德州市朱家河節(jié)制閘設(shè)計(jì)及復(fù)核計(jì)算

王吉永

（德州市陵城區(qū)水利建筑安裝工程公司機(jī)械分公司，山東 德州 253500）

1 工程概況

德州市陵城區(qū)位于山東省西北部，屬黃河下游沖積平原。據(jù)《德州市統(tǒng)計(jì)年鑒-2016》，陵城區(qū)下轄10個(gè)鎮(zhèn)，1個(gè)鄉(xiāng)。全區(qū)總?cè)丝?7.54萬人，其中農(nóng)業(yè)人口48萬人，農(nóng)村勞動(dòng)力26.43萬人?？傒爡^(qū)面積181.95萬畝，總耕地120萬畝。

朱家河源于陵城區(qū)老馬頰河橋頭孫引水涵閘，過楊頂公路橋后，東北折向經(jīng)董堂北、程家南于鹽頭呂東北入寧津縣境，經(jīng)小店北，至解家以東復(fù)入陵城區(qū)境內(nèi)，至相莊東北折向東南至大蘇家向東入樂陵城區(qū)境內(nèi)，于東、西郭橋入馬頰河。干流全長37.3 km，流域面積 585.2 km2。

朱家河陵城區(qū)治理段（樁號(hào)6+032～13+870、樁號(hào)21+770～23+870）長 9.94 km，其中樁號(hào) 6+032～13+870于鮑莊村東南沿西南—東北走向至鹽頭呂村北陵城寧津縣界，樁號(hào)21+770～23+870于寧津—陵城區(qū)縣界大致沿東西走向至本次工程治理段末端張楊莊。

2 節(jié)制閘設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)制閘結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

節(jié)制閘主要由進(jìn)水渠、管身段、閘室段、消力池、出水渠等組成[1]。

（1）進(jìn)水渠及管身段

進(jìn)水渠及管身段漿砌石護(hù)砌段長10 m，兩岸坡比1∶3，在底部設(shè)置0.4 m厚砼墊層，緊接長10 m的C30砼連接段，其底部寬由9.5 m漸變至9.0 m，底高程12.0 m。砌石結(jié)構(gòu)下均設(shè)厚0.10 m的碎石墊層，鋼筋砼結(jié)構(gòu)下均設(shè)厚0.10 m的C10砼墊層。

（2）閘室

閘室為整體式鋼筋砼底板結(jié)構(gòu)，平底寬頂堰，共2孔，每孔凈寬4 m，閘門高3.0 m。閘室縱向長為7.0 m，橫向?qū)挒?0.6 m，閘室上部設(shè)機(jī)架橋和啟閉機(jī)房等。

工作閘門采用鑄鐵閘門，閘門高3.0 m。啟閉機(jī)采用螺桿式啟閉機(jī)。在閘室上游側(cè)設(shè)工作橋，橋面板總寬1.0 m，兩側(cè)設(shè)欄桿。

閘底板、閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，抗?jié)B等級(jí)采用W4，抗凍等級(jí)F150。

（3）下游段

下游段包括消力池、海漫以及防沖槽。用1∶4的斜坡將閘室與消力池相連接，消力池長12.0 m，0.8 m深，底板厚為0.4 m的C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)；海漫長度為15 m，砌筑為厚度0.3 m的M10漿砌石，后面設(shè)計(jì)長為5.0 m的拋亂石防沖槽，并在亂石下墊設(shè)土工布。

2.2 節(jié)制閘水力設(shè)計(jì)

（1）水力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016），采用以下公式計(jì)算對(duì)節(jié)制閘的過流能力：

式中：Q為過閘流量，m3/s；μ0為流量系數(shù)；H0為堰上水頭，m；hs為下游水深（由堰頂算起），m；B0為閘孔總凈寬，m。

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，水閘過閘的上下游水位差范圍為0.1 m～0.3 m，綜合考慮河流實(shí)際情況，本次計(jì)算上、下游水位差選定為0.15 m。具體計(jì)算見表1，擬定閘孔滿足過流要求。

表1 節(jié)制閘過流能力復(fù)核成果表

（2）消能防沖設(shè)計(jì)

節(jié)制閘上下游水位差很小的時(shí)候，沖刷影響不大；但是在運(yùn)行過程中，有時(shí)根據(jù)灌溉或防洪要求需要開啟閘門，這時(shí)候上下游水位差就比較大，下游河道的沖刷情況就比較嚴(yán)重。

