排水閘設(shè)計(jì)綜述

侯 迪，李莎莎

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002)

排水閘設(shè)計(jì)綜述

侯 迪，李莎莎

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550002)

基于一排水溝上排水閘的新建，對排水閘的各種指標(biāo)如洞涇尺寸、排滲排水、消能防沖、閘室穩(wěn)定、翼墻穩(wěn)定等各項(xiàng)內(nèi)容，進(jìn)行了分析。按照規(guī)范，土基上的翼墻穩(wěn)定計(jì)算在各種計(jì)算情況下，平均基底應(yīng)力≤地基允許承載力，最大基底應(yīng)力≤地基允許承載力的1.2倍；地基應(yīng)力不均勻系數(shù)≤規(guī)定的允許值；沿翼墻及地面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥規(guī)定的允許值，因此，該設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

排水閘；孔口尺寸；滲流穩(wěn)定；閘室穩(wěn)定；抗滑穩(wěn)定安全

在文章中，假設(shè)地質(zhì)巖性廣泛分布在第四系不同時(shí)期和成因類型的松散堆夾層，巖性相變較為頻繁，剁成透鏡體狀交替分布，地震參數(shù)為Ⅶ度，與渠道相交的排水溝設(shè)計(jì)排澇流量為8.0m/s。在此排水溝上新建一個(gè)排水閘，平面布置上包括上游連接段、鋼筋混凝土洞身段，下游連接段3部分。下面對其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析研究。

1 水力計(jì)算

1.1 洞涇尺寸的確定

初擬排水閘2孔2×2.5，采用公式：

(1)

表1 孔口尺寸計(jì)算表

1.2 防滲排水設(shè)計(jì)

閘基滲流穩(wěn)定計(jì)算

1)計(jì)算工況：

閘前設(shè)計(jì)灌溉水位，閘下水位平底板

2)阻力系數(shù)計(jì)算：

采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算閘基滲流坡降，阻力系數(shù)計(jì)算公式如下：

進(jìn)、出口段：

(2)

內(nèi)部垂直段：

(3)

水平段：

(4)

式中：ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻的入土深度，m；T為地基透水層深度；ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)；ξx為水平段的阻力系數(shù)；LX為水平段長度，m；S1、S2為進(jìn)出口段板樁或者齒墻的入土深度。

3)各分段水頭損失值計(jì)算：

(5)

式中：h1為各分段水頭損失值，m；ξ1為各分口段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

4)進(jìn)出口段水頭損失值修正：

進(jìn)出口段水頭損失值計(jì)算出來以后，再按下式做修正：

(6)

5)滲流坡降值按下面的式子計(jì)算：

(7)

水平段滲流坡降值按下式計(jì)算：

(8)

式中：J0為出口段滲流坡降值；Jx為水平段滲流坡降值。

6)計(jì)算成果分析：

從計(jì)算成果看，出口段坡降值及水平段滲流降值均在允許值范圍之內(nèi)，計(jì)算成果見表2。

表2 涵閘閘流穩(wěn)定計(jì)算成果表

1.3 消能防沖

閘下消能設(shè)計(jì)水力條件分兩種情況：

1)在排澇水位條件下，閘上下游水頭差很小，對沖刷影響小；運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)閘上下游水位相差較大工況，即排水溝排澇水位而閘后無水，要求開啟閘門，對渠道沖刷影響較大。

2)在灌溉水位條件下，可能出現(xiàn)的最不利情況為閘后無水，此時(shí)水利對排水溝沖刷影響較大。

此排水溝新建排水閘，在消能計(jì)算過程中，假設(shè)最不利的一種工礦：閘前支溝為排澇水位，閘后無水，在閘門開度為0.2m，0.3m，0.35m等3種情況下，分別計(jì)算出涵閘的過閘流量，然后根據(jù)閘后渠道河道要素，推出下游水深，最后分別驗(yàn)算這幾種情況下的消力池深度，長度，地板厚度，并選取最大值作為設(shè)計(jì)取值。反之，在閘后水位為灌溉水位，閘錢無水工況下推算灌溉時(shí)消力池深度。

消能計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)中底流效能計(jì)算公式：

消力池深度采用公式(《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001)：

(9)

式中：α為水流動能校正系數(shù)，取1.05；φ為流速系數(shù)，取0.95；d為消力池深,m；σ0為水躍淹沒系數(shù)，取1.05；hc為躍前水深，m；h″c-躍后水深，m；hs為下游水深，m；ΔZ為出池落差，m；q為過閘單寬流量，m3/s·m；T0為消力池底板頂面算起的總勢能，m。

