三金攔河閘加固改建特征水力分析

李耿榮

（惠州市水電建筑工程有限公司,廣東 惠州 516001）

1 工程概況

廣東省興寧市寧江河三金攔河閘,在合水水庫灌區(qū)西溝河塘水閘的出口下游400 m處,閘址以上集雨面積1086 km2,其中合水水庫、石壁水庫控制集水面積680 km2,區(qū)間集雨面積406 km2。

三金攔河閘工程由陂頭、沖砂閘、電站等建筑物組成,于20世紀(jì)90 年代初建成投入使用。陂頭頂（堰頂）高程為104.20 m,溢流陂高3.5 m,陂頂寬2.3 m,陂底寬8 m,陂長（垂直于水流方向）72 m；沖砂閘凈寬7 m,邊墩厚1 m,總寬9.0 m。下游設(shè)長20 m,深0.6 m的200 號塊石混凝土消力池一座,下接長40 m的海漫段,海漫后設(shè)干砌石防沖槽,兩岸為重力式和護(hù)坡式及兩者結(jié)合的漿砌石或混凝土護(hù)砌。

2 加固改建特征水位

三金攔河閘加固改建后的特征水位計算成果見表1。

表1 三金攔河閘特征水位表

2.1 地基特性及設(shè)計參數(shù)

采用廣東核力工程勘察院編制的工程地質(zhì)勘查報告,閘址區(qū)巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核

2.2.1 地下輪廓線長度和閘室垂直抗?jié)B復(fù)核

正常蓄水時期的上下游水頭差最大,本次抗?jié)B復(fù)核選取現(xiàn)狀正常蓄水位104.2 m時的水頭差進(jìn)行計算分析。

復(fù)核地下輪廓線長度采用勃萊法,地下輪廓線的長度L用下式計算：

式中：H為上下游水位差H=104.2-100.3=3.90 m；C為滲徑系數(shù),地基主要為中粗砂層,按有濾層考慮,取C=5。

經(jīng)計算現(xiàn)狀輪廓線滿足設(shè)計要求,計算成果見表3。

表3 勃萊法抗?jié)B復(fù)核計算成果

根據(jù)規(guī)范推薦阻力系數(shù)法,可以求得底板平均坡降J0和出口處坡降J1,計算公式：J0=出口段水頭損失／出口段垂直長度J1=水平段水頭損失／水平段長度

2.2.2 復(fù)核結(jié)果分析

從表4可知,抗?jié)B穩(wěn)定安全系數(shù)K＞1,出口段滲透坡降為0.41和0.43,均小于中粗砂層允許滲流坡降值0.45,底板水平段滲透坡降為0.11,小于允許滲流坡降值0.13,陂頭抗?jié)B穩(wěn)定性滿足要求。

表4 阻力系數(shù)法抗?jié)B復(fù)核計算成果

3 改建后水力計算

3.1 運行調(diào)度

根據(jù)本工程工程任務(wù),確定攔河閘的調(diào)度運行原則如下：

1）當(dāng)上游來水較小時,來水全部用于兩岸灌溉。

2）當(dāng)上游來水在滿足兩岸灌溉引水后的余水量Q來≤30 m3/s（機(jī)組滿發(fā)時流量）時,攔河閘門全部關(guān)閉,上游來水全部供機(jī)組發(fā)電,閘前保持正常蓄水位105.00 m。

3）當(dāng)上游來水在滿足兩岸灌溉引水后的余水量30 m3/s＜Q來≤390 m3/s時,電站正常發(fā)電,攔河閘門局部開啟,以宣泄超出最大發(fā)電過流量的剩余洪水,閘前保持正常蓄水位105.00 m。

4）當(dāng)上游來水在滿足兩岸灌溉引水后的余水量Q來＞390 m3/s時,開啟全部閘門滿負(fù)荷泄洪,恢復(fù)自然河道水流狀態(tài),由于下游洪水宣泄速度較慢,這時的上下游水頭差會小于1.5 m,關(guān)閉水輪發(fā)電機(jī)組停止發(fā)電。基本洪峰過后,再逐漸蓄水到正常蓄水位105.00 m,開啟發(fā)電機(jī)組。

5）當(dāng)上游來水量Q來＜390 m3/s,電站因故停機(jī)時,開啟部分?jǐn)r河閘,按上游來水量調(diào)控泄洪,保持上游正常蓄水位105.00 m；當(dāng)上游來水量Q來＞390 m3/s時,攔河閘閘門全部開啟泄洪。

閘門由中間孔向兩側(cè),隔孔對稱開啟,要多孔同步操作；關(guān)閉則相反。增加泄洪量時,先設(shè)定增開閘數(shù),再逐漸增加開度,大開度閘孔宜設(shè)在中間,避免造成大量洪水沖刷。

3.2 泄洪能力和上游壅高校核

根據(jù)攔河閘控制運行方式,當(dāng)上游來水流量超過390 m3/s時,所有閘門全部打開,此時的過閘水流為堰流,泄流能力計算公式：

式中：B0為各閘孔凈寬之和,m；Q為泄洪量,m3/s；σ為堰流淹沒系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù),0.385；g為引力加速度取9.81 m/s2；H0為堰上流態(tài)水深,m。

