關(guān)于中小型水閘設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)探討

【摘要】針對(duì)上海市中小型水閘建設(shè)過(guò)程中存在的問題，結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)多種工況下水閘閘室段底板長(zhǎng)度、消力池長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算，旨在為類似水閘工程設(shè)計(jì)提供參考，以提高水閘建設(shè)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。本文得出結(jié)論如下：在地基相似的條件下，最經(jīng)濟(jì)的底板長(zhǎng)度與上下游水位差呈正比關(guān)系，上下游水位差越大，底板長(zhǎng)度越長(zhǎng)；消力池長(zhǎng)度與上游水位近似成正比關(guān)系，上游水位越高，消力池越長(zhǎng)。

【關(guān)鍵詞】水閘設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；標(biāo)準(zhǔn)化

在國(guó)家對(duì)水利大力投資的背景下，上海各區(qū)水利設(shè)計(jì)建設(shè)工作有序展開，其中水閘建設(shè)是重要一環(huán)。青松大控制片是上海水利分片綜合治理中地勢(shì)最為低洼的片區(qū)，該片區(qū)涉及青浦、松江兩個(gè)行政區(qū)，該片區(qū)河網(wǎng)密布，進(jìn)行水利建設(shè)以前，區(qū)域內(nèi)洪澇、漬害嚴(yán)重。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防汛除澇、區(qū)域水安全任務(wù)越來(lái)越重，水閘的建設(shè)更顯得尤為重要。對(duì)青松大控制片數(shù)百座水閘結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，主要存在以下問題：一是設(shè)計(jì)缺乏計(jì)算，套用以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；二是相同工況下，水閘結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件設(shè)置相差較大。以4m單跨水閘為例，水閘底板長(zhǎng)度有5.5m、6m、11m、13m、15m、18m等；三是同種類型閘，工程造價(jià)相差大。四是設(shè)計(jì)成果和當(dāng)?shù)丨h(huán)境、建設(shè)風(fēng)格、管理要求不協(xié)調(diào)等?；谏鲜鲈颍x取水閘中占比達(dá)19%的4m單跨水閘為例，對(duì)中小型水閘工程設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化研究。

1、水閘閘室段研究

閘室段是水閘的主體部分，起著擋水和調(diào)節(jié)水流的作用。閘室包括底板、閘墩、邊墩、岸墻、閘門、工作橋及交通橋等。本次主要研究討論閘室底板。

工程實(shí)踐中，進(jìn)水閘一般都采用寬頂堰型底板，堰頂高程與下游渠低齊平或稍高。對(duì)于多泥沙河流，為了減少泥沙進(jìn)入渠道，堰頂至少要高出河底0.5～1.5m。對(duì)于攔河閘，特別是在平原地區(qū)上、下游水位差較小的情況下，堰頂高程盡可能定得低些，以便獲得較大的過(guò)閘流量。一般情況下，堰頂高程與河底同高或略高，如比河底低很多，則有可能產(chǎn)生淤積現(xiàn)象。本次研究水閘采用梯形的低堰，堰頂高程比下游河底略高，取0.5m；閘室底板高程與下游河底同高，取0.0m。

閘室底板長(zhǎng)度的確定首先根據(jù)滲徑系數(shù)法初步擬定，用改進(jìn)阻力系數(shù)法驗(yàn)證，最后綜合閘室布置要求確定。根據(jù)上海青松地區(qū)的地質(zhì)資料，閘室底板基本位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（③層）上，則允許滲徑系數(shù)值可取4～3，則閘室防滲長(zhǎng)度為：L=（3～4）×2.11=（6.44～8.44）m。地下輪廓布置與地基土質(zhì)的關(guān)系較大，對(duì)于不同的地基有不同的布置特點(diǎn)。上海青浦地區(qū)地基土以粘土為主，粘性土壤具有凝聚力，不易發(fā)生管涌，但土壤與閘底板之間的摩擦系數(shù)較小，不利于閘室穩(wěn)定。為此，可考慮將排水設(shè)備布置在閘底板之下，這樣可減小作用在底板上的滲透壓力，且對(duì)加速粘土固結(jié)也有一定作用。因此，在布置地下輪廓線時(shí)，主要考慮如何降低閘底滲透壓力，以提高閘身穩(wěn)定性。粘土地基一般不打樁，因?yàn)檫@樣可能破壞粘土的天然結(jié)構(gòu)，在板樁與地基間造成集中滲流通道。本次研究水閘閘室底板厚度暫取0.6m，上、下游的均設(shè)置齒墻，齒墻的寬度及深度均為0.5m，上游齒墻的作用是延長(zhǎng)滲徑、減小閘底板的滲透壓力，下游齒墻的作用是減小出逸坡降，有助于防止地基產(chǎn)生滲透變形。

