撫順市清原縣松樹嘴進水閘加固設計分析

高 洋

（遼寧省清原滿族自治縣小孤家水庫管理所，遼寧 撫順 113300）

進水閘運行時間久，進口段干砌石護砌已沖毀，木板閘門及螺桿式啟閉機損毀嚴重，現(xiàn)狀的進水閘進口較小，引水能力不能滿足要求?，F(xiàn)狀的進水閘建基高程較高，當開挖泄洪沖沙閘基礎時，勢必擾動邊墻基礎[1]?；谏鲜鲈颍瑢M水閘進行拆除加固重建。

1 工程概況

1.1 工程概況

撫順市清原縣松樹嘴攔河閘位于清原縣大孤家鎮(zhèn)松樹嘴村東北500 m處，清河上游，由清原縣大孤家鎮(zhèn)水利站管理。清河是遼河一級支流，發(fā)源于撫順市清原縣北英門鄉(xiāng)三道溝廟嶺，流經(jīng)清原縣。清河全長217.1 km，流域面積5674.3 km2。

松樹嘴攔河閘建于1991年，位于清河干流，主要擔負著閘址以下3000畝農(nóng)田灌溉任務。閘址以上集雨面積為701 km2，河長45 km，河道平均比降為4.20‰，現(xiàn)狀水閘設計洪水標準為10年一遇，設計過閘流量為668 m3/s，校核洪水標準為20年一遇，相應過閘流量為1033 m3/s。

1.2 水文條件

清河流域?qū)贉貛О霛駶櫦撅L型大陸性氣候，春季多風少雨，夏季高溫濕熱，降雨集中，秋季涼爽，冬季嚴寒干燥。多年平均降水量為810.9 mm，降水量年內(nèi)分配不均勻，降水主要集中在6月～9月，占全年降水量71.2%。多年平均蒸發(fā)量（20 cm蒸發(fā)皿）為1317.1 mm。清河流域洪水主要由暴雨形成，其洪水發(fā)生的時間和暴雨出現(xiàn)的時間較一致，清河洪水大多發(fā)生在七八月，尤其集中于7月下旬至8月上旬，占全部洪水出現(xiàn)次數(shù)的80%以上。

2 進水閘存在的主要問題

（1）松樹嘴進水閘左邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，墻頂與墻面塊石已塌落，水位變化區(qū)部分墻體抹縫砂漿脫落，孔洞較多，右邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，斷裂嚴重，殘余2.7 m，已基本被水沖毀。

（2）進口段干砌石護砌已沖毀，木板閘門及螺桿式啟閉機損毀嚴重，已不存在。

（3）由于取消了下游的泉眼頭水閘，該水閘的灌溉任務由松樹嘴水閘承擔，松樹嘴水閘擔負的灌溉面積增加到667 hm2畝，灌溉引用流量為1.38 m3/s?，F(xiàn)狀的進水閘進口尺寸為2 m×1.2 m（寬×高），引水能力不能滿足要求[2]。

3 進水閘加固設計

3.1 進水閘水力設計

3.1.1 進水閘過流能力計算

（1）渠道水深按渠道明渠均勻流公式計算

式中：n為渠道糙率系數(shù)，0.025；A為過水斷面面積；R為水力半徑；J為渠道比降，1/10000；b為渠道底寬，3.5 m；h為水深，m；m為渠道邊坡坡比，1.5；計算渠道水位～流量關系值，見表1。

表1 渠道水位～流量關系表

（2）進水閘過流能力計算

本次除險加固按恢復原有工程的任務和運行使用功能，進水閘渠首最大引水流量按灌溉引用流量設計值進行設計，即設計最大引水流量為1.38 m3/s。

堰流流量的計算公式：

式中：H0為堰上總水頭；σ為淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)，m=0.385；B為總凈寬，B=3.0 m。

閘孔出流孔流流量的計算公式：

式中：e為閘門開啟高度；b為每孔凈寬，3.0 m；n為閘孔孔數(shù)；ε為孔流垂直收縮系數(shù)；H0為包括行進流速水頭的閘前水頭；μ0為閘孔出流的流量系數(shù)，適用范圍0.1＜e/H≤0.65；e/H≤0.65為孔流。

當進水閘閘門完全開啟時，按照不同水位時閘門完全開啟，采用堰流公式計算，進水閘水位～流量關系值，見表2。

表2 進水閘水位～流量關系表（堰流）

由表2可知,如進水閘門全部開啟，上游水位為238.83 m時，流量Q=1.43 m3/s，即可滿足渠道灌溉要求Q=1.38 m3/s。

3.1.2 進水閘下游消能防沖設計

當上游達到正常蓄水位時，消力池不需要下挖，主要原因是上下游水位差?。▋H0.01 m），過壩單寬流量不大（0.48 m3/s），下游形成淹沒水躍。松樹嘴攔河閘下游河床為圓礫，抗沖能力低，為了防止洪水沖刷河床，避免回淘消力池基礎，從抵御沖刷破壞角度出發(fā)，布置一定下挖深度的消能很有必要。確定取消力池深0.5 m，池長10 m，消力池底板頂高程237.43 m。

