某灌區(qū)總干渠3#退水閘設(shè)計研究

田振燕，惠志賓

（河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 南陽 473000）

1 工程概況

刁河總干渠3#退水閘位于刁河總干渠樁號28+772 處渠尾，采用胸墻式結(jié)構(gòu)，設(shè)計過閘流量45 m3/s，閘孔總凈寬6 m，單孔寬3 m，共2孔；建筑物等級為3級。刁河總干渠3#退水閘重建后，閘孔總凈寬未改變，閘底板控制高程與原閘保持一致135.58 m，上游設(shè)計水位未變化，上游襯砌渠深4.60 m。

2 退水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計

刁河總干渠3#退水閘進(jìn)口段長17 m，兩岸采用圓弧翼墻與上游渠道銜接，底部采用50 cm 厚C25 混凝土鋪蓋；閘室段長11.20 m，采用C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚100 cm，閘墩厚120 cm。陡坡段長3.20 m，兩側(cè)邊墻為C25混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)，底板為50 cm厚C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)；消力池長13 m，兩側(cè)擋墻及底板與陡坡段相同；消力池出口采用漿砌石扭面與下游渠道銜接，渠底采用30 cm 厚C25 混凝土護(hù)底；扭面后接海漫段，長15 m，渠底及岸坡均采用30 cm厚格賓護(hù)砌，海漫末端設(shè)拋石防沖槽。

根據(jù)需要在閘前設(shè)置凈寬5 m 交通橋便于交通道路銜接。在上下游翼墻及邊墩外側(cè)設(shè)高1.10 m不銹鋼欄桿。

操作室布置在閘頂，總長4.50 m，總寬8.90 m，共2 間，層高3.30 m，操作室為磚混結(jié)構(gòu)，樓面和屋面為現(xiàn)澆板，板厚0.12 m，操作室外部設(shè)挑檐，寬1 m，挑檐外側(cè)設(shè)高1.10 m不銹鋼欄桿。下部為C30鋼筋混凝土立柱，立柱尺寸50 DN 50 cm。于右岸設(shè)鋼斜梯1座與操作室連接，寬0.80 m，高5.10 m，斜度59h，便于工作人員上下。

3 退水閘水力分析計算

3.1 退水閘閘孔寬度分析計算

平底閘堰流閘孔總凈寬計算：

式中：B0為閘孔總凈寬（m）；Q 為過閘流量（m3/s）；H0為計入行近流速水頭的堰上水深（m）；g 為常數(shù)（取9.81 m/s2）；m 為流量系數(shù)（取0.385）；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ為堰流淹沒系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深（m）。

刁河總干渠3#退水閘（樁號28+772）流量45 m3/s，上游水深4 m，閘底板算起的下游水深1.58 m，計算孔寬5.15 m，重建閘孔尺寸2 N 3 N 3 m，出流型式孔流。

3.2 消能防沖計算

3.2.1 消力池過水尺寸計算

消力池型式選用斜坡段下接矩形斷面復(fù)合結(jié)構(gòu)。經(jīng)計算退水閘消力池尺寸計算成果見表1。

表1 退水閘消力池過流尺寸計算表

3.2.2 海漫分析計算

3.2.2.1 海漫長度計算

除刁河總干渠3#退水閘外，其余水閘下游渠道均已采用混凝土襯砌，因此僅對刁河總干渠3#退水閘進(jìn)行海漫長度及沖刷深度計算。

經(jīng)計算海漫長度為18.80 m。設(shè)計中消力池后設(shè)5 m 長30 cm 厚混凝土海漫和15 m 長30 cm 厚格賓海漫，海漫長度共計20 m，符合要求。海漫末端沖刷深度計算為2.68 mm。為了保護(hù)下游海漫免受沖刷危害，需做防沖處理，根據(jù)堆石數(shù)量應(yīng)遵循以能安全覆蓋沖刷坑的上游坡面或下游坡面，防止沖坑向上游發(fā)展而危及海漫結(jié)構(gòu)安全的原則設(shè)置防沖槽。因消力池末端已采用30 cm厚混凝土和格賓石籠護(hù)底進(jìn)行護(hù)砌，設(shè)計中按一般構(gòu)造要求結(jié)合以往水閘設(shè)計經(jīng)驗設(shè)置防沖槽，拋石防沖槽深1 m、長5 m。

4 閘基滲流穩(wěn)定計算

4.1 閘基防滲長度計算

閘底板座于原狀粉質(zhì)粘土上。底板滲流采用以下公式計算。

防滲長度的基本計算公式為：

式中：C—滲徑系數(shù)，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》中的允許滲徑系數(shù)值；ΔH—上、下游水位差，按照最大水位差計算，單位m。

