豐東灌區(qū)渠首火焰山節(jié)制閘重建工程設(shè)計計算

劉 振，白 斌

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 南昌 330029；2.四川大學(xué)水電學(xué)院，四川 成都 610207)

1 工程概況

豐東灌區(qū)位于江西豐城市東南部，屬鄱陽湖水系清豐山溪流域。豐東灌區(qū)是一座蓄引并舉，庫渠結(jié)合的多水源大型灌區(qū)，設(shè)計灌溉面積52.33×104畝，工程等別為Ⅱ等。灌區(qū)渠首工程為火焰山節(jié)制閘樞紐，其中火焰山節(jié)制閘設(shè)計過閘流量Q=987m3/s，現(xiàn)狀上游河道寬約106m，左岸連接渠頂高程約29.1～30.0m，右岸為火焰山。按照SL 265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，火焰山節(jié)制閘按3級建筑物設(shè)計。除險加固工程維持水閘原有規(guī)模不變，正常蓄水位27.80m，設(shè)計洪水位29.09m，校核洪水位29.54m。

2 工程現(xiàn)存主要問題

火焰山節(jié)制閘樞紐工程建于1971年，位于豐城市榮塘鎮(zhèn)火焰山腳下，距豐城市城區(qū)約30km。工程任務(wù)主要是攔截豐水河河水，抬高閘前水位，引豐水通過萬米渡槽、勝利節(jié)制閘為低線干渠和萬米干渠提供灌溉用水。水閘現(xiàn)狀過流能力不足，汛期阻水嚴(yán)重。經(jīng)過幾十年運行，閘門銹蝕，閘門和閘墩之間止水不嚴(yán)，漏水嚴(yán)重[1- 2]。閘門為平板閘門，無啟閉設(shè)備，無法開啟。閘墩和人行便橋混凝土都已老化、開裂、露筋、剝落，危及閘室安全[3]。水閘下游無任何消能防沖設(shè)施，下游左岸沖毀較嚴(yán)重，形成沖坑深達2～3m，危及閘室的穩(wěn)定[4]。進入閘址交通困難，現(xiàn)只能通過渡槽頂進入，渡槽頂寬不足1m。泄洪建筑物現(xiàn)存典型問題，如圖1所示。

圖1 火焰山節(jié)制閘現(xiàn)存典型問題

根據(jù)現(xiàn)狀水閘的結(jié)構(gòu)布置，火焰山節(jié)制閘泄洪能力復(fù)核采用開敞式平板閘按堰流公式進行計算[5]，結(jié)果表明：下游校核洪水位(P=2%)為29.37m，相應(yīng)下泄流量為987m3/s，現(xiàn)狀水閘最大過流能力為584m3/s；下游設(shè)計洪水位(P=5%)為28.88m，相應(yīng)下泄流量為610m3/s，而現(xiàn)狀水閘最大過流能力為397m3/s。水閘各級頻率洪水上下游水位差較大，現(xiàn)狀水閘泄流能力嚴(yán)重不足，水流條件差，需加大行洪斷面，恢復(fù)水閘正常的灌溉和防洪功能[6]。

3 火焰山節(jié)制閘拆除重建設(shè)計

3.1 拆除重建方案優(yōu)化比選

根據(jù)現(xiàn)狀火焰山節(jié)制閘過流能力不足，泄水凈寬不夠，水流條件差等情況[7]，結(jié)合現(xiàn)狀地形，在原閘址上游約60m垂直水流方向，采用閘壩結(jié)合型式對原閘進行拆除重建。綜合考慮各方面因素，設(shè)計2個方案進行比選，即節(jié)制閘段布置左岸和節(jié)制閘布置右岸方案。

方案一：閘壩結(jié)合，節(jié)制閘左岸布置

節(jié)制閘段位于原火焰山節(jié)制閘上游60m處，垂直左岸布置。節(jié)制閘采用開敞式平底閘，設(shè)檢修、工作閘門各一道。閘室段長10.0m，閘墩頂高程為30.50m。溢流壩段緊貼節(jié)制閘布置，壩體全長50m，壩體溢流表面采用WES曲線面。節(jié)制閘及溢流壩下游設(shè)消力池，混凝土導(dǎo)墻分隔，分區(qū)消能，消力池底板靠下游側(cè)每2m設(shè)一排水孔。

