中，護(hù)坦長(zhǎng)15m，防沖槽長(zhǎng)16m，深度4.4m。

2.1　上游鋪蓋段

結(jié)合已建同類工程的設(shè)計(jì)方案，本次設(shè)計(jì)上游鋪蓋段長(zhǎng)度取10m，采用厚度為40 cm的C20混凝土，鋪蓋前端設(shè)有厚度0.5m、深度2.5m的深隔墻。上游鋪蓋段的頂部高程與泄洪閘底部高程相同。

2.2　閘室段

2.2.1閘底板高程

新閘址位于老閘址和解放二渠渡槽之間的烏拉斯臺(tái)河河道上，河道河床狹窄、縱坡較陡，兩岸均為粉砂土，河道處于沖刷狀態(tài)。為滿足引水要求，樞紐經(jīng)常需要進(jìn)行攔水操作，上游河道的泥沙淤積現(xiàn)象較為嚴(yán)重[2]。此處現(xiàn)狀河床平均高程為1083.50m，為獲得更為滿意的引水沖砂效果，泄洪閘底板高程被設(shè)計(jì)為比河床高程高0.5 m，即1 084.0 m。

2.2.2閘孔總凈寬

本次工程的泄洪閘為平底開(kāi)敞式水閘，底板高程1 084.0 m，所以在計(jì)算閘孔總凈寬時(shí)可采用平底寬頂堰流計(jì)算公式。

2.2.2.1上下游靜水位和行近流速

工程區(qū)所處河道地形高差較小，參考平原區(qū)水閘總凈寬的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)以及樞紐運(yùn)行管理資料，分別選擇閘址上游100 m處、閘址下游80m處斷面對(duì)上、下游行近流速進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)兩處斷面水深H~流量Q關(guān)系的計(jì)算結(jié)果，泄洪閘設(shè)計(jì)洪水位(p=5%)所對(duì)應(yīng)的上、下游靜水位分別為1 085.63 m、1 085.11 m，對(duì)應(yīng)的行近流速分別為2.23 m/s、2.17 m/s；校核洪水位(p=5%)所對(duì)應(yīng)的上、下游靜水位分別為1 085.78 m、1 085.25 m，對(duì)應(yīng)的行近流速分別為2.36 m/s、2.31 m/s。

2.2.2.2閘孔總凈寬B0

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)的相關(guān)要求，本次設(shè)計(jì)采用的堰流計(jì)算公式對(duì)閘孔總凈寬B0進(jìn)行計(jì)算。出于對(duì)安全泄洪的考慮，本次設(shè)計(jì)泄洪流量全部由泄洪閘和沖砂閘承擔(dān)。計(jì)算結(jié)果表明，泄洪閘閘孔總凈寬≥38.55 m，沖砂閘閘孔總凈寬≥2.39 m。

2.2.2.3閘孔凈寬及閘墩尺寸確認(rèn)

根據(jù)閘孔總凈寬的計(jì)算結(jié)果，確定泄洪閘單個(gè)閘孔凈寬為10m，孔數(shù)為4孔；沖砂閘單個(gè)閘孔凈寬2.5m，孔數(shù)為1孔，泄洪閘和沖砂閘的閘墩厚度均為1.0m。

2.2.3閘孔寬度復(fù)核計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)對(duì)于平底閘閘孔凈寬計(jì)算的要求，我們對(duì)閘孔寬度進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　樞紐閘孔寬度計(jì)算結(jié)果

由表1可知，樞紐在過(guò)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，水位為1 085.55 m；在過(guò)校核洪水時(shí)，水位為1 085.77 m。由于該段天然河道兩側(cè)河坎的高程約為1 085.90~1 086.90 m，因此樞紐各尺寸寬度的擬定是基本合理的。

2.2.4閘頂高程

本次工程屬于中型Ⅲ等工程，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)的要求，閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水、泄水兩種工況加以確認(rèn)。

1)擋水時(shí)，閘頂高程需大于或等于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值之和。正常蓄水位、最高擋水位時(shí)，安全超高的下限值分別為0.4 m、0.3 m。

2)泄水時(shí)，閘頂高程需大于或等于設(shè)計(jì)洪水位(或校核洪水位)與相應(yīng)安全超高值之和。設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位下的安全超高下限值分別為0.7 m、0.5 m。另外，閘頂交通橋梁底高程較最高洪水位高0.5 m。

風(fēng)浪要素按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)計(jì)算，波浪平均波高、波長(zhǎng)采用莆田試驗(yàn)站公式，設(shè)計(jì)波浪爬高值則根據(jù)工程等級(jí)查表?yè)Q算得出，1~3級(jí)建筑物采用累積頻率1%的爬高值(當(dāng)m=0時(shí)，波浪爬高值等于波高)。閘頂超高及閘頂高程計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　閘頂超高及閘頂高程計(jì)算成果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，泄洪閘閘頂高程為1 086.28 m，考慮到河道存在著較為嚴(yán)重的漂浮物淤積問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)將閘墩頂部高程在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上提高至1 086.60 m，以便使樞紐泄洪保證率得到進(jìn)一步的提升。

