閘址選擇和閘孔初步設(shè)計(jì)

□李俊杰（開封市城區(qū)水利局）

閘址選擇和閘孔初步設(shè)計(jì)

□李俊杰（開封市城區(qū)水利局）

現(xiàn)代水閘建設(shè)，正在向形式多樣化、結(jié)構(gòu)輕型化、施工裝配化，操作自動(dòng)化和遙控化方向發(fā)展。文章結(jié)合相關(guān)資料，依據(jù)閘址選擇關(guān)系到工程建設(shè)的成敗和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，根據(jù)水閘承擔(dān)的任務(wù)，綜合考慮地形、地質(zhì)條件和水文、泥沙、施工管理和建閘后過閘水流的形態(tài)等其他方面因素，最終選定最佳方案，并結(jié)合實(shí)際介紹了相關(guān)閘孔的初步設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

水閘選址；閘孔設(shè)計(jì)要點(diǎn)；閘孔寬度計(jì)算

1　水閘的功能

水閘是一種利用閘門擋水和利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的水工建筑物，多建于河道、渠系及水庫、湖泊岸邊。關(guān)閉閘門，可以攔洪、擋潮、抬髙水位以滿足上游引水和通航的需要;開啟閘門，可以泄洪、排澇、沖沙或根據(jù)下游用水需要調(diào)節(jié)流量。

2　水閘的工作特點(diǎn)

一是土基的壓縮性比較大，承載能力相對(duì)比較低，很容易產(chǎn)生較大的沉降差，造成闡室傾斜，閘底板斷裂，甚至發(fā)生止水破壞塑性破壞，引起水閘失事。二是水閘泄流時(shí)，一般行進(jìn)流速水頭較小，但仍具有一定的沖刷能力，土基的抗沖能力較低，容易被沖刷。此外，從水閘或溢流壩下泄的急流在受到下游渠道緩流的頂托時(shí)，容易產(chǎn)生水躍現(xiàn)象。因此，消能防沖設(shè)施要在各種運(yùn)用情況時(shí)都能滿足設(shè)計(jì)要求。三是土基在滲透水流作用下，容易產(chǎn)生滲透變形，特別是粉、細(xì)砂地基。在閘后易出現(xiàn)翻砂冒水現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)閘基和兩岸會(huì)被掏空，在地震時(shí)細(xì)砂容易液化。在滲流出逸面上應(yīng)鋪設(shè)反濾層和設(shè)置排水溝槽。

3　閘址選擇和閘孔初步設(shè)計(jì)

3.1堰型選擇

寬頂堰是水閘中最常采用的一種形式。堰的厚度為2～10倍堰上水頭、堰頂水面線有一段近似為水平段的堰，它有利于泄洪、沖沙、排污、排冰、通航，且泄流能力比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，但自由泄流時(shí)流量系數(shù)較小,容易產(chǎn)生波狀水躍。

低實(shí)用堰有梯形的、曲線形的和駝峰形的。低實(shí)用堰自由出流流量系數(shù)大，水流條件較好，堰型適宜可消除波狀水躍，但當(dāng)下游水深超過堰上水頭的0.60倍時(shí)，出流受尾水影響明顯，淹沒出流流量系數(shù)低，同時(shí)施工復(fù)雜。當(dāng)上游水位較高，為限制過閘單寬流量，需要抬高堰頂高程時(shí)，常選用這種形式。

3.2閘底板髙程的選定

由于底板高程與水閘承擔(dān)的任務(wù)、泄流或引水流量、上下游水位及河床地質(zhì)條件等因素有關(guān)，選定的是否恰當(dāng)關(guān)系到閘的穩(wěn)定性。

閘底板應(yīng)置于較為堅(jiān)實(shí)的土層上，并應(yīng)盡量利用天然地基。在地基強(qiáng)度能夠滿足要求的條件下，底板高程定得高些，閘室寬度大，兩岸連接建筑相對(duì)較低。在大、中型水閘中，由于閘室工程量所占比重較大，因而適當(dāng)降低底板高程，常常是有利的。對(duì)于小型水閘，由于兩岸連接建筑在整個(gè)工程量中所占比重較大，因而總的工程造價(jià)可能是經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)然，底板高程也不能定得太低，否則，由于單寬流量加大，將會(huì)增加下游消能防沖的工程量，閘門高度增加，啟閉設(shè)備容量也隨之加大，另外,還可能給基坑開挖帶來一定的難度。

