棗莊市西大樓閘除險加固工程設計研究

張 翔

(棗莊市市中區(qū)城鄉(xiāng)水務局，山東 棗莊 277100)

0 引 言

水閘作為一種重要的水利建筑，具有十分重要的功能，如防洪、蓄水等。由于我國早年間經(jīng)濟、建設水平較低，導致修建的水閘質(zhì)量不足，在使用過程中出現(xiàn)了不同程度的損壞；亦有一部分水閘由于環(huán)境條件的改變，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀的防洪、蓄水需求，針對這一類水閘采取除險加固工程治理措施是十分必要的[1]。

1 工程概況

西大樓閘原設計為大(2)型水閘，工程等別為Ⅱ等，水閘主要建筑物級別為2級。設計蓄水位47.5m，相應蓄水量25.5萬m3。20a一遇水閘過流314m3/s，相應閘上水位49.80m，閘下水位49.50m。西大樓閘為漿砌石墩提升閘，全長23.0m，共8孔，每孔凈寬2.0m，原閘過閘水頭差為0.3m，閘下水位49.5m，水閘最大過流314m3/s，老閘不滿足設計防洪要求。根據(jù)水閘安全鑒定結(jié)果，西大樓閘建議拆除重建。西大樓閘現(xiàn)狀如圖1所示。

2 設計洪水確定

2.1 水文資料選取

西大樓閘位于稅郭支流，稅郭支流及鄰近的郭里集支流迄今未治理，僅有嶧城大沙河分道治理的相關設計資料。嶧城大沙河流域5a一遇設計暴雨為148.84mm，20a一遇設計暴雨為214.52mm。根據(jù)流域內(nèi)多山區(qū)、丘陵的自然地理特點和小流域河道暴雨洪水特點，確定設計降雨歷時為24h。根據(jù)選用流域內(nèi)各代表站歷年最大24h降雨量系列資料，進行頻率分析計算。經(jīng)排序整理和頻率分析計算，求得各站年最大暴雨系列的均值和變差系數(shù)Cv值。根據(jù)統(tǒng)計參數(shù)的均值，查P-Ⅲ型頻率曲線模比系數(shù)Kp值表，可得設計頻率的Kp值，據(jù)此可求出設計頻率的設計暴雨的面雨量[2]。成果見表1。

圖1 西大樓閘現(xiàn)狀

表1 設計暴雨參數(shù)

2.2 設計雨型

1)設計雨型：

設計暴雨的時程分配，采用山東省暴雨洪水查算圖表中的泰沂山南區(qū)雨型，取計算時段長度為1h。根據(jù)設計雨量成果計算相應凈雨時程分配過程。

2)產(chǎn)流計算：

設計前期影響雨量Pa取40mm。設計頻率凈雨成果見表2。根據(jù)實測資料情況，凈雨計算采用降雨徑流相關圖法，求得設計頻率下的凈雨。

表2 設計凈雨

2.3 設計洪水推求

流域匯流計算采用瞬時單位線進行計算，計算采用下式：

M1=0.196F0.33J-0.27R-0.2Tc0.17

(1)

式中：F為流域集水面積；J為河道干流平均坡度；R為設計凈雨，mm；Tc為有效凈雨歷時，單位h。

控制斷面設計洪水成果見表3。

表3 控制斷面設計洪水成果

本次計算控制斷面處洪水，按照小水庫的消峰情況，已考慮上游小水庫的影響。因此，西大樓閘除險加固采用本次計算成果，即20a一遇設計洪水為789m3/s，50a一遇設計洪水為999m3/s。

2.4 特征水位推求

西大樓閘閘址位于嶧城大沙河稅郭支流下游(樁號2+260)，距離下游嶧城大沙河干流裴橋閘3.68km，在嶧城大沙河30+850處新建裴橋節(jié)制閘，攔蓄水位49.00m，為截污導流工程重要節(jié)制建筑物；根據(jù)裴橋節(jié)制閘運行調(diào)度方案，非汛期下閘攔蓄，汛期提閘行洪[3]。根據(jù)以上資料，西大樓閘所在河道入嶧城大沙河干流口處起推水位綜合確定為：非汛期采用49.00m，汛期采用50.25m。

以下游起推水位作為起始水位，采用裴橋節(jié)制閘閘址處的實測河道斷面進行沿河自下而上逐個斷面推算河道水面線，推算至閘址下游處水位。相距△s的兩個漸變流斷面1和2的能量方程式為：

(2)

式中：z1，v1和z2，v2分別為斷面1和2的水位和流速；△hw為斷面1和2之間的水頭損失，△hw=△hf+△hj，△hf為沿程水頭損失；△hj為局部水頭損失。

裴橋節(jié)制閘至西大樓閘址共3.68km，該段河道尚未治理，本次水面線推算，嶧城大沙河段按照底寬80m，稅郭段底寬60m，大沙河干流糙率取0.03，稅郭支流糙率取0.028。按照規(guī)劃的稅郭支流設計縱斷，西大樓閘(樁號2+260)處規(guī)劃河底高程為47.5m。計算各流量下對應水位，計算成果見表4。