消力池長度。采用公式如下(《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001)

(10)

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)；Lj為水躍長度；計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 消能計(jì)算成果表

根據(jù)以上結(jié)果，設(shè)計(jì)排水溝與渠道相交處的渠道河測消力池水平段長度為6.0，池深0.5m，排水溝測構(gòu)造消力池。

1.4 閘室穩(wěn)定計(jì)算

1.4.1 計(jì)算荷載與組合

按照SL265-2001中規(guī)定的荷載組合要求進(jìn)行閘室穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算工況及荷載組合情況如下：

基本組合：

1)施工完建工況：水閘上下游無水，荷載為結(jié)構(gòu)自重。

2)正常運(yùn)行工況：灌溉水位下，自重+水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力。

特殊組合(地震工況)：正常運(yùn)行工況+Ⅶ地震。

1.4.2 采用公式及計(jì)算成果

采用SL265-2001中土基沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式：

(11)

式中：KC為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載。

閘室基地應(yīng)力采用計(jì)算公式：

(12)

按水閘設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：土基上的閘室穩(wěn)定計(jì)算在各種計(jì)算情況下，閘室平均基底應(yīng)力≤地基允許承載力，最大基底應(yīng)力≤地基承載力的1.2倍；地基應(yīng)力不均勻系數(shù)≤規(guī)定的允許量；沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)≥規(guī)定的允許值[1]。

上述計(jì)算結(jié)果可以看出，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，地基承載能力均滿足規(guī)范要求，則可以采用天然地基。

表4 排水閘閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

2 翼墻穩(wěn)定性計(jì)算

本設(shè)計(jì)中翼墻采用重力式M-10漿砌石擋土墻，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括荷載及組合的確定，最大斷面的穩(wěn)定計(jì)算。

2.1 荷載計(jì)算

作用于翼墻最大斷面上(取單寬米)的荷載有：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、土壓力、水平地震力等。

墻體重度23(kN/m3)

墻后填土內(nèi)摩擦角：19.6°；

墻后填土黏聚力：20.6(kPa)；

墻后填土飽和容重：19.3(kN/m3)；

墻后填土濕容重：18.6(Kn/m3)；

2.2 荷載組合

1)基本組合：

工況1：完建情況；翼墻上下游無水，荷載為自重、土重、主動土壓力。

工況2：正常運(yùn)行情況；翼墻前無水，翼墻后水位為上排排水管處水位。荷載為自重、土重、主動土壓力、水壓力、揚(yáng)壓力[2]。

2)特殊組合：

工況3：正常運(yùn)用遇Ⅶ度地震情況；正常運(yùn)行工況+Ⅶ度地震；荷載為自重、土重、慣力土、地震動土壓力、靜水壓力、動水壓力、揚(yáng)壓力。

2.3 穩(wěn)定計(jì)算

1)抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

(13)

式中：KC為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基礎(chǔ)底板與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用于翼墻上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在翼墻上的全部水平向荷載，kN。

2)地基應(yīng)力驗(yàn)算

(14)

式中：∑M為各力以翼墻底板上游址點(diǎn)為矩心計(jì)算力矩總和；B為翼墻底板計(jì)算寬度；L為翼墻底板計(jì)算長度；e0為合力對翼墻底板中心的偏心距。

對排水閘翼墻做典型設(shè)計(jì)，其穩(wěn)定計(jì)算成果見表5。

表5 翼墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

按照規(guī)范，土基上的翼墻穩(wěn)定計(jì)算在各種計(jì)算情況下，平均基底應(yīng)力≤地基允許承載力，最大基底應(yīng)力≤地基允許承載力的1.2倍；地基應(yīng)力不均勻系數(shù)≤規(guī)定的允許值；沿翼墻及地面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥規(guī)定的允許值，因此，此設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

[1]王業(yè)英.淮陰閘閘孔電站擴(kuò)建方案淺析[J].小水電,2003(05):89-90.

[2]李俊杰.閘址選擇和閘孔初步設(shè)計(jì)[J].河南水利與南水北調(diào),2016(08):50-52.

1007-7596(2017)06-0107-04

2017-05-16

侯迪(1989-)，男，山東濟(jì)寧人，博士，研究方向?yàn)闈B流控制分析及邊坡穩(wěn)定；李莎莎(1986-)，女，山東濟(jì)寧人，工程師，從事水工設(shè)計(jì)工作。

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