方案二：閘壩結(jié)合，節(jié)制閘右岸布置

節(jié)制閘段除布置在右岸外，布置地點、節(jié)制閘及溢流壩結(jié)構(gòu)形式等與方案一相同。

經(jīng)分析，上述兩方案均可以滿足控制調(diào)節(jié)上游正常蓄水位、泄洪等要求。兩種方案在地形、工程布置、工程投資等方面相當(dāng)。從工程運行管理角度，方案一節(jié)制閘段布置在左岸，可直接進閘，要明顯優(yōu)于方案二。設(shè)計優(yōu)選方案一，即閘壩結(jié)合，節(jié)制閘左岸布置方案。

3.2 節(jié)制閘布置

火焰山節(jié)制閘泄洪建筑物由節(jié)制閘及溢流壩組成。該閘上游校核洪水位(P=2%)為29.54m，下游為29.37m，相應(yīng)最大下泄流量987m3/s；上游設(shè)計洪水位(P=5%)為29.09m，下游為28.88m，相應(yīng)最大下泄流量763m3/s；正常蓄水位27.80m。

(1)閘底板高程確定

節(jié)制閘主要功能是抬高上游豐水河水位，為低線、萬米干渠提供灌溉水量?，F(xiàn)狀水閘底板高程為25.80m。經(jīng)復(fù)核、計算，確定節(jié)制閘底板高程為25.00m。

(2)結(jié)構(gòu)布置

節(jié)制閘段位于河道左側(cè)，緊靠左岸布置。閘軸線長54.0m，設(shè)5孔，每孔凈寬9.0m。閘室泄流總凈寬45.0m，順?biāo)鏖L10.0m。采用開敞式平底閘，閘底板高程25.00m，為整體式C20混凝土底板，厚1.5m。閘左、右側(cè)每兩孔為一聯(lián)，中間一孔為一聯(lián)，共三聯(lián)，閘墩長10.0m，閘段間設(shè)伸縮縫，縫寬2cm，縫間采用紫銅片止水。閘墩頂高程30.50m，邊墩厚1.0m，中墩厚1.5m，縫墩厚1.0m，為C20混凝土。每孔設(shè)檢修、工作閘門各一道，其中檢修門為5孔共用，檢修、工作閘門均采用平面鋼閘門，工作閘門采用QP- 2×160kN卷揚式啟閉機，檢修閘門采用2×100kN電動葫蘆啟閉機。閘門正常蓄水位27.80m，頂高程28.30m，超正常蓄水位開啟閘門泄流。閘墩頂設(shè)交通橋、啟閉排架及閘房，閘房長×寬為4.5m×55m，交通橋?qū)?.6m，橋頂高程與閘頂高程均為30.50m。

溢流壩段位于河道右側(cè)，緊靠節(jié)制閘段布置，壩體全長50.0m。壩頂高程27.80m，壩底高程23.80m，壩高4.0m，底寬6.0m。壩體溢流表面采用WES曲線面，頂設(shè)2m寬人行便橋，人行橋橋面高程30.50m。水閘上游設(shè)置混凝土護坦，底板高程為25.0m，長10.0m，厚40cm，為C20混凝土，下設(shè)0.10m厚砂卵石墊層。節(jié)制閘及溢流壩下游設(shè)消力池，混凝土導(dǎo)墻分隔，分區(qū)消能，節(jié)制閘段消力池長15m，溢流壩段消力池長10m，底板高程分別為24.0m、24.5m，消力池后沒消力坎，坎高分別為1.0m、0.5m，消力池底板靠下游側(cè)每2m設(shè)一排水孔。

4 節(jié)制閘設(shè)計計算

4.1 泄流能力分析

火焰山節(jié)制閘重建工程設(shè)計為閘壩結(jié)合形式，其中節(jié)制閘段垂直水流方向靠左岸布置，為5孔開敞式水閘，單孔凈寬9m。溢流壩段緊貼節(jié)制閘布置，壩體全長50m。壩頂高程27.8m，底寬6.0m，壩體溢流表面采用WES曲線面。按SL 265—2016中堰流公式對重建的節(jié)值閘泄流能力進行復(fù)核[8]，計算成果見表1。