一般情況下，攔河閘和沖沙閘的底板頂面可與河底齊平；分洪閘的底板頂面也應(yīng)較河床稍高，排水閘則應(yīng)盡量定得低些，以保證將漬水迅速降至計(jì)劃高程，但要避免排水出口被泥沙淤塞；進(jìn)水閘的底板頂面在滿足引用設(shè)計(jì)流量的條件下，應(yīng)盡可能高一些，以防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入渠道；擋潮閘有排水閘作用，其底板頂面也應(yīng)盡量設(shè)計(jì)低一些。

3.3閘頂高程的確定

在蓄水或擋水時(shí)，閘頂高程是指閘門頂高程，它不應(yīng)低于正常蓄水位（或最高擋水位)加波浪計(jì)算高度與安全超高之和。在泄洪時(shí)，如果閘門全開，閘頂高程應(yīng)指交通橋的梁底高程；如果閘門部分開啟，閘頂高程應(yīng)指交通橋的梁底和閘門開啟后的門頂兩者中的較低者。按照我國《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001，在泄洪時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位與相應(yīng)安全超高值之和，后者的安全加高已考慮浪高因素，此處不再加浪高。

根據(jù)我國《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001，閘頂高程的確定還應(yīng)考慮下列因素：①軟弱地基上閘基沉降的影響；②多泥沙河流上、下游河道變化引起水位升高或降低的影響；③在防洪堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪堤頂高程。

4　計(jì)算閘孔總凈寬

4.1當(dāng)水流呈堰流時(shí)閘孔總凈寬

式中：Q—設(shè)計(jì)流量，m/s2；H0—計(jì)入行近流速水頭在內(nèi)的堰頂水頭；σεm—淹沒系數(shù)、側(cè)收縮系數(shù)和流量系數(shù)，由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 265—2001査算；g—重力加速度。

4.2當(dāng)水流呈孔流時(shí)閘孔總凈寬

式中：α—閘門開度或胸墻下孔口高度，m;σ、μ—寬頂堰上孔流的淹沒系數(shù)和流速系數(shù)，由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001査得。

決定閘孔總凈寬L。還需選用適宜的最大過閘單寬流量。根據(jù)我國的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)粉砂、細(xì)砂地基，可選取5～10m3(s·m);砂壤土地基，可取10～15m3/(s·m);壤土地基，取15～20m3/(s·m);堅(jiān)硬粘土地基，取20～25m3(s·m)。

過閘水位差的選用，關(guān)系到上游淹沒和工程造價(jià)，例如：如過分壅高上游水位，將會(huì)增加上游河岸堤防的負(fù)擔(dān)，使地下水位升高，加大下游消能防沖的工程量。設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合工程的具體情況來擇定，一般設(shè)計(jì)過閘水位差選用0.10～0.30m。

水閘的過水能力與上下游水位、底板高程和閘孔總凈寬等是相互關(guān)聯(lián)的，設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過對(duì)不同方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后最終確定。

5　確定閘室單孔寬度和閘室總寬度

閘室單孔寬度l0根據(jù)閘門形式、啟閉設(shè)備條件、閘孔的運(yùn)用要求（如泄洪、排冰或漂浮物、過船等）和工程造價(jià)，并參照閘系列綜合比較選定，大、中型水閘的單孔寬度一般采用8～12m。閘孔孔數(shù)n=L0/l0，設(shè)計(jì)中應(yīng)取略大于計(jì)算要求值的整數(shù)，但總凈寬一般在計(jì)算值的3%～5%。閘室總寬度L1=nl0+（n-1）d,其中d為中墩厚度。閘室總寬度擬定后，尚需考慮閘墩等的影響，進(jìn)一步驗(yàn)算水閘的過水能力。

從過水能力和消能防沖兩方面考慮，閘室總寬度應(yīng)與河（渠）道寬度相適應(yīng)。拫據(jù)治理河工程的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)河（渠）道寬B為50～100m時(shí)，兩者的比值η應(yīng)≥0.60～0.75；當(dāng)B＞200m時(shí)，η應(yīng)≥0.85。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

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