汤河整治工程拦河闸闸址比选与参数拟定

于海涛

(辽宁西北供水有限责任公司, 辽宁 沈阳 110003)



汤河整治工程拦河闸闸址比选与参数拟定

于海涛

(辽宁西北供水有限责任公司, 辽宁 沈阳 110003)

本文以汤河综合整治工程为例，对拦河闸闸址比选以及相关参数选定进行了深入研究。实践证明，该研究结果适合工程实际情况，可为类似工程设计提供有益借鉴。

汤河河道； 拦河闸； 闸址拟定

1 项目概况

1.1 项目简介

为了提升本溪满族自治县政府所在地小市镇的生态环境质量，对流经小市镇的汤河河段进行综合治理，工程上游起自本桓线张家堡大桥，下游至溪田铁路汤河大桥北侧，全长4.13km。主要工程内容为河道主槽平面拓宽和纵向清淤，为了形成城市大湖式水面景观，计划在溪田铁路汤河大桥下游处的汤河主河槽内修建拦河闸，以壅高河流水位，左右岸滩地采用副坝挡水。拦河闸闸门拟采用钢坝闸新型景观闸门，闸门直立挡水，卧倒泄洪，门顶可溢流。

1.2 项目区自然概况

汤河是本溪满族自治县境内的主要河流之一，全长50km，流域面积约408km2，河道比降6%，多年平均径流量1.7亿m3。汤河发源于掌马骥村碑家岭南坡，北入关门山水库，下游流经小市镇，并注入太子河。

项目区属于松辽平原的一部分，总体地势为东南高，海拔高度300～400m。汤河地势由南向北逐渐降低，项目段河道两侧有零星的波状台地分布，一般高出水面约10～20m，河漫滩呈带状分布于主河道两侧，一般比河床高2～3m，主要由冲积堆积性黏土和中砂构成，底部则为白垩纪泥岩和泥质砂岩。闸址区地下水主要是第四系河谷冲积层内的孔隙潜水，水位埋深一般为1.7～5.8m，项目区环境水质较好，除对钢结构有弱腐蚀外，对混凝土以及钢筋混凝土无明显影响。

2 闸址比选

汤河河道整治工程的河道壅水建筑物的主要目标是抬高河道水位，在城区河段形成宽阔水面，形成能够改善居住环境的生态水景观。根据工程论证阶段的现场勘测结果，拟定将拦河闸闸址选在小市镇末端的汤河下游附近。考虑河道行洪、地形、地质与施工条件等多种因素，确定符合条件的两个闸轴线进行比选。其中上游轴线方案：溪田铁路汤河大桥下游315m处；下游轴线方案为：溪田铁路汤河大桥下游330m处。

上述两处闸址位置比较接近，因此闸轴线的地形条件差距不大，由于河道采砂的原因，砂坑与砂堆遍布，除河道主漕未受明显影响之外，其余河滩与河床部位的基本形态破坏比较严重，均需要进行必要的整治，但是这两处闸址的地质情况差异明显，比选结果见表1。

表1 上下游闸址比选结果

经比选，两处闸轴线在地形、水流条件以及行洪能力方面基本相同，而在地质特征方面，上游闸轴线的淤泥质黏土层无论分布范围还是厚度，都比下游轴线小，有利于降低施工难度、缩减施工周期，也可以减少基础处理的投资。综合上述因素，该次施工推荐使用上游轴线方案，也就是溪田铁路汤河大桥下游315m处。

3 拦河闸单孔净宽与总净宽的选择

3.1 单孔净宽选择

综合考虑各种影响因素，在拦河闸工程设计中，提出了单孔净宽分别为20m、40m两种方案供进一步比选确定[1]。其中方案一：两孔，单孔净宽设计为20m；方案二：1孔，单孔净宽设计为40m。上述两种方案在底板、消力池以及下游海漫等部分基本一致，两种方案的比选结果如下：

a. 经济方面：两种不同方案的投资额比较结果见表2。

表2 单孔净宽不同方案的经济性比较结果

b.运行管理方面：方案一的优势在于闸门数多，便于汛期的调度和运行，但是会增加管理难度；方案二的优势在于维护管理相对简单，但由于闸门数少，所以运行复杂，不便于调度管理[2]。

c.制作、运输与安装方面：钢坝闸采用单体分段制作、运输，在工地组装的方式[3]，方案一的安装工作量要明显大于方案二。

综合上述分析，方案二具有运行管理简单、安装工作量小，经济性也相对较好，因此该次施工推荐采用方案二，也就是单孔净宽40m。

3.2 闸孔总净宽选择

根据以上比选结果，单孔净宽设计为40m比较合适。《水闸设计规范》规定闸孔孔数少于8孔时，应该考虑采用奇数孔，同时结合该工程的实际情况，闸孔总净宽以5孔、8孔、10孔三种方案进行比选。

计算利用《水闸设计规范》附录中的公式：[4]

(1)

式中B0——闸孔总净宽，m；

Q——过闸流量，m3/s；

g——当地的重力加速度；

hs——下游水深，m；

μ0——淹没堰流综合流量系数，计算公式见式(2)所示。

(2)

将设计数据代入上述公式计算得到的结果见表3。

表3 闸孔总净宽计算结果

根据《水闸设计规范》拦河闸的总宽度与河道宽度之比应介于0.60～0.85之间，考虑到该次河道整治工程完工后，当遭遇百年一遇洪水时，河道的水面宽度约为480m。结合表3结果可以看出，400m总净宽的宽度最为合适，但是过闸流速过小且成本较高，而200m总净宽方案的总宽度过小。综合上述考虑，推荐采用320m总净宽，也就是8孔方案，此时闸室的总宽度为379m。