從表1可知：水閘校核洪水位(P=2%)為29.54m(相應(yīng)下游水位29.37m，上下游水位差0.17m)，相應(yīng)最大下泄流量987m3/s；設(shè)計洪水位(P=5%)為29.09m(相應(yīng)下游水位28.88m，上下游水位差0.21m)，相應(yīng)節(jié)制閘最大下泄流量763m3/s。與現(xiàn)狀水閘泄流規(guī)模相比，拆除重建后水閘上下游水位差已減小較多，重建后節(jié)制閘的泄流規(guī)模與工程實際匹配，規(guī)模適當(dāng)。

表1 節(jié)制閘泄流能力分析成果

表2 節(jié)制閘閘頂高程計算成果

表3 節(jié)制閘段閘室(溢流壩)穩(wěn)定計算成果表

4.2 閘頂高程確定

火焰山節(jié)制閘重建工程正常蓄水位為27.80m，設(shè)計洪水位(p=5%)為29.09m，校核洪水位(p=2%)為29.54m。波浪要素采用莆田試驗站公式計算[9]，風(fēng)速Vo=15.2m/s，水域平均水深Hm=6.37m，風(fēng)區(qū)長度D=530m。根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》，計算得閘頂高程成果，見表2。

由表2可知，校核洪水條件下，節(jié)制閘閘頂高程為30.04m。結(jié)合現(xiàn)場實際地形，考慮水閘人行橋梁高度，取閘頂高程為30.5m。

4.3 閘室及溢流壩穩(wěn)定性分析

根據(jù)節(jié)制閘結(jié)構(gòu)布置、受力等條件，閘室設(shè)計計算采用一個閘門段進行計算[10]。閘室及溢流壩穩(wěn)定性分析計算工況為：①完建工況：閘上、下游水位均低于閘底板高程25.0m；②正常蓄水位工況：上游水位27.80m，下游25.0m(下游無水)；③設(shè)計洪水位工況：上游設(shè)計洪水位(P=5%)為29.09m，相應(yīng)下游水位28.88m；④校核洪水位工況：校核洪水位(P=2%)為29.54m，相應(yīng)下游水位29.37m。按SL 265—2016推薦公式，計算得節(jié)制閘段閘室和溢流壩穩(wěn)定性分析成果，見表3。

計算結(jié)果表明，各工況下節(jié)制閘段閘室和溢流壩沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及地基應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。地基應(yīng)力均小于允許承載力[σ]=300kPa，不需對地基進行加固處理。

4.4 節(jié)制閘段及溢流壩消能計算

根據(jù)火焰山節(jié)制閘低水頭、大單寬流量特點，設(shè)計采用底流消能。按水閘設(shè)計規(guī)范推薦公式進行消能計算。

節(jié)制閘段消力池計算長度為13.2m，池深0.68m，設(shè)計布置中考慮出閘室后的銜接段長1m及尾坎厚1.0m，最終確定消力池段總長15.0m，池深1.0m，底板厚度1.0m。

溢流壩在各種洪水流量情況下，下游水深均遠(yuǎn)比躍后水深大，滿足產(chǎn)生淹沒水躍的條件。消能防沖設(shè)計流量(P=5%)763m3/s時，消力池最大長度為8.86m。最終確定下游消力池護坦長度10.0m，底板厚度0.70m。同時，為增強小流量情況防沖效果，在護坦尾端設(shè)深0.5m尾坎。

5 結(jié)論

火焰山節(jié)制閘是豐東灌區(qū)首部樞紐重要的攔截引水灌溉和汛期防洪工程。由于當(dāng)時建設(shè)施工水平較差、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低和管理理念滯后等因素，工程從建成運行以來防洪功能就很難得到正常發(fā)揮，加上幾十年運行，泄洪閘存在混凝土嚴(yán)重老化、泄流能力不足、泄水凈寬不滿足要求、閘門嚴(yán)重漏水、下游無消能防沖設(shè)施和左岸沖毀等問題，急需通過除險加固改造以恢復(fù)節(jié)制閘的灌溉和防洪功能。根據(jù)水閘現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)及泄洪能力復(fù)核結(jié)果，綜合考慮樞紐構(gòu)建物功能、現(xiàn)狀地形和工程運行等條件，優(yōu)選與工程實際相匹配的閘壩結(jié)合節(jié)制閘布置左岸的拆除重建方案。通過在原火焰山節(jié)制閘上游60m處垂直左岸布置節(jié)制閘重建工程的實施，可以有效增加水閘的擋蓄水和泄洪能力，不僅可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠、足量水資源，同時可增強節(jié)制閘自身防洪性能，減小對上游堤防的防洪壓力，確保上游兩岸堤防安全。