虎莊河防潮節(jié)制閘工程過流能力及穩(wěn)定性分析

楊 勇

(綏中縣水利局，遼寧 葫蘆島 125200)

節(jié)制閘工程是河道控制的主要設(shè)施，很多節(jié)制閘因建設(shè)年代久遠(yuǎn)，已經(jīng)完全無法發(fā)揮應(yīng)有作用，必須進(jìn)行必要重建，而其過流能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合河道及閘門的實(shí)際情況，保證設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)合理性。

1 工程概況

虎莊河流域位于遼寧營口地區(qū)西北部，原虎莊河防潮節(jié)制閘工程始建于1964年11月。2014年9月，經(jīng)相關(guān)部門鑒定，該閘門過水能力不足，主要建筑物和結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老化及損壞，現(xiàn)已無法使用，綜合評價(jià)為Ⅳ類閘，故對其拆除重建。根據(jù)防洪規(guī)劃，虎莊河防潮攔河閘最大過閘流量設(shè)計(jì)為477 m3/s，河閘工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級，臨時(shí)建筑物為4級。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)30年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，設(shè)計(jì)潮水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇。

2 潮位計(jì)算

2.1 潮位資料

虎莊河位于大遼河水系，為感潮河段，主要受潮水控制。工程所在地區(qū)有營口和四道溝兩個(gè)國家級潮位站，其中營口站潮位資料較完整，涵蓋1955-2013年共58年資料，主要據(jù)此來確定設(shè)計(jì)潮位。見表1。

表1 營口站潮位特征值表

2.2 設(shè)計(jì)潮位計(jì)算

根據(jù)營口站58年潮位資料，按“皮爾遜Ⅲ型分布曲線”進(jìn)行頻率分析計(jì)算，公式如下：

(1)

(2)

式中：hp為對應(yīng)于年頻率P的潮位值；Kp為不同頻率P對應(yīng)的模比系數(shù)；CV為離差系數(shù)；n為年數(shù)。

根據(jù)公式計(jì)算出營口站在CV=0.05，CS/CV=1.0、2、2.5共3種情況下的最高潮位理論頻率曲線(CS為偏度系數(shù))，其中在CS/CV=1.0情況下經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)與理論頻率曲線適線良好，由此可以推出營口站設(shè)計(jì)高潮位頻率分析成果，見表2[1]。

表2 營口潮位站年最高潮位頻率分析成果表(CS/CV=1.0)

3 閘門過流能力計(jì)算

3.1 應(yīng)承擔(dān)的過流能力計(jì)算

本次水閘過流能力驗(yàn)算主要對上游河道的承泄能力進(jìn)行分析，最大泄流能力取20年一遇洪水和滿槽水位時(shí)當(dāng)過流量的較小者。

3.1.1 20年一遇洪水當(dāng)過流量計(jì)算

在20年一遇洪水時(shí)，虎莊河閘泄水能力Q按照“半有壓流涵洞”計(jì)算，計(jì)算公式如下[2]：

(3)

式中：m為流量系數(shù)，取0.36；A為斷面面積，m2；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深，取值5.85 m；i為主河道平均坡度，(°)；L為主河道長度，m；β為修正系數(shù)，取0.72；D為涵洞高度，m。

經(jīng)計(jì)算可知，當(dāng)過流量Q=523.36 m3/s。

3.1.2 滿槽水位當(dāng)過流量計(jì)算

本項(xiàng)目滿槽水位當(dāng)過流量按照“10年一遇設(shè)計(jì)洪水位與波浪爬高、風(fēng)壅高度、安全超高”之和計(jì)算。計(jì)算參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)附錄C的有關(guān)公式，5級堤防安全超高取0.5 m。經(jīng)計(jì)算，波浪爬高與風(fēng)壅高度之和0.30 m，堤頂高程為4.22 m。按此計(jì)算虎莊河閘門在滿槽水位時(shí)堤防承擔(dān)的當(dāng)過流量Q=477 m3/s，小于20年一遇洪水當(dāng)過流量，所以泄流能力應(yīng)按該數(shù)值計(jì)算。

3.2 過流能力驗(yàn)算

虎莊河閘門上泄流水位4.22 m，通過與下游各種不同水位進(jìn)行組合來驗(yàn)算過流能力，成果見表3。

表3 虎莊河閘門過流能力驗(yàn)算表

根據(jù)閘下河道規(guī)劃斷面形式，按照明渠水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，繪制出閘下水位-流量關(guān)系曲線，見圖1[3]。由圖1可知，當(dāng)水位在4.0 m左右時(shí)，虎莊河閘門通過流量可達(dá)500 m3/s，大于其應(yīng)承擔(dān)的當(dāng)過流量477 m3/s，因此過流能力符合要求。

