孝义市胜溪湖湿地公园泄洪闸工程设计

宋必连

（山西省水利水电勘测设计研究院）

1 工程简况

孝义市胜溪湖湿地公园依托张家庄水库而建，为阻止泥沙直接进入水库、减缓库区泥沙淤积，在确保防洪安全的前提下，宜在下堡河和兑镇河入库河段，利用现有地形开挖沉沙池，沉沙池与水库之间通过湿地水系和新挖泄洪渠连接。在沉沙池东南侧泄洪渠首布设一道泄洪闸，以确保汛期洪水经沉沙池平顺进入张家庄水库。

2 工程规模及设计标准

根据水利工程有关标准，胜溪湖湿地公园泄洪闸采用20年一遇（P＝5%）洪水标准设计，泄量为886.9 m3/s；采用 50年一遇（P＝2%）洪水标准校核，泄量为1 371.1 m3/s。

3 泄洪闸结构设计

胜溪湖湿地公园泄洪闸布置在泄洪渠首，包括进口段、控制段、陡坡段、消力池段和护坦段等五部分。

3.1 进口段(桩号0-090—0+000)

泄洪闸进口段总长90 m，包括扭面段、喇叭口段和直墙段。扭面段和喇叭口段平面均为弧线，转弯半径95 m，实际长度分别为41 m和53 m；直墙段长10 m。边墙均采用C25钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构，高度由3.0 m渐变为6.6 m。引水渠设计纵坡为1∶100，底板采用C25钢筋混凝土铺盖，板厚50 cm。

3.2 控制段(桩号0+000—0+025)

泄洪闸控制段即泄洪闸室，采用宽顶溢流堰，长25 m，净宽75 m，分3孔，每孔宽25 m。闸门型式采用钢坝闸，共3扇。闸室的两侧均设25.0 m×2.5 m×7.6 m（长×宽×高）的箱式沉井一座，内设闸门控制机电设施；在闸室中间布设规格为25.0 m×2.0 m×7.8 m的箱式沉井一座；泄洪闸室的总宽度为90.6 m。闸室底板采用C25钢筋混凝土结构，根据沉沙池底高程、年均沉沙厚度及钢坝闸的安装要求，确定闸室底板高程为769.50 m，厚度1.0 m。

3.3 陡坡段（桩号0+025—0+045）

泄洪闸室后紧接沿水流方向长20 m的陡坡段，陡坡段净宽90.6m，纵坡1∶18.7，边墙高度由7.6m渐变为4.6 m，边墙采用C25钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构。底板采用C25钢筋混凝土结构，厚度50 cm，底板下设30 cm厚的反滤层。

3.4 消力池段（桩号0+045—0+067）

泄洪闸陡坡末端布设消力池，消力池段沿水流方向长22 m，净宽90.6 m，底板高程为767.32 m，边墙顶高程为772.72 m，高度为5.4 m，采用C25钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构。底板采用C25钢筋混凝土结构，厚度50 cm，内设φ100 mm的竖向排水孔，间距2 m，梅花型布置。底板下设30 cm厚的反滤层。

3.5 护坦段（桩号0+067—0+119）

消力池出口末端设护坦，护坦段沿水流方向长52 m，首端底高程为 767.32 m，纵坡为 1∶500。护坦采用30 cm厚的格宾石笼铺盖，下设30 cm厚的反滤层。边墙为扭面，由浆砌石重力式挡土墙渐变成1∶3的浆砌石衬砌边坡，与泄洪渠渠堤自然连接。

4 泄洪闸水力计算

4.1 泄流能力核算

泄洪闸室控制段为宽顶溢流堰，泄量计算采用公式：

式中：Q为泄量，m3/s；m为二元水流宽顶堰流量系数，与相对上游堰高P1/H及堰头形式有关，查《溢洪道设计规范》（以下简称：溢规）表A.2.3-1、表A.2.3-2可得；ε为侧收缩系数，按溢规中A.2.1要求取；B为堰顶宽，取75 m；g为重力加速度，取9.8 m/s2；H0为计入流速水头的堰上总水头，m。

经计算，当H0＝3.90m时，相应泄量 886.9 m3/s；当H0＝5.22 m时，相应泄量1 371.1 m3/s。闸室底板高程769.50 m，由此确定20年一遇设计洪水位为773.40 m，50年一遇校核洪水位为774.72 m。

4.2 陡坡段水力计算

4.2.1 陡坡段水面线

水面线根据能量方程，采用分段求和法计算（公式略）。

4.2.2 陡坡段水流掺气水深

水流掺气水深，按溢规中的公式计算（公式略）。按溢规规定，陡坡段边墙高度，应根据波动及掺气后的水面线再加0.5-1.5 m的安全超高。设计泄量886.9 m3/s下的水面线及校核泄量1 371.1 m3/s下的水面线计算结果见表1。

表1 设计与校核泄量陡坡段水面线计算成果表

4.3 出口消能段水力计算

考虑到实际地形与地质条件，确定出口消能采用底流消能方式。

4.3.1 收缩断面水深h1的计算

消力池收缩断面水深h1采用以下公式计算：

式中：E0为以收缩断面底部为基准面的水流总比能，m；h1为收缩断面的水深，m；q为单宽泄量，m3/s/m；ψ为流速系数，取0.95。

4.3.2 跃后水深h2的计算

消力池跃后水深h2按溢规中的公式（略）计算。

4.3.3 消力池长度Lk的计算

计算公式为：Lk＝ 0.8L，L＝6.9(h2-h1)

式中：L为自由水跃的长度，m。

4.3.4 消力池池深d的计算

计算公式略，水跃淹没度取1.05。

消力池水力计算结果见表2。根据消力池水力计算结果，确定消力池的长度为20 m，不设池深。

表2 消力池水力计算结果表

4.4 护坦段水力计算

根据《水闸设计规范》SL265-2001附录B.2，护坦长度按下式计算：

式中：Lp为护坦长度，m；q为消力池末端单宽流量，m3/s；ΔH′为闸孔泄水时上下游水位差，m；K为系数，取11。经计算，护坦长度为52 m。

5 泄洪闸室稳定计算

泄洪闸室稳定计算包括抗滑稳定验算、抗倾覆稳定验算和基底压力计算，均按《水闸设计规范》中的公式进行。经计算，抗滑稳定系数4.66＞1.20，抗倾覆稳定系数135.3＞1.50，均满足设计要求；基底压力Pmax＝44.8 kPa，Pmin＝24.79 kPa，η＝1.81＜[η]＝2.0，也满足设计要求。计算结果表明，泄洪闸结构设计合理。

6 结语

本工程建成后，不仅能够提高河道的防洪标准，提升湿地公园的品质，又可以大大提高下游张家庄水库的防洪减灾能力。同时，还可以改善生态环境，使人与自然更加和谐。