某除险加固工程泄洪闸设计探讨

2016-01-27纪中庭

黑龙江水利科技 2015年8期

关键词：泄洪闸除险加固

纪中庭

(巴州水利水电勘测设计院，新疆库尔勒 841000)

某除险加固工程泄洪闸设计探讨

纪中庭

(巴州水利水电勘测设计院，新疆库尔勒 841000)

摘要：文章结合和静县乌拉斯台河协比乃尔布呼渠进水闸除险加固工程实例，在简单介绍工程概况的基础上，对泄洪闸上游铺盖段、闸室段、消能防冲段及抗冲磨措施的设计理念与方法进行了分析和讨论。施工结束后的验收结果显示，泄洪闸设计方案的预期目标得到了有效实现，泄洪闸的使用功能再度建立并较以往有了较大幅度的提升。同时也为协比乃尔布呼渠进水闸枢纽安全通过设计洪水提供了大力支持。

关键词：除险加固；泄洪闸；闸孔宽度；消能防冲

1工程概况

和静县乌拉斯台河协比乃尔布呼渠进水闸除险加固工程位于乌拉斯台河老河道进水闸口以下9.30 km处，距和静县城西南20 km，距巴州首府库尔勒市90 km。工程建成至今已运行40余年，其间经受住了多次超设计标准洪水的考验，但是受建设年代较早、使用时间较长的影响，自2008年以来枢纽运行不正常，无法满足泄洪要求，每年都需要投入大量的人力物力防洪及清淤，一旦该枢纽引水中断，势必会给灌区带来巨大的经济损失[1]。本次除险加固工程建设既可以恢复项目应有的使用功能，又可为灌区灌溉引水提供更多保障，增强灌区乃至和静县农林业的发展后劲，这对于促进和静县域经济的健康、持续、快速发展是十分必要和迫切的。限于篇幅，本文仅对和静县乌拉斯台河协比乃尔布呼渠进水闸除险加固工程中的泄洪闸设计进行分析和讨论。

2泄洪闸设计

泄洪闸属于平底开敞式水闸，由上游铺盖段、闸室段、消能防冲段共同组成，其纵轴线位于原闸址上游60m处，初步设定闸孔数为4孔。上游铺盖段长度为10 m；闸室段长度为10 m，属于整体式结构，其上部设置工作桥和永久闸房；消能防冲段由护坦和防冲槽共同组成，其中，护坦长15m，防冲槽长16m，深度4.4m。

2.1　上游铺盖段

结合已建同类工程的设计方案，本次设计上游铺盖段长度取10m，采用厚度为40 cm的C20混凝土，铺盖前端设有厚度0.5m、深度2.5m的深隔墙。上游铺盖段的顶部高程与泄洪闸底部高程相同。

2.2　闸室段

2.2.1闸底板高程

新闸址位于老闸址和解放二渠渡槽之间的乌拉斯台河河道上，河道河床狭窄、纵坡较陡，两岸均为粉砂土，河道处于冲刷状态。为满足引水要求，枢纽经常需要进行拦水操作，上游河道的泥沙淤积现象较为严重[2]。此处现状河床平均高程为1083.50m，为获得更为满意的引水冲砂效果，泄洪闸底板高程被设计为比河床高程高0.5 m，即1 084.0 m。

2.2.2闸孔总净宽

本次工程的泄洪闸为平底开敞式水闸，底板高程1 084.0 m，所以在计算闸孔总净宽时可采用平底宽顶堰流计算公式。

2.2.2.1上下游静水位和行近流速

工程区所处河道地形高差较小，参考平原区水闸总净宽的计算经验以及枢纽运行管理资料，分别选择闸址上游100 m处、闸址下游80m处断面对上、下游行近流速进行计算。根据两处断面水深H~流量Q关系的计算结果，泄洪闸设计洪水位(p=5%)所对应的上、下游静水位分别为1 085.63 m、1 085.11 m，对应的行近流速分别为2.23 m/s、2.17 m/s；校核洪水位(p=5%)所对应的上、下游静水位分别为1 085.78 m、1 085.25 m，对应的行近流速分别为2.36 m/s、2.31 m/s。

2.2.2.2闸孔总净宽B0

根据《水闸设计规范》(SL265—2001)的相关要求，本次设计采用的堰流计算公式对闸孔总净宽B0进行计算。出于对安全泄洪的考虑，本次设计泄洪流量全部由泄洪闸和冲砂闸承担。计算结果表明，泄洪闸闸孔总净宽≥38.55 m，冲砂闸闸孔总净宽≥2.39 m。