圖1 閘下水位-流量關(guān)系曲線

4 閘門工程穩(wěn)定性分析

4.1 閘基滲透穩(wěn)定性分析

4.1.1 閘基防滲長度計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)規(guī)定，閘基防滲長度L(閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度總和)應(yīng)滿足式(4)[4]，求得L=16.56；而測得地下輪廓線實(shí)際長度為40.0 m，遠(yuǎn)大于L值，因此防滲長度滿足要求。

L=C·△H

(4)

式中：C為允許滲徑系數(shù)值，取值3；△H為上下游水位差，按最不利情況取值5.22 m。

4.1.2 閘基滲透穩(wěn)定性計(jì)算

本項(xiàng)目計(jì)算閘基滲透穩(wěn)定性時(shí)，采用“分段阻力系數(shù)法”，共分為以下3段：進(jìn)出口段、內(nèi)部垂直段、水平段[5]。采用以下3個(gè)水位組合：①正常蓄水位：閘上水位1.50 m，閘下水位-1.00 m；②設(shè)計(jì)洪水位：閘上洪水位3.42 m，閘下平均高潮位1.45 m；③校核水位：閘上水位1.50 m，閘下洪水位3.77 m。

1) 進(jìn)出口段阻力系數(shù)ξ0：

(5)

式中：S為齒墻或板樁的入土深度，m；T為地基有效深度或?qū)嶋H深度，m。

2) 內(nèi)部垂直段阻力系數(shù)ξy：

(6)

3) 水平段阻力系數(shù)ξx：

(7)

式中：Lx為水平段長度，m；S1、S2為分別為進(jìn)出口段齒墻或板樁的入土深度，m。

計(jì)算出各分段阻力系數(shù)后，接著計(jì)算各分段水頭損失值hi及滲壓值，計(jì)算公式如下[6]，部分成果見表4-表6。

表4 正常蓄水位滲壓計(jì)算成果表(部分)

表5 設(shè)計(jì)洪水位滲壓計(jì)算成果表(部分)

表6 校核情況滲壓計(jì)算成果表(部分)

本項(xiàng)目水平段及出口段滲流坡降值計(jì)算：

(8)

式中：ξi為各分段阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)；△H為水閘的上下游水位差，m。

水平段：Jx=hx/Lx

出口段：J0=h0/S

由此得出水平及出口滲流坡降值結(jié)果，見表7。由此可見，在各種水位組合下，閘基水平段、出口段滲透坡降值均滿足規(guī)范要求，閘基滲透穩(wěn)定性良好。

表7 閘基滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

4.2 閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

重建的虎莊河閘主體結(jié)構(gòu)按2級建筑物設(shè)計(jì)，以上游胸墻為界，前為開敞式，后為涵洞式，共9孔，每3孔為一聯(lián)，進(jìn)口尺寸3.5 m×4.2 m(寬×高)，設(shè)矩形平板鑄鐵閘門，手電兩用啟閉機(jī)，出口尺寸3.0 m×4.2 m(寬×高)，設(shè)自由側(cè)翻式拍門，總寬41.10 m。

4.2.1 計(jì)算工況及公式

為計(jì)算閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在此選取以下兩個(gè)水位工況分析：①設(shè)計(jì)洪水水位：閘上10年洪水3.42 m，閘下平均高潮位1.45 m；②校核水位：閘上水位1.50 m，閘下大遼河100年洪水位3.77 m?？够€(wěn)定系數(shù)Kc計(jì)算如下[7]：

Kc=f·∑G/∑P

(9)

式中：f為底板與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)，取0.35；∑G為作用在閘室的全部垂直力總和，kN；∑P為荷載對底板形心軸的力矩，kN·m。

4.2.2 閘室穩(wěn)定性分析

閘室穩(wěn)定性分析成果見表8。

表8 閘室穩(wěn)定性分析成果表

由表8中數(shù)據(jù)得知，在該兩種工況下閘室穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

虎莊河防潮節(jié)制閘投入使用后，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，過流能力通過了夏季洪水考驗(yàn)。通過水準(zhǔn)儀持續(xù)測量，閘門整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也完全符合標(biāo)準(zhǔn)，虎莊河防潮節(jié)制閘重建工程取得了圓滿成功。閘門工程設(shè)計(jì)理論結(jié)合實(shí)際，按照最不利情況考慮，以防出現(xiàn)“小馬拉大車”問題的出現(xiàn)。