經(jīng)計算,攔河水閘泄洪能力及上游水位壅高值計算成果,見表5。

表5 水閘泄洪能力及上游水位壅高值

計算結(jié)果表明,按所選的攔河水閘布置方案,在泄放各種頻率的洪峰流量時,上游水位壅高值均在0.3 m以下,滿足要求。另外,上游兩岸堤防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,按壅高后上游水位107.88 m計,考慮堤頂安全超高及風(fēng)浪爬高后,上游兩岸堤防堤頂高程應(yīng)高于109.08 m,上游兩岸現(xiàn)狀堤頂高程約為109.15 m,滿足上游防洪要求。

3.3 閘下游水流銜接

根據(jù)節(jié)制閘運行方式,結(jié)合本工程水閘下游河床條件,采用綜合式消能方式進(jìn)行設(shè)計。消能設(shè)計條件：

1）電站因故停機(jī)時,首先將上游蓄水位控制在105.00 m以下,通過水閘開啟數(shù)量保持水流平緩,通過控制水閘開度調(diào)節(jié)下泄流量,確保來水量下泄。閘門開啟按照先增加開閘孔數(shù),再增加閘門開度的原則進(jìn)行,分檔高度按每檔高度設(shè)為0.25 m。根據(jù)下游河道水位流量關(guān)系曲線以及下泄流量計算下游水位,水位升高必然滯后于泄洪流量的增加速度,因此選用低一級閘門開度的下游河道水位。

2）天然來水量大于390 m3/s時,閘門全開,便于下泄各種頻率的洪水。

通過水工模型試驗,進(jìn)一步驗證下游消能設(shè)計方案及上下游水流連接條件,為下階段的設(shè)計提供可靠依據(jù)。水流泄洪調(diào)度要按“多孔同步、中間開度大、兩邊開度小、對稱分級、緩慢開啟”的原則啟閉,嚴(yán)禁一孔開到頂集中泄流。

4 改建后新閘的閘室穩(wěn)定性計算

閘室采用兩孔一聯(lián)及一孔一聯(lián)的整體結(jié)構(gòu),驗算沿地基面的抗滑穩(wěn)定和地基應(yīng)力。地基為中粗砂層,根據(jù)地質(zhì)資料,承載力標(biāo)準(zhǔn)值為160 kPa,混凝土與中粗砂層間摩擦系數(shù)f=0.35。

4.1 荷載組合驗證

1）荷載計算公式

①采用《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2001）第7.3.6-1條公式,進(jìn)行閘室沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計算,計算公式：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù),取0.35；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載,kN；∑H為作用在閘室上的全部水平荷載,kN。

②采用《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2001）第7.3.4-1條公式,進(jìn)行閘室基底應(yīng)力計算,計算公式：

抗滑穩(wěn)定及基底壓應(yīng)力計算成果,見表6。

表6 抗滑穩(wěn)定及基底壓應(yīng)力計算成果表

2）計算工況、荷載及荷載組合

作用在閘體上的荷載主要有：自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力、波浪壓力等；荷載組合見表7。

表7 閘室穩(wěn)定和基底應(yīng)力計算荷載組合表

4.2 穩(wěn)定分析成果及結(jié)論

閘室在各種運用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力值計算成果見表8。

表8 閘室應(yīng)力成果表

從表7中可看出,閘室抗滑穩(wěn)定滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》要求,基底應(yīng)力值較小且分布比較均勻,閘基上下游應(yīng)力均小于地基允許承載力,無拉應(yīng)力產(chǎn)生,布置合理,閘室安全。

5 結(jié)論

根據(jù)地質(zhì)資料,閘址處河床覆蓋層厚度14.4 m～14.7 m,其中粗砂層厚5.7 m～6.1 m,粘土層厚5.1 m～5.3 m,卵石層2.5 m～2.1 m；覆蓋層以下為強(qiáng)風(fēng)化泥巖。根據(jù)地質(zhì)資料顯示,中粗砂層的允許承載力為160 kPa,粉質(zhì)粘土層允許承載力為200 kPa。經(jīng)計算,閘基底最大應(yīng)力為95 kPa,在地基的允許應(yīng)力范圍內(nèi),故本階段選擇中粗砂層作為閘基的持力層,攔河閘閘基底面高程為99.20 m；根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范,中粗砂基礎(chǔ)可不進(jìn)行沉降計算。

由于地基中粗砂為強(qiáng)～極強(qiáng)透水層,故需對地基進(jìn)行防滲處理。由于中粗砂層較淺,將底板前齒墻做到98.2 m高程,截斷透水層即可滿足防滲要求。水閘右岸扶壁式岸墻的扶壁,起刺墻的作用,防止水閘側(cè)向繞滲。

經(jīng)基底抗?jié)B穩(wěn)定計算,水閘閘室的水平段和出口段最大滲流坡降值為0.06和0.32,小于基底表面土層中粗砂層的允許滲流坡降值0.13和0.45,因此閘室地基經(jīng)防滲處理后基底抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。