水閘工程設(shè)計(jì)之水力計(jì)算方法探析

黃夢(mèng)婷，黃錦

（安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088）

1 主要研究方法

水閘水力計(jì)算主要涉及過水流量能力計(jì)算、消減下泄水流動(dòng)能防沖計(jì)算及防滲透排水計(jì)算，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）是目前水力計(jì)算主要依據(jù)?！端l設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016），主要計(jì)算方法如下。

1.1 過流能力計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016），閘孔斷面過水流量能力按下式計(jì)算：

式中：B0—閘孔總凈寬（m）；

Q—過閘流量(m3/s)；

H0—計(jì)入自上游至閘孔部位流入水流速度水頭的堰上水深（m）；

g—重力加速度，取9.8m/s2

hs—由堰頂算起的下游水深（m）；

μ0—下游水位對(duì)過堰水流淹沒作用的綜合流量系數(shù)；

1.2 消能防沖計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001），消減下泄水流動(dòng)能防沖按設(shè)計(jì)排洪、設(shè)計(jì)排澇和最惡劣放水三種工況相應(yīng)流量進(jìn)行計(jì)算。

①消能防沖池深度計(jì)算：

式中：d—消能防沖池深度，m；

hs—出池河床水深，m；

ΔZ—出池落差，m；

b1—消能池首段寬度，m；

b2—效能池末寬度，m；

T0—由消能池底板頂面算起的總勢(shì)能，m。

②水躍長度計(jì)算：

式中：Lj—水躍長度，m；

hc—收縮水深，m。

③消能池長度計(jì)算：

式中：Ls—效能防沖池斜坡段水平投影長度；

β—水躍長度校正系數(shù)。

④消能池底板厚度，消能池底板厚度由抗沖要求控制，其計(jì)算公式如下：

其中：t—消能池底板起始端厚度（m）；

ΔH′—泄水時(shí)上、下游水位差（m）；

k1—消能池底板計(jì)算系數(shù)，采用0.20。

⑤海沖設(shè)施長度按下式計(jì)算：

式中：Lp——防沖設(shè)施長度（m）；

q′——消能池末端單寬流量（m3/s/m）；

ks——防沖設(shè)施長度計(jì)算系數(shù)；

ΔH′——上、下游水位差（m）。

⑥防沖設(shè)施末端河床沖刷深度按下式計(jì)算：

式中：d′——防沖設(shè)施末端河床沖刷深度(m)；

q"——防沖設(shè)施末端單寬流量(m3/s)；

[V0]——河床土質(zhì)的不沖流速(m/s)；

hs"——防沖設(shè)施末端河槽底部至水面水深(m)。

1.3 防滲排水計(jì)算

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法對(duì)地基進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，分析過程如下。

1.3.1 地基有效深度的計(jì)算

計(jì)算公式如下：

當(dāng)L0/S0＞5時(shí)，Te=0.5L0

式中：L0—地下輪廓的水平投影長度（m）；

S0—地下輪廓的垂直投影長度（m）；

Te—地基有效深度（m）；

若計(jì)算地基有效深度Te值大于地基實(shí)際深度，按地基實(shí)際深度進(jìn)行滲流計(jì)算。

1.3.2 分段阻力系數(shù)的計(jì)算

①結(jié)構(gòu)進(jìn)口段、結(jié)構(gòu)出口段的阻力系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：ξ0—進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；

S—齒墻的入土深度（m）；

T—地基透水層深度（m）。

②內(nèi)部結(jié)構(gòu)垂直水流段的阻力系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：ξy—內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

