丰东灌区渠首火焰山节制闸重建工程设计计算

刘 振，白 斌

(1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.四川大学水电学院，四川 成都 610207)

1 工程概况

丰东灌区位于江西丰城市东南部，属鄱阳湖水系清丰山溪流域。丰东灌区是一座蓄引并举，库渠结合的多水源大型灌区，设计灌溉面积52.33×104亩，工程等别为Ⅱ等。灌区渠首工程为火焰山节制闸枢纽，其中火焰山节制闸设计过闸流量Q=987m3/s，现状上游河道宽约106m，左岸连接渠顶高程约29.1～30.0m，右岸为火焰山。按照SL 265—2016《水闸设计规范》规定，火焰山节制闸按3级建筑物设计。除险加固工程维持水闸原有规模不变，正常蓄水位27.80m，设计洪水位29.09m，校核洪水位29.54m。

2 工程现存主要问题

火焰山节制闸枢纽工程建于1971年，位于丰城市荣塘镇火焰山脚下，距丰城市城区约30km。工程任务主要是拦截丰水河河水，抬高闸前水位，引丰水通过万米渡槽、胜利节制闸为低线干渠和万米干渠提供灌溉用水。水闸现状过流能力不足，汛期阻水严重。经过几十年运行，闸门锈蚀，闸门和闸墩之间止水不严，漏水严重[1- 2]。闸门为平板闸门，无启闭设备，无法开启。闸墩和人行便桥混凝土都已老化、开裂、露筋、剥落，危及闸室安全[3]。水闸下游无任何消能防冲设施，下游左岸冲毁较严重，形成冲坑深达2～3m，危及闸室的稳定[4]。进入闸址交通困难，现只能通过渡槽顶进入，渡槽顶宽不足1m。泄洪建筑物现存典型问题，如图1所示。

图1 火焰山节制闸现存典型问题

根据现状水闸的结构布置，火焰山节制闸泄洪能力复核采用开敞式平板闸按堰流公式进行计算[5]，结果表明：下游校核洪水位(P=2%)为29.37m，相应下泄流量为987m3/s，现状水闸最大过流能力为584m3/s；下游设计洪水位(P=5%)为28.88m，相应下泄流量为610m3/s，而现状水闸最大过流能力为397m3/s。水闸各级频率洪水上下游水位差较大，现状水闸泄流能力严重不足，水流条件差，需加大行洪断面，恢复水闸正常的灌溉和防洪功能[6]。

3 火焰山节制闸拆除重建设计

3.1 拆除重建方案优化比选

根据现状火焰山节制闸过流能力不足，泄水净宽不够，水流条件差等情况[7]，结合现状地形，在原闸址上游约60m垂直水流方向，采用闸坝结合型式对原闸进行拆除重建。综合考虑各方面因素，设计2个方案进行比选，即节制闸段布置左岸和节制闸布置右岸方案。

方案一：闸坝结合，节制闸左岸布置

节制闸段位于原火焰山节制闸上游60m处，垂直左岸布置。节制闸采用开敞式平底闸，设检修、工作闸门各一道。闸室段长10.0m，闸墩顶高程为30.50m。溢流坝段紧贴节制闸布置，坝体全长50m，坝体溢流表面采用WES曲线面。节制闸及溢流坝下游设消力池，混凝土导墙分隔，分区消能，消力池底板靠下游侧每2m设一排水孔。

方案二：闸坝结合，节制闸右岸布置

节制闸段除布置在右岸外，布置地点、节制闸及溢流坝结构形式等与方案一相同。

经分析，上述两方案均可以满足控制调节上游正常蓄水位、泄洪等要求。两种方案在地形、工程布置、工程投资等方面相当。从工程运行管理角度，方案一节制闸段布置在左岸，可直接进闸，要明显优于方案二。设计优选方案一，即闸坝结合，节制闸左岸布置方案。

3.2 节制闸布置

火焰山节制闸泄洪建筑物由节制闸及溢流坝组成。该闸上游校核洪水位(P=2%)为29.54m，下游为29.37m，相应最大下泄流量987m3/s；上游设计洪水位(P=5%)为29.09m，下游为28.88m，相应最大下泄流量763m3/s；正常蓄水位27.80m。

(1)闸底板高程确定

节制闸主要功能是抬高上游丰水河水位，为低线、万米干渠提供灌溉水量。现状水闸底板高程为25.80m。经复核、计算，确定节制闸底板高程为25.00m。

(2)结构布置

节制闸段位于河道左侧，紧靠左岸布置。闸轴线长54.0m，设5孔，每孔净宽9.0m。闸室泄流总净宽45.0m，顺水流长10.0m。采用开敞式平底闸，闸底板高程25.00m，为整体式C20混凝土底板，厚1.5m。闸左、右侧每两孔为一联，中间一孔为一联，共三联，闸墩长10.0m，闸段间设伸缩缝，缝宽2cm，缝间采用紫铜片止水。闸墩顶高程30.50m，边墩厚1.0m，中墩厚1.5m，缝墩厚1.0m，为C20混凝土。每孔设检修、工作闸门各一道，其中检修门为5孔共用，检修、工作闸门均采用平面钢闸门，工作闸门采用QP- 2×160kN卷扬式启闭机，检修闸门采用2×100kN电动葫芦启闭机。闸门正常蓄水位27.80m，顶高程28.30m，超正常蓄水位开启闸门泄流。闸墩顶设交通桥、启闭排架及闸房，闸房长×宽为4.5m×55m，交通桥宽2.6m，桥顶高程与闸顶高程均为30.50m。