表4 西大樓閘下水位-流量關系表

3 水閘閘孔寬度方案確定

3.1 過閘水頭差確定

過閘水頭差對水閘的造價和上游淹沒影響等關系較大。如果采用較大的過閘水頭差，固然可縮減閘孔總凈寬，降低水閘工程造價，但卻抬高了水閘的上游水位，增加上游淹沒風險，同時也增加下游消能布置難度；若采用較小的過閘水頭差，則會增加閘孔總凈寬，從而增加水閘的工程造價，但是可以降低下游消能布置難度。一般情況下，平原區(qū)水閘的過閘水頭差可采用10-30cm，山區(qū)，丘陵區(qū)水閘的過閘水位可適當加大。根據(jù)以上原則，結(jié)合西大樓閘的功能、特點、運用要求及上游河道地形綜合考慮，擬定不同水頭差方案進行比較，綜合選定過閘水頭差。根據(jù)選定的過閘水頭差計算過水凈寬，選定閘孔尺寸[4-6]。

采用寬頂堰淹沒公式計算：

(3)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為過水總凈寬，m；σ為堰流淹沒系數(shù)；H0為包括行近流速水頭的閘上堰上水頭，m；ξ為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)。

1)方案一、低水頭差方案(0.15m)。

根據(jù)閘下20a一遇設計洪水位51.92m，選定的閘底板高程47.50m，計算在水頭差為0.15m的情況下，過流789m3/s時所需要的閘孔總凈寬為54m。20a一遇相應閘上設計洪水位52.07m。

2)方案二、中水頭差方案(0.30m)。

根據(jù)閘下20a一遇設計洪水位51.92m，選定的閘底板高程47.50m，計算在水頭差為0.30m的情況下，過流789m3/s時所需要的閘孔總凈寬為50m。20a一遇相應閘上設計洪水位52.22m。

3)方案三、高水頭差方案(0.45m)。

根據(jù)閘下20a一遇設計洪水位51.92m，選定的閘底板高程47.50m，計算在水頭差為0.45m的情況下，過流789m3/s時所需要的閘孔總凈寬為46m。20a一遇相應閘上設計洪水位53.0m。

不同水頭跌差對應的閘孔總凈寬計算成果見表5。

表5 閘孔總凈寬計算表

根據(jù)過閘水頭差方案比較后，由表5可以看出，從水閘可比投資角度看：方案一最大，方案二最?。环桨敢?，各頻率閘前水位最低，但閘室寬度最大，增加了河道石方開挖量，金屬結(jié)構(gòu)投資增加，工程投資較大。方案二，充分利用了現(xiàn)有河口范圍內(nèi)河道，不需新增占地，且對兩側(cè)交通可以平順連接。方案三占用河道斷面最小，但壅高上游水位最大，且兩側(cè)回填量及兩側(cè)引路較方案二增大。經(jīng)綜合考慮，推薦方案二0.30m的過閘水頭差。綜合考慮基礎類型、閘前水位、過閘單寬流量、閘門選型(閘門設計及制造水平)、閘室總寬度與河道總寬的關系及水閘的調(diào)度運用等因素，選用方案二為推薦方案。過閘水頭差方案比選，見表6。

表6 過閘水頭差方案比選

3.2 單孔凈寬方案比選

對西大樓閘單孔凈寬進行方案比選。選定以下二個方案進行比選。以下二個方案，均用平底板平板閘的方案，閘底板高程均采用47.50m，攔蓄水位均為52.00m，雙吊點卷揚式啟閉機啟閉。

1)方案一：10孔閘，單孔凈寬5m。

該方案共設10孔閘，單孔凈寬5m，閘孔總凈寬為50.0m。閘底板高程47.50m，閘前攔蓄水位為52.00m，中墩厚1.4m，底板厚1.35m，閘室順水流方向長16.00m，垂直水流方向總寬度48.0m，閘室采用第三孔底板中間分縫形式。排架高7.0m，機架橋高1.0m，左右岸設橋頭堡。工作閘門采用平板鋼閘門，閘門尺寸5.0×4.8m，2×160kN雙吊點卷揚式啟閉機。閘后附生產(chǎn)橋，橋?qū)?.0+2×0.5=6.0m。

2)方案二：5孔閘，單孔凈寬10m。

該方案共設5孔閘，單孔凈寬10m，閘孔總凈寬為50.0m。閘底板高程47.50m，閘前攔蓄水位為52.00m，中墩厚1.4m，底板最大厚1.5m，閘室順水流方向長14.00m，垂直水流方向總寬度58.0m。排架高7.0m，機架橋高1.0m，左右岸設橋頭堡。工作閘門采用平板鋼閘門，閘門尺寸10.0×4.8m，2×250kN雙吊點卷揚式啟閉機。閘后附生產(chǎn)橋，橋?qū)?.0+2×0.5=6.0m。單孔凈寬方案比選，見表7。

表7 單孔凈寬方案比選

由以上二個方案比較可知，方案一閘孔數(shù)量較多，閘墩占河道過水面積較多，投資較大；方案二閘孔數(shù)量適中，閘墩占河道過水面積較少，投資較小，兩個方案均能滿足設計要求。經(jīng)綜合分析，本次設計認為方案二投資最小，占用河道過水面積少；同時孔數(shù)相對較少，更方便水閘洪水調(diào)節(jié)和長期運行管理，故選定方案二為推薦方案。

4 結(jié) 論

棗莊西大樓閘建設時期較早，受限于當時的經(jīng)濟、科技水平，水閘建設質(zhì)量較低、缺乏必要的監(jiān)測、輔助設施，已難以滿足現(xiàn)狀防洪、蓄水的需求，因此，水閘采用重建的方式進行處理。結(jié)合當?shù)厮馁Y料，確定20a一遇、50a一遇設計洪水為789m3/s、999m3/s。通過方案比選，過閘水頭差為0.30m，水閘閘孔采用5孔閘，單孔凈寬10m的水閘方案，有利于降低工程投資、緩解消能防沖壓力，降低上游洪水風險等優(yōu)勢。