③結(jié)構(gòu)順?biāo)鞣畔蛩蕉蔚淖枇ο禂?shù)可按下式計(jì)算：

式中：ξx—水平段的阻力系數(shù)；

S1、S2—結(jié)構(gòu)順?biāo)鞣畔蛩蕉问?、尾處齒墻的入土深度（m）。

1.3.3 結(jié)構(gòu)各分段處水頭損失值計(jì)算，計(jì)算公式

式中：hi— 第i段水頭損失值（m）；

ξi—第i段阻力系數(shù)；

ΔH—上下游水位差（m）；

∑ξi—所有分段阻力系數(shù)之和。

1.3.4 結(jié)構(gòu)進(jìn)口段、出口段水頭損失值修正

β′—阻力修正系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的β′≥1.0時(shí)，取β′＝1.0；

h0—按前述方法計(jì)算的出口段水頭損失值（m）；

S′—閘底板埋深與齒墻入土深度之和（m）；

T′—齒墻另一側(cè)地基透水層深度（m）。

1.3.5 滲流坡降計(jì)算

式中：J—結(jié)構(gòu)出口段滲流坡降計(jì)算值。

式中：Ji—第i個(gè)順?biāo)鞣较蛩蕉蔚臐B流坡降計(jì)算值；

hi—第i個(gè)順?biāo)鞣较蛩蕉蔚乃^損失值（m）；

Li—第i個(gè)順?biāo)鞣较蛩蕉蔚拈L度（m）。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

某閘位于閘河中游，閘址以上集水面積224km2，主要功能為蓄水灌溉、防洪、排澇，非汛期關(guān)閘節(jié)制上游來水，為流域內(nèi)農(nóng)田灌溉及人畜飲水提供水源，年最大供水能力418萬m3。該工程1960年建成，共8孔，單孔凈寬3.0m，孔高 4.2m，閘底板高程 32.81m（1985國家高程基準(zhǔn)，下同），閘室順?biāo)鞣较蛩蕉伍L15.0m，垂直水流方向閘身總寬35.0m。經(jīng)測(cè)算該閘最高蓄水位36.61m，正常蓄水位35.81m。

該閘承擔(dān)閘河防洪及兩岸農(nóng)田灌溉蓄水任務(wù)，同時(shí)還兼顧縣道X018公路交通，該閘能否安全、正常運(yùn)行直接關(guān)系著該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，同時(shí)還影響該地區(qū)的公路交通，該閘已運(yùn)行50多年，期間數(shù)次經(jīng)歷洪水，目前仍存在諸多問題，嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行和效益的正常發(fā)揮。

2.2 過流能力計(jì)算

某閘共8孔，閘孔凈寬3.0m，底板高程為32.81m，其5年一遇排澇水位閘上側(cè)35.80m，閘下側(cè)35.70m，排澇設(shè)計(jì)流量210m3/s；20年一遇排洪水位閘上側(cè)37.01m，閘下側(cè)36.81m，排澇設(shè)計(jì)流量340m3/s。

因 Hs/H0＞0.9，故閘孔過流為高淹沒度堰流，閘孔過流能力計(jì)算結(jié)果見表1。

過水流量能力計(jì)算成果表 表1

2.2 消能防沖計(jì)算

閘下消能防沖計(jì)算與閘門開度、開啟速度及開啟數(shù)量等條件有關(guān)，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)條件，經(jīng)分析，可能的消能防沖計(jì)算條件為排澇工況、排洪工況及惡劣放水工況。參照同類工程經(jīng)驗(yàn)，為安全計(jì)，按閘門不同開孔數(shù)下不同開度分別計(jì)算各工況消能防沖規(guī)模。各工況消能防沖計(jì)算最大值見表2所示。

消能防沖計(jì)算成果表 表2

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，消力池各部分結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)如下：消力池深度1.5m，底板厚度端部1.0m，尾部0.8m，消力池總長 18.0m，海漫長 30m，防沖槽深2.5m。各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸滿足消能防沖要求。

2.3 防滲排水計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)，閘基出口水力坡降允許值為[J]水平=0.30～0.40、[J]出口=0.6～0.7，滲流出口處設(shè)反濾時(shí)，允許值可加大30%。利用理正軟件對(duì)閘基防滲穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算成果見表3，由表中結(jié)果可知，閘基滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

閘基防滲穩(wěn)定計(jì)算表 表3

3 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例，從水流量能力計(jì)算、消減下泄水流動(dòng)能防沖計(jì)算及防滲透排水三個(gè)方面，對(duì)水閘工程設(shè)計(jì)中的水力計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，所述方法對(duì)于專業(yè)技術(shù)人員開展工程設(shè)計(jì)工作具有一定的實(shí)踐意義。