為滿足要求，本次消能計(jì)算過程中，選用最不利的情況進(jìn)行計(jì)算：下游水深較淺，閘門按控制要求開啟至要求開度，閘前渠道為最大擋水位，先設(shè)定單寬流量及梯度，然后計(jì)算下游水深，再計(jì)算多種單寬流量下消力池的深度、長度以及海漫長度，并選取最大值作為設(shè)計(jì)值，消力池?cái)嗝婧?jiǎn)圖見圖1。

圖1 消力池?cái)嗝婧?jiǎn)圖

1）消力池深度

收縮水深可按下式計(jì)算：

式中：hc為收縮水深，m；T0為總勢(shì)能，m；q為過閘單寬流量，m3/(s·m)；a為水流動(dòng)能校正系數(shù)，取a=1.0；φ為流速系數(shù)，取φ=0.95。

躍后水深可按下式計(jì)算：

出池落差可按下式計(jì)算：

式中：ΔZ為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m。

消力池深度可按下式計(jì)算：

式中：σ0為水躍淹沒系數(shù)，采用1.05。

2）消力池長度

水躍長度可按下式計(jì)算：

式中：Lj為水躍長度，m。

消力池長度可按下式計(jì)算：

式中：Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，m。

3）消力池底板厚度計(jì)算

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范要求，底板厚度設(shè)定為0.50 m。

4）海漫長度

式中：Lp為海漫長度，m；q′為消力池末端單寬流量，m3/（s·m）;Ks為海漫長度計(jì)算系數(shù)。

考慮防洪和排澇要求，計(jì)算流量按《水利學(xué)》淹沒寬頂堰流公式：

式中：Q為過閘流量，m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)，0.981；ψ為流量系數(shù)，0.85；b為閘孔凈寬，6 m；g=9.81 m2/s；z為上下游水頭差，m；h為閘下水深，m。

5）沖刷深計(jì)算

采用規(guī)范公式：

式中：q"為海漫末端單寬流量，m2/s；[V0]為河床不沖流速，取0.8 m/s；hs"為海漫末端河床水深，m。

水力設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 節(jié)制閘消能計(jì)算成果表

3 節(jié)制閘復(fù)核計(jì)算

（1）計(jì)算要求

按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）的要求，閘室穩(wěn)定應(yīng)滿足下列要求：

①各種計(jì)算情況下要求閘室平均基底壓力不大于地基容許承載力；

②基底壓力的最大值與最小值之比不大于規(guī)定的容許值，最大地基應(yīng)力不超過地基允許應(yīng)力的1.2倍；

③抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)定的容許值。

（2）計(jì)算工況及荷載組合（見表3）

表3 節(jié)制閘閘室穩(wěn)定計(jì)算荷載組合表

（3）穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算

抗滑穩(wěn)定復(fù)核采用抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算：

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（基本組合≥1.25，特殊組合≥1.10）；f為砼與閘基面接觸面的抗剪摩擦系數(shù)，f=0.4；∑G為作用在閘上全部堅(jiān)向荷載，包括揚(yáng)壓力作用，kN；∑P為作用在閘上全部水平向荷載，kN。

基底應(yīng)力計(jì)算公式采用以下公式計(jì)算：

地基應(yīng)力不均勻系數(shù)η按下式計(jì)算：

節(jié)制閘閘抗滑穩(wěn)定及地基應(yīng)力計(jì)算成果見表4。

表4 節(jié)制閘閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表4中計(jì)算結(jié)果可知，節(jié)制閘底板抗滑安全系數(shù)計(jì)算值在正常運(yùn)行和地震兩種工況下均大于允許值1.2，節(jié)制閘滿足抗滑穩(wěn)定要求；地基應(yīng)力不均勻系數(shù)計(jì)算值在完建工況、正常運(yùn)行和地震工況三種工況下都小于允許值，節(jié)制閘基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)德州市節(jié)制閘進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并且對(duì)所設(shè)計(jì)的節(jié)制閘進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。結(jié)果表明，該節(jié)制閘抗滑穩(wěn)定和基地應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，可保證節(jié)制閘建成后安全運(yùn)行，促進(jìn)德州市構(gòu)筑更加完善的排澇防洪體系，也可確保區(qū)域內(nèi)農(nóng)田灌溉，減輕區(qū)域的洪澇威脅，維護(hù)區(qū)域社會(huì)安定和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正常發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧健康發(fā)展。