進水閘為整體式混凝土結(jié)構(gòu)，所以不需要單獨考慮消力池底板的抗浮穩(wěn)定。確定消力池底板厚度為0.8 m。

3.1.3 進水閘滲流穩(wěn)定計算

（1）計算軟件及方法

采用河海大學autobank 6.1電腦程序計算本工程的滲流穩(wěn)定問題。

按平面有限單元法進行分析，三角形單元，由軟件自動剖分。混凝土閘體按不透水處理，基礎分層模擬其透水性能。為了較真實反映實際情況，取上下游及地基深度不小于3倍計算水深作為計算邊界。

（2）工況計算和參數(shù)確定

當不需要引水灌溉或遇洪水時，一般情況下都要關閉閘門，以免沖壞渠道，此時的工作水頭為最大，是進水閘基礎滲流穩(wěn)定的控制工況。計算3個工況：工況一，正常蓄水位238.83 m，下游無水。工況二：設計水位241.10 m，下游無水。工況三：校核水位242.30 m，下游無水。

根據(jù)地質(zhì)資料，地基分層僅圓礫一層，厚度2.20 m～5.40 m。雜色、粒徑大于20 mm的含量占20.7%，20 mm～2 mm含量占30.5%、呈稍密狀態(tài)。屬級配不良土。渾圓狀。巖性以花崗巖，石英巖等為主。局部分布薄層礫砂，觸探擊數(shù)平均值8.5擊，稍密狀。砂粒以石英顆粒為主。攔河閘建基在此圓礫層上。圓礫土的滲透變形類型屬流土型。

基礎圓礫滲透系數(shù)采用地質(zhì)建議值6.9×10-2cm/s，基礎巖石滲透系數(shù)參考同類巖石值6.0×10-7cm/s。允許滲流坡降按《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）表6.0.4的地基類別為中礫取值，即水平段0.22，出口段0.5。

（3）進水閘滲流穩(wěn)定計算結(jié)果

計算表明，各工況最大水力坡降均滿足要求。工況三校核洪水工況（P=2%）是最危險工況，上下游水位差5.67 m，水平段水力坡降值0.217，出口段垂直坡降值0.276。單寬滲流量為3.43×10-4m3/s。進水閘單寬滲流量為6.89×10-5m3/s，進水閘全閘滲流量0.00034 m3/s，漏水量很小。

3.2 進水閘穩(wěn)定分析

3.2.1 進水閘抗滑穩(wěn)定計算

進水閘室與消力池為一體式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墻墻后均勻回填圓礫石，在垂直水流向不可能產(chǎn)生滑動，只有順水流向在上游水壓力作用下有滑動的趨勢，故僅計算水流向的抗滑穩(wěn)定和基底應力。

取進水閘整體作為計算單元，進水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與溢流壩計算公式相同。當農(nóng)田不需要灌溉，或者遭遇洪水時，閘門要關閉擋水，不允許河水流入渠內(nèi)，此時應為不安全工況。摩擦系數(shù)采用地質(zhì)建議值，閘基坐落于圓礫地層上，該層地基允許承載力為300 kPa，閘基與圓礫摩擦系數(shù)為0.48。

揚壓力按全水頭無灌漿帷幕情況計算。按《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）規(guī)定，3級建筑物的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合不小于1.25，特殊組合不小于1.10，按此原則判別溢流壩穩(wěn)定情況。

由計算結(jié)果得知，沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。校核洪水工況（P=2%）是最危險工況，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc為2.51，滿足《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）要求。

3.2.2 進水閘基底應力計算

進水閘的基底應力與抗滑穩(wěn)定計算相同，即取進水閘整體作為計算單元，最不利運行工況也與抗滑穩(wěn)定計算工況相同。正常蓄水位工況是最危險工況，基底應力的最大值與最小值之比為1.60，滿足《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）要求。計算結(jié)果，見表3。

表3 進水閘基底應力計算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）重建的進水閘基本保持原來的結(jié)構(gòu)形式。布置一孔有胸墻的進水口，進口尺寸為3.0 m×1.07 m（寬×高），閘室底板高程237.93 m（原高程10.10 m），胸墻底部高程239.0 m（原高程11.17 m）。進水閘在水流方向總長為15.65 m，其中閘門室長3 m。為滿足進水閘的抗滑穩(wěn)定和基底應力需要，閘室與消力池之間不設分縫，按整體結(jié)構(gòu)設計，全部為混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）通過水力計算，進水閘下游消力池不需要下挖，為了安全起見，布置一定下挖深度的消能措施，采用底流消能，消力池深0.5 m，池長10 m。為了便于運行操作，243.10 m(原高程15.27 m)高程布置檢修平臺，在混凝土排架頂部245.50 m(原高程17.67 m)高程布置工作平臺。

（3）閘室和消力池橫斷面均為整體式“U”形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墻厚1.0 m，墻頂高程243.10 m，閘室底板厚1.3 m，消力池底板厚0.8 m。進水閘采用平板式閘門，手動螺桿啟閉機操縱。根據(jù)計算，本工程灌溉流量為1.38 m3/s，當上游水位238.83 m時（即正常蓄水位），進水閘下泄流量即達到該流量要求。