根據(jù)計(jì)算閘室防滲長(zhǎng)度要求，初步擬定閘室底板順?biāo)鏖L(zhǎng)度進(jìn)行滲流計(jì)算，若滲透坡降不能滿足要求，則加大底板長(zhǎng)度至滿足要求。

根據(jù)初步擬定的閘室底板尺寸，可求得實(shí)際防滲長(zhǎng)度：

由以上計(jì)算可知：防滲長(zhǎng)度滿足要求。

采用改進(jìn)阻力系數(shù)法來(lái)進(jìn)行滲流計(jì)算，計(jì)算過(guò)程：計(jì)算地基有效深度→計(jì)算各典型段的阻力系數(shù)→計(jì)算各典型段的滲壓水頭損失→進(jìn)、出口水頭損失值的修正→計(jì)算各滲流角點(diǎn)處的滲壓水頭→驗(yàn)算滲透坡降。計(jì)算結(jié)果示意圖如下：

通過(guò)滲流計(jì)算可合理擬定水閘地下輪廓線的型式和尺寸，確定滿足滲透要求的最經(jīng)濟(jì)合理的底板長(zhǎng)度。而影響滲流的主要因素為上下游水頭差，故本次研究在假定地基基礎(chǔ)與上述相同的情況下，分別計(jì)算了水位差為1.5m、2.0m、2.5m及3.0m時(shí)的滲透坡降，計(jì)算結(jié)果見下表：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，在地基相似的條件下，

最經(jīng)濟(jì)的底板長(zhǎng)度與上下游水位差呈正向關(guān)系，上下游水位差越大，底板長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其關(guān)系見圖3：

2、水閘消能防沖研究

水閘的消能方式主要有底流式、面流式和挑流式三種。底流式消能，可用于中、低水頭的水閘，是應(yīng)用較廣的基本消能方式。底流消能由消力池、海漫和防沖槽三部分組成。消力池緊挨閘室，在池中利用水躍進(jìn)行消能。海漫緊接消力池，其作用是繼續(xù)消除水流的剩余動(dòng)能，是水流擴(kuò)散并調(diào)整流速分布，以減小底部流速。海漫末端常設(shè)防沖槽。促使閘下產(chǎn)生底流式水躍主要靠消力池，消力池布置在閘室的兩側(cè)，能使下泄急流迅速變?yōu)榫徚?，一般可將下泄水流的?dòng)能消除46%～67%，并可縮短護(hù)坦長(zhǎng)度，是一種有效而經(jīng)濟(jì)的消能設(shè)施。

設(shè)計(jì)消力池時(shí)先根據(jù)上下游水位、過(guò)閘流量和地形地質(zhì)等條件，假定池底高程，然后進(jìn)行水躍計(jì)算，求出躍前水深hc及躍后水深hc”，從而確定池深以及池底高程。

計(jì)算消力池深度及長(zhǎng)度時(shí)要考慮最不利的運(yùn)用情況，可用設(shè)計(jì)范圍內(nèi)不同的過(guò)閘單寬流量及相應(yīng)的上、下游水位，分別計(jì)算上述兩個(gè)數(shù)值并分別取用最大值作為設(shè)計(jì)值。

本次研究水閘采用梯形的實(shí)用低堰形式，堰頂高程為0.5m，根據(jù)消能水位組合，正向及反向上游最低水位均為2.5m，則閘前水深H=2.5-0.5=2.0m。本次研究取閘門開度為0.5m時(shí)的過(guò)閘單寬流量進(jìn)行消能防沖計(jì)算。閘門開度e=0.5m，此時(shí)e/H=0.2≤0.65，為閘孔出流。

根據(jù)消力池長(zhǎng)度計(jì)算公式，其大小與躍后水深及收縮水深有關(guān)，而，，故在消力池首端、末端寬度b1、b2相同的情況下，與均與單寬流量相關(guān)，，因此，當(dāng)b1、b2及閘門開度e等均相同的情況下，消力池長(zhǎng)度主要與堰上總水頭H0相關(guān)，而本次研究的水閘主要位于圩內(nèi)，河道內(nèi)水流速度很小，可不計(jì)行近流速，則消力池長(zhǎng)度主要與上游水位相關(guān)。

從上圖中可知：消力池長(zhǎng)度與上游水位近似成正比例關(guān)系，上游水位越高，消力池越長(zhǎng)。

3、結(jié)束語(yǔ)：

總之，在水利工程施工中，水閘施工較為特殊，且其與其他的建筑結(jié)構(gòu)不具有共性，所以設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮工程所在位置的水文、地質(zhì)、周邊環(huán)境等因素，提高水閘工程的設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)水閘工程的順利建設(shè)，并確保其足夠安全、經(jīng)濟(jì)且合理。

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