2.2.5閘室設(shè)計(jì)

采用開(kāi)敞式閘室，沿水流向閘室總長(zhǎng)度為10 m，閘墩、閘底板為整體式結(jié)構(gòu)，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；閘墩采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高度3.0 m，厚度1.0 m。

2.2.6上部結(jié)構(gòu)

泄洪閘上部設(shè)置檢修便橋、排架、工作橋和永久閘房，其中，檢修便橋采用鋼結(jié)構(gòu)；排架和工作橋采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；永久閘房采用15 cm厚彩鋼板結(jié)構(gòu)[3]。

2.2.7閘基防滲

為提高泄洪閘的垂直滲徑，本次設(shè)計(jì)在閘室段上游設(shè)置長(zhǎng)度為10m的鋪蓋段，并在鋪蓋段上游設(shè)置厚度為0.5m、深度為2.5m的厚齒墻，同時(shí)，于閘底板上下游分別設(shè)置厚度為1.0m、深度為2.5m的厚齒墻。

經(jīng)計(jì)算，水平段水頭損失值及平均滲透坡降如下：上游鋪蓋水平段：i=0.033；閘室水平段：i=0.037；閘室出口段：i=0.111。根據(jù)《和靜縣烏拉斯臺(tái)河協(xié)比乃爾布呼渠進(jìn)水閘除險(xiǎn)加固工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，閘基主要為粉砂層，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—001)，粉砂地層水平段允許滲透坡降為0.05~0.07，出口段允許出逸坡降0.25~0.30。由計(jì)算結(jié)果可知，泄洪閘上游鋪蓋水平段、閘底板水平段、閘底板出口段的滲透比降均處于標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍以內(nèi)，因此泄洪閘閘基滲流穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3　消能防沖段

2.3.1工程設(shè)計(jì)

泄洪閘后緊接自然河床的土質(zhì)為粉砂層，閘后水流湍急、沖刷力較強(qiáng)，因此，需要在泄洪閘后設(shè)置護(hù)坦(15 m)和防沖槽(16 m)。其中，防沖槽斜坡、水平段分別長(zhǎng)8.8 m、7.2 m，坡度1∶1，槽深4.4 m。槽底板和斜坡段均采用格賓石籠結(jié)構(gòu)，厚度0.6m。結(jié)合已建同類工程施工經(jīng)驗(yàn)以及本樞紐工程地質(zhì)的實(shí)際情況，在樞紐下游增設(shè)深隔墻，以便使防沖刷效果得到進(jìn)一步的提升[4]。

2.3.2防沖深度復(fù)核

水閘后沖刷坑深度hd的計(jì)算公式為：

(1)

式中：q為護(hù)坦或海漫末端單寬流量，m3/s.m；h為護(hù)坦或海漫末端水深，m；z為護(hù)坦或海漫末端流速分布圖中最大流速的位置高度，m。若流速分布均勻，則取值50%h；a0為護(hù)坦或海漫末端流速分布的動(dòng)量修正系數(shù)；ht為下游水深，m；d為(d50)床沙粒徑，m；γs、γ為床沙、水的重率，kg/m3。

由該公式我們可以看出，沖刷深度主要受流速、河床土質(zhì)、樞紐單寬流量的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，樞紐最不利沖刷深度為4.06 m，取值5 m。

2.4　抗沖磨措施

由于過(guò)閘流速過(guò)大、河水中泥沙含量較高，所以參考已建同類工程的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)設(shè)置抗沖磨措施，即在閘室、消力池底板表層40 cm以及閘墩下部80 cm范圍內(nèi)設(shè)置C60硅粉混凝土[5]。

3結(jié)語(yǔ)

施工結(jié)束后的驗(yàn)收結(jié)果顯示，泄洪閘設(shè)計(jì)方案的預(yù)期目標(biāo)得到了有效實(shí)現(xiàn)，泄洪閘的使用功能再度建立并較以往有了較大幅度的提升。項(xiàng)目的成功建設(shè)不僅提高了灌溉保證率，為灌區(qū)9.89萬(wàn)畝灌溉面積適時(shí)適量供水提供了保障，同時(shí)也為協(xié)比乃爾布呼渠進(jìn)水閘樞紐安全通過(guò)設(shè)計(jì)洪水提供了大力支持。

參考文獻(xiàn)：

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[作者簡(jiǎn)介]紀(jì)中庭(1984-)，男，江蘇邳州人，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)、水利工程的各種建筑物(橋梁、樞紐、水閘)設(shè)計(jì)等。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號(hào)：TV66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-7596(2015)08-0105-03