3.3 泄流能力计算

由于汤河整治工程全部完工尚需时日，因此拦河闸泄流能力计算应当考虑发生百年一遇的洪水时，下游河段整治和未整治两种情况，计算公式为：

(3)

式中Q——过堰流量，m3/s；

B0——闸孔总净宽，m；

u0——淹没堰流的综合流量系数；

hs——下游水深，m；

g——当地的重力加速度；

H0——堰上水深，m。

下游河段未整治的情况下，拦河闸下游的水位为273.22m，hs/H0=0.997，按照上述式(3)计算得淹没堰流的综合流量系数为0.997，闸上游出现的水位壅高最大值为0.0094m。下游河道整治后的闸址下游水位为272.14m，hs/H0=0.992，计算得淹没堰流的综合流量系数为0.993，闸上游出现的水位壅高最大值为0.027m。计算结果显示，无论闸址下游河段是否整治，拦河闸的过流能力都不会受到较大影响，上述320m的闸孔总净宽完全可以满足行洪要求。

4 消力池设计

4.1 消力池池深计算

消力池池深按照如下4种工况进行计算：工况一为三孔闸门成60°运行，其余闸门直立挡水；工况二为闸门直立挡水，闸顶溢流0.3m；工况三为五十年一遇洪水；工况四为百年一遇洪水。计算结果见表4。

表4 消力池池深计算结果

通过上述计算结果可以看出，消力池的池深较小，同时考虑到消力池运行的工况并不止上述四种，在工程建成后的运行过程中需要满足各种条件，因此参照《水工设计手册》中的经验值，将消力池的池深设计为1.2m。

4.2 消力池池长计算

消力池池长计算利用以下公式：

L=Ls+βLj

(4)

式中L——消力池池长，m；

Ls——消力池斜坡段水平长度，m；

β——水跃长度校正系数，此次计算取0.8；

Lj——水跃长度，m。

结合消力池深度计算结果，仅对工况一和工况二两种工况下的消力池长度进行计算，结果见表5。考虑到消力池工作时的复杂工况，结合相关经验值，建议消力池池长采用15m。

表5 池长计算结果 单位：m

4.3 底板厚度的计算与验算

首先按照抗冲要求利用式(5)计算消力池始端的底板厚度，再按照抗浮要求利用式(6)进行验算。

(5)

式中t——底板始端厚度值，m；

k1——计算系数，取k1=0.21；

q——单宽流量，m3/s·m；

ΔH′——拦河闸上下游水位差，m。

t=k2(U-W±Pm)/γb

(6)

式中t——底板始端厚度，m；

k2——安全系数，取k2=1.3；

U——底板扬压力；

W——作用于地板面上的水重；

Pm——作用于底板的脉动压力，计算时可取收缩面流速水头值的5%；

γb——饱和重度。

计算结果见表6，结果显示消力池厚度要求不大，但考虑到消力池末端的底板厚度可以按照始端厚度的一半计算，但不得小于0.5m，所以建议消力池始端厚度设计为1m。

表6 消力池厚度计算结果

4.4 海漫长度计算

海漫长度按照如下式(7)进行计算，计算结果见表7。

(7)

式中L——海漫长度；Ks——计算系数，取Ks=12；qs——消力池出口处单宽流量。

表7 海漫长度计算结果

海漫的主要作用为进一步消除下泄水流的能量，减弱水流动能对下游河岸的冲刷破坏，根据相关工程经验，该次设计建议海漫长度为24m。整个海漫分为两部分，靠近消力池的首段长12m，采用厚度为0.4m的毛石混凝土结构；末段长11.0m，采用相同厚度的铁网石箱结构。

5 结 语

本研究结合地形、行洪能力、施工条件和经济条件，经过比选，确定上游轴线方案为汤河河道综合治理工程的拦河闸闸址方案。在闸址选定的基础上，对拦河闸单孔净宽与总净宽、泄流能力以及消力池等拦河闸的相关参数进行了计算与选定。经过工程实践与实际运行检验，说明该选择与计算是适当、可行的。随着中国城市化进程的不断加快，今后此类工程的建设数量将迅速增加，因此本研究的方法与结论对相关工程具有重要的借鉴价值。

[1] 徐如,秦景言,高见.复杂地质特征条件下的拦河闸闸基基础处理设计分析[J].中国水运(下半月),2014(7):217-218.

[2] 胡亭.水渡河闸工程方案设计[J].中国农村水利水电,2014(10):146-148.

[3] 陈秀青.水闸基本尺寸设计方案比较[J].水利技术监督,2013(4):49-52.

[4] 黄智敏,陈卓英,付波,等.拦河闸下游两级消力池布置和计算研究[J].水资源与水工程学报,2014(4):115-118.

[5] 郭红亮,吴云飞,谢红兵,等.汉江兴隆水利枢纽泄水闸新型海漫设计[J].人民长江,2015(11):40-43.

Regulating dam address comparison and parameter setting in Tanghe River Renovation Project

YU Haitao

(LiaoningNorthwestWaterSupplyCo.,Ltd.，Shenyang110003,China)

In the paper, Tanghe River comprehensive improvement project is adopted as an example for in-depth study on regulating dam address comparison and setup of related parameters. Practice shows that the study results are applicable to practical condition of the project, which can provide beneficial reference for similar engineering design.

Tanghe River watercourse; regulating dam; address determination

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.012

TV66

B

1005-4774(2016)11- 0044- 04