改建節(jié)制分水閘的設(shè)計實踐

王寶帥

（開封市汴龍勘察設(shè)計中心）

1 工程概況

開封市東郊溝上游生態(tài)補水工程補水路線為總干渠-東干渠-鐵牛支渠，鐵牛支渠自東干渠11+937處右岸引水。鐵牛支渠通過鐵牛支渠進水閘引水，流經(jīng)謝莊南、鐵牛村，于興隆屯轉(zhuǎn)向東匯入東郊溝。

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，鐵牛支渠進水閘閘底板高程73.46 m，根據(jù)渠道設(shè)計要素，按明渠均勻流公式計算得出進口水深為0.89 m，本次設(shè)計引水水位2.15 m，不能滿足引水要求。蔡墳節(jié)制閘位于鐵牛支渠進水閘下游10 m 處，本次計劃利用蔡墳節(jié)制閘壅高水位，達到鐵牛支渠的引水設(shè)計水位74.35 m。為滿足東郊溝的生態(tài)用水要求，計劃從鐵牛支渠向東郊溝引水，設(shè)計引水流量1.50 m3/s。

2 改建節(jié)制分水閘設(shè)計

2.1 水閘超高及閘墩高度計算

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001），水閘閘頂高程根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況確定。本工程為Ⅲ等中型工程，根據(jù)規(guī)范，水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)泄水工況（設(shè)計水位）、泄水工況（校核水位）2 種運用情況確定。泄水時，閘頂高程不應(yīng)低于水閘計算水位（h0）+高出波浪中心線的高度（hP）+波浪中心線超出計算水位的高度（hZ）+安全加高（A）計算。安全超高取值，設(shè)計洪水位時0.70 m，校核洪水位時0.50 m。

本次計算在設(shè)計水位、校核水位條件下計算改建閘墩高度。波浪計算高度根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）的規(guī)定，波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田公式進行計算：

式（1）、（2）、（3）中：hm—平均波高（m）；Tm—平均波周期（s）；Lm—平均波長（m）；V0—計算風(fēng)速（m/s）；D—風(fēng)區(qū)長度（m）；Hm—水域平均水深（m）；g—重力加速度，取9.81 m/s2。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，3級建筑物采用累積頻率為5%的爬高值。計算參數(shù)及結(jié)果詳見表1。

表1 改建節(jié)制分水閘超高計算表

根據(jù)以上計算結(jié)果，鐵牛支渠改建節(jié)制分水閘計算閘墩高度為2.78 m，上游渠道高度為3.00 m，確定鐵牛支渠改建節(jié)制分水閘閘墩高度為3.00 m。

2.2 水閘過流計算

本工程改建的13+750五零節(jié)制分水閘閘室為鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu)，過流采用堰流計算公式，具體為：

式（4）、（5）中：B0—閘孔總凈寬（m）；Q—過閘流量（m3/s）；H0—計入行進流速水頭的堰上水深（m）；σ—堰流淹沒系數(shù)；g—重力加速度，可采用9.81（m3/s）；ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)：m—流量系數(shù)；hs—由堰頂算起的下游水深（m）。水閘過流計算成果見表2。

表2 改建節(jié)制分水閘過流計算表

2.3 水閘滲流穩(wěn)定計算

鐵牛支渠改建總閘上游水深2.05 m，水位為74.72 m，閘門完全關(guān)閉時下游水位為74.69 m。采用勃萊法初估地下輪廓線長：

式（6）中：C—滲徑系數(shù)，閘基為粉砂地基，查《水閘設(shè)計規(guī)范》得滲徑系數(shù)C=13； H—上下游水頭差，上下游最大水位差ΔH=2.05 m。

按勃萊法計算實際地下輪廓總長度為L=70 m；L實＞C H=2.05×13=26.65 m。故閘前鋪蓋及閘底板長度均滿足防滲要求。

2.4 閘室基底應(yīng)力計算

閘底板基礎(chǔ)為低液限粘土，地質(zhì)建議地基允許承載力80 kN/m2，為軟弱土基，其基本荷載組合時允許應(yīng)力比取值為1.50，特殊荷載組合時允許應(yīng)力比取值為2.00。工況分為設(shè)計洪水位情況、校核洪水位情況2種情況下的地基反力計算。結(jié)構(gòu)采用整體式閘室結(jié)構(gòu)。

表3 閘室基底應(yīng)力計算表

由計算可知，各水閘基底應(yīng)力小于地基允許承載力，應(yīng)力比小于規(guī)范要求，但閘室基礎(chǔ)下有1.00 m 厚淤泥質(zhì)土，本次設(shè)計將淤泥質(zhì)土完全挖除，換填砂礫石墊層。

2.5 抗滑穩(wěn)定計算

表層滑動與深層滑動判別臨界垂直壓應(yīng)PKP。

式（9）中：A—系數(shù)，變化于1.75～4.00 之間，取2.5。γ’—地基土的浮容重，為9.30 kN/m3；B—底板順?biāo)鞣较虻膶挾龋╩）；ф—地基土的內(nèi)摩擦角度；C—地基土的單位粘聚力度。

若Pmax>PKP，需要進一步進行深層滑動分析；若Pmax

式（10）中：A—與地基接觸面積（m2）； H—為全部水平向荷載（kN）； G—為全部豎直向荷載（kN）。經(jīng)計算，各閘不會發(fā)生深層滑動，僅計算表層滑動，計算結(jié)果見表4。

由地基土質(zhì)為低液限粘土，水閘級別3級，查《水閘設(shè)計規(guī)范》SL265-2001 其基本荷載組合時抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值為1.25，校核水位荷載組合時允許值為1.10，地震情況時允許值為1.05。計算結(jié)果各工況抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值，滿足規(guī)范要求。

表4 閘基抗滑穩(wěn)定計算表

3 結(jié)論

東郊溝河位于開封市東區(qū)核心范圍內(nèi)，現(xiàn)狀河道存在水資源匱乏、水生態(tài)系統(tǒng)退化、與開封新區(qū)發(fā)展定位不匹配等問題，嚴重制約了城市的發(fā)展。東干渠與東郊溝通過鐵牛支渠連通后，能夠促進水資源循環(huán)，引進生態(tài)用水。鐵牛支渠通過鐵牛支渠進水閘引水，流經(jīng)謝莊南、鐵牛村、于興隆屯轉(zhuǎn)向東匯入東郊溝溝通水系，生態(tài)引水，能有效控制河道污染，改善東郊溝水環(huán)境狀況；構(gòu)建良性循環(huán)的水生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)水體的自凈能力，維持河道的健康生命，建設(shè)水生態(tài)文明，提高城市品位。