刁河總干渠3#退水閘（樁號28+772）流量45 m3/s，上游水位差4.30 m，滲徑系數(shù)C4需要防滲長度L19.20 m，實際防滲長度27 m。退水閘的實際防滲長度大于最小防滲長度，閘基防滲設(shè)計滿足穩(wěn)定要求。

4.2 閘基滲流穩(wěn)定計算

刁河總干渠3#退水閘建筑物級別為3級，除防滲長度復(fù)核外，對其閘基滲流進(jìn)行計算，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄C，土基上水閘滲流穩(wěn)定計算方法采用改進(jìn)阻尼系數(shù)法。計算結(jié)果見表2。

表2 閘基滲流穩(wěn)定計算成果表（改進(jìn)阻尼系數(shù)法）

根據(jù)上表及工程地質(zhì)情況，最不利工況下水平段、出口段滲透坡降分別小于閘基水平段允許滲流坡降、出口段允許滲流坡降，說明閘基防滲效果良好，不會發(fā)生滲透破壞、滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5 退水閘閘室穩(wěn)定應(yīng)力分析計算

5.1 確定計算工況

由《水閘設(shè)計規(guī)范》可知，分析計算閘室穩(wěn)定和應(yīng)力荷載組合分基本組合和特殊組合兩種?；窘M合采用完建工況、設(shè)計擋水工況2種工況計算。特殊組合采用設(shè)計擋水+7度地震計算。計算工況及荷載組合詳見表3。

表3 退水閘閘室穩(wěn)定計算工況表

5.2 閘室沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計算

由《水閘設(shè)計規(guī)范》可知：KC＝f∑G/∑H。在各種荷載組合工況下，閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足Kc＞［KC］。

5.3 閘室基底應(yīng)力計算

式中：η—不均勻系數(shù)；σmax、σmin—最大及最小應(yīng)力值。

地震慣性力：地震慣性力代表值根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，采用進(jìn)行擬靜力法計算。

沿建筑物高度作用于各質(zhì)點(diǎn)的水平向地震慣性力代表值：F=ahξGEiai/g。動水壓力作用在水面以下0.54 H0處，其代表值F0按下式計算：F0=0.65 ahξpw。作用于水閘上的地震動水壓力：F3=0.65 ahξpw

刁河總干渠3#退水閘（樁號28+772）閘室穩(wěn)定計算成果，工況1完建期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kc大于［Kc］=1.2，σmax29.35（kPa）和σmin26.11（kPa），不均勻系數(shù)1.12 小于不均勻系數(shù)允許值2.00，地基容許承載力（kPa）120；工況2設(shè)計擋水抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kc6.89 大于［Kc］=1.2，σmax31.43（kPa）和σmin28.88（kPa），不均勻系數(shù)1.09 小于不均勻系數(shù)允許值2.00，地基容許承載力（kPa）120；工況3（擋水+地震）抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kc1.95 大于［Kc］=1.05，σmax101.2（kPa）和σmin90.3（kPa），不均勻系數(shù)1.12 小于不均勻系數(shù)允許值2.50，地基容許承載力（kPa）180。

5.4 擋墻穩(wěn)定計算

計算內(nèi)容有：擋墻的基底應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性。

擋墻地基承載力驗算，選取單位長度墻體，在垂直壓力ΣG作用下，墻體前后緣的地基應(yīng)力為：

最大地基應(yīng)力不大于地基容許承載力，最小應(yīng)力不小于零，即地基全部受壓。

擋墻抗滑穩(wěn)定計算公式：

式中：KC—抗滑安全系數(shù)；［KC］—允許抗滑安全系數(shù)；f—墻底與地基間摩擦系數(shù)，取f=0.30；ΣW—墻基面所受垂直力之和，kN；ΣP—墻體所受水平力之和，kN。

抗傾穩(wěn)定計算公式：

式中：K0—抗傾安全系數(shù)；［K0］—允許抗傾安全系數(shù)；ΣMy—抗傾力矩，kN/m。

擋墻穩(wěn)定計算成果：工況1正常狀態(tài)下基底應(yīng)力88.35 kPa，容許承載力［σ］180 kPa，抗滑Kc 為1.28 大于［Kc］=1.25，抗傾Kf為2.19 大于［Kf］=1.5；工況2（正常+地震）狀態(tài)下基底應(yīng)力93.21 kPa，容許承載力［σ］為180 kPa，抗滑Kc為1.13大于［Kc］=1.05，抗傾Kf為1.65 大于［Kf］=1.30。擋墻穩(wěn)定計算滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

綜上所述，對某灌區(qū)干渠大型退水閘從水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力計算、閘基滲流穩(wěn)定計算及閘室穩(wěn)定應(yīng)力計算等主要部分完成退水閘設(shè)計基本內(nèi)容，獲得相應(yīng)成果，可為同類工程建設(shè)提供參考。