溢流坝段位于河道右侧，紧靠节制闸段布置，坝体全长50.0m。坝顶高程27.80m，坝底高程23.80m，坝高4.0m，底宽6.0m。坝体溢流表面采用WES曲线面，顶设2m宽人行便桥，人行桥桥面高程30.50m。水闸上游设置混凝土护坦，底板高程为25.0m，长10.0m，厚40cm，为C20混凝土，下设0.10m厚砂卵石垫层。节制闸及溢流坝下游设消力池，混凝土导墙分隔，分区消能，节制闸段消力池长15m，溢流坝段消力池长10m，底板高程分别为24.0m、24.5m，消力池后没消力坎，坎高分别为1.0m、0.5m，消力池底板靠下游侧每2m设一排水孔。

4 节制闸设计计算

4.1 泄流能力分析

火焰山节制闸重建工程设计为闸坝结合形式，其中节制闸段垂直水流方向靠左岸布置，为5孔开敞式水闸，单孔净宽9m。溢流坝段紧贴节制闸布置，坝体全长50m。坝顶高程27.8m，底宽6.0m，坝体溢流表面采用WES曲线面。按SL 265—2016中堰流公式对重建的节值闸泄流能力进行复核[8]，计算成果见表1。

从表1可知：水闸校核洪水位(P=2%)为29.54m(相应下游水位29.37m，上下游水位差0.17m)，相应最大下泄流量987m3/s；设计洪水位(P=5%)为29.09m(相应下游水位28.88m，上下游水位差0.21m)，相应节制闸最大下泄流量763m3/s。与现状水闸泄流规模相比，拆除重建后水闸上下游水位差已减小较多，重建后节制闸的泄流规模与工程实际匹配，规模适当。

表1 节制闸泄流能力分析成果

表2 节制闸闸顶高程计算成果

表3 节制闸段闸室(溢流坝)稳定计算成果表

4.2 闸顶高程确定

火焰山节制闸重建工程正常蓄水位为27.80m，设计洪水位(p=5%)为29.09m，校核洪水位(p=2%)为29.54m。波浪要素采用莆田试验站公式计算[9]，风速Vo=15.2m/s，水域平均水深Hm=6.37m，风区长度D=530m。根据SL 265—2016《水闸设计规范》，计算得闸顶高程成果，见表2。

由表2可知，校核洪水条件下，节制闸闸顶高程为30.04m。结合现场实际地形，考虑水闸人行桥梁高度，取闸顶高程为30.5m。

4.3 闸室及溢流坝稳定性分析

根据节制闸结构布置、受力等条件，闸室设计计算采用一个闸门段进行计算[10]。闸室及溢流坝稳定性分析计算工况为：①完建工况：闸上、下游水位均低于闸底板高程25.0m；②正常蓄水位工况：上游水位27.80m，下游25.0m(下游无水)；③设计洪水位工况：上游设计洪水位(P=5%)为29.09m，相应下游水位28.88m；④校核洪水位工况：校核洪水位(P=2%)为29.54m，相应下游水位29.37m。按SL 265—2016推荐公式，计算得节制闸段闸室和溢流坝稳定性分析成果，见表3。

计算结果表明，各工况下节制闸段闸室和溢流坝沿建基面的抗滑稳定安全系数及地基应力均满足规范要求。地基应力均小于允许承载力[σ]=300kPa，不需对地基进行加固处理。

4.4 节制闸段及溢流坝消能计算

根据火焰山节制闸低水头、大单宽流量特点，设计采用底流消能。按水闸设计规范推荐公式进行消能计算。

节制闸段消力池计算长度为13.2m，池深0.68m，设计布置中考虑出闸室后的衔接段长1m及尾坎厚1.0m，最终确定消力池段总长15.0m，池深1.0m，底板厚度1.0m。

溢流坝在各种洪水流量情况下，下游水深均远比跃后水深大，满足产生淹没水跃的条件。消能防冲设计流量(P=5%)763m3/s时，消力池最大长度为8.86m。最终确定下游消力池护坦长度10.0m，底板厚度0.70m。同时，为增强小流量情况防冲效果，在护坦尾端设深0.5m尾坎。

5 结论

火焰山节制闸是丰东灌区首部枢纽重要的拦截引水灌溉和汛期防洪工程。由于当时建设施工水平较差、设计标准偏低和管理理念滞后等因素，工程从建成运行以来防洪功能就很难得到正常发挥，加上几十年运行，泄洪闸存在混凝土严重老化、泄流能力不足、泄水净宽不满足要求、闸门严重漏水、下游无消能防冲设施和左岸冲毁等问题，急需通过除险加固改造以恢复节制闸的灌溉和防洪功能。根据水闸现状结构及泄洪能力复核结果，综合考虑枢纽构建物功能、现状地形和工程运行等条件，优选与工程实际相匹配的闸坝结合节制闸布置左岸的拆除重建方案。通过在原火焰山节制闸上游60m处垂直左岸布置节制闸重建工程的实施，可以有效增加水闸的挡蓄水和泄洪能力，不仅可以为灌区农业生产提供可靠、足量水资源，同时可增强节制闸自身防洪性能，减小对上游堤防的防洪压力，确保上游两岸堤防安全。