2.2.2.3闸孔净宽及闸墩尺寸确认

根据闸孔总净宽的计算结果，确定泄洪闸单个闸孔净宽为10m，孔数为4孔；冲砂闸单个闸孔净宽2.5m，孔数为1孔，泄洪闸和冲砂闸的闸墩厚度均为1.0m。

2.2.3闸孔宽度复核计算

根据《水闸设计规范》(SL265—2001)对于平底闸闸孔净宽计算的要求，我们对闸孔宽度进行了复核计算，计算结果如表1所示。

表1　枢纽闸孔宽度计算结果

由表1可知，枢纽在过设计洪水时，水位为1 085.55 m；在过校核洪水时，水位为1 085.77 m。由于该段天然河道两侧河坎的高程约为1 085.90~1 086.90 m，因此枢纽各尺寸宽度的拟定是基本合理的。

2.2.4闸顶高程

本次工程属于中型Ⅲ等工程，根据《水闸设计规范》(SL265—2001)的要求，闸顶高程应根据挡水、泄水两种工况加以确认。

1)挡水时，闸顶高程需大于或等于水闸正常蓄水位(或最高挡水位)加波浪计算高度与相应安全超高值之和。正常蓄水位、最高挡水位时，安全超高的下限值分别为0.4 m、0.3 m。

2)泄水时，闸顶高程需大于或等于设计洪水位(或校核洪水位)与相应安全超高值之和。设计洪水位、校核洪水位下的安全超高下限值分别为0.7 m、0.5 m。另外，闸顶交通桥梁底高程较最高洪水位高0.5 m。

风浪要素按《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)计算，波浪平均波高、波长采用莆田试验站公式，设计波浪爬高值则根据工程等级查表换算得出，1~3级建筑物采用累积频率1%的爬高值(当m=0时，波浪爬高值等于波高)。闸顶超高及闸顶高程计算结果如表2所示。

表2　闸顶超高及闸顶高程计算成果

根据上述计算结果，泄洪闸闸顶高程为1 086.28 m，考虑到河道存在着较为严重的漂浮物淤积问题，本次设计将闸墩顶部高程在计算结果的基础上提高至1 086.60 m，以便使枢纽泄洪保证率得到进一步的提升。

2.2.5闸室设计

采用开敞式闸室，沿水流向闸室总长度为10 m，闸墩、闸底板为整体式结构，采用C25钢筋混凝土结构；闸墩采用C25钢筋混凝土结构，高度3.0 m，厚度1.0 m。

2.2.6上部结构

泄洪闸上部设置检修便桥、排架、工作桥和永久闸房，其中，检修便桥采用钢结构；排架和工作桥采用C25钢筋混凝土结构；永久闸房采用15 cm厚彩钢板结构[3]。

2.2.7闸基防渗

为提高泄洪闸的垂直渗径，本次设计在闸室段上游设置长度为10m的铺盖段，并在铺盖段上游设置厚度为0.5m、深度为2.5m的厚齿墙，同时，于闸底板上下游分别设置厚度为1.0m、深度为2.5m的厚齿墙。

经计算，水平段水头损失值及平均渗透坡降如下：上游铺盖水平段：i=0.033；闸室水平段：i=0.037；闸室出口段：i=0.111。根据《和静县乌拉斯台河协比乃尔布呼渠进水闸除险加固工程地质勘察报告》，闸基主要为粉砂层，根据《水闸设计规范》(SL265—001)，粉砂地层水平段允许渗透坡降为0.05~0.07，出口段允许出逸坡降0.25~0.30。由计算结果可知，泄洪闸上游铺盖水平段、闸底板水平段、闸底板出口段的渗透比降均处于标准要求的范围以内，因此泄洪闸闸基渗流稳定满足设计要求。

2.3　消能防冲段

2.3.1工程设计

泄洪闸后紧接自然河床的土质为粉砂层，闸后水流湍急、冲刷力较强，因此，需要在泄洪闸后设置护坦(15 m)和防冲槽(16 m)。其中，防冲槽斜坡、水平段分别长8.8 m、7.2 m，坡度1∶1，槽深4.4 m。槽底板和斜坡段均采用格宾石笼结构，厚度0.6m。结合已建同类工程施工经验以及本枢纽工程地质的实际情况，在枢纽下游增设深隔墙，以便使防冲刷效果得到进一步的提升[4]。

2.3.2防冲深度复核

水闸后冲刷坑深度hd的计算公式为：

(1)

式中：q为护坦或海漫末端单宽流量，m3/s.m；h为护坦或海漫末端水深，m；z为护坦或海漫末端流速分布图中最大流速的位置高度，m。若流速分布均匀，则取值50%h；a0为护坦或海漫末端流速分布的动量修正系数；ht为下游水深，m；d为(d50)床沙粒径，m；γs、γ为床沙、水的重率，kg/m3。

由该公式我们可以看出，冲刷深度主要受流速、河床土质、枢纽单宽流量的影响。计算结果显示，枢纽最不利冲刷深度为4.06 m，取值5 m。