高安市谢家闸除险加固工程泄洪闸设计方案分析

张万里，胡 凯，涂超庆

(1.江苏省文天水利规划设计研究院有限公司,江苏 南京 211106；2.中交第二航务工程勘察设计院有限公司广州分公司,广东 广州 511442； 3.中国安能建设集团有限公司,湖北 武汉 430212)

谢家闸位于高安市大城镇高溪村境内，距高安市城区17 km。属赣江水系锦河支流高邮水。闸址以上控制流域面积47.20 km2，设计灌溉面积186.67 hm2，实际灌溉面积166.67 hm2，水闸最大下泄流量为282.0 m3/s，是一座中型水闸。

工程始建于1992年11月，1993年5月建成受益。工程主要由泄洪闸等组成。泄洪闸为钢筋混凝土结构，共9孔，总净宽16.35 m，高2.30 m。闸坝座落于红砂岩上，基础埋深约0.50 m，施工时未作任何基础处理，下游无消能设施，行洪时上下游河床、两岸岸坡曾多次被冲坏。

1 水闸存在的问题

工程运行20多年来，承担着高安市大城镇186.67 hm2农田灌溉用水，多次遭受洪水侵袭，水毁严重，存在以下问题：

(1)水闸泄流能力不满足规范要求，设计水位情况下即造成上游淹没，影响水闸安全运行。

(2)闸墩混凝土普遍存在剥落、蜂窝、麻面、露石，以及露筋等现象。

(3)水闸下游无消能设施。

(4)水闸左侧1孔钢闸门及其埋件锈蚀破损严重，止水失效，漏水严重。

(5)翻板钢闸门运行困难，闸门锈蚀、损毁严重，其中3孔已破损更换为木闸门。

上述表明，目前谢家闸存在诸多安全隐患，为确保工程继续发挥其良好的工程效益，及时对谢家闸进行除险加固处理是当务之急。

2 水闸拆除重建设计

根据谢家闸现状存在的问题及安全复核成果,结合运行情况,确定工程拆除重建。

2.1 除险加固方案选择及工程总体布置

2.1.1 闸型选择

现状水闸泄流总净宽16.35 m，高2.30 m。闸基座落于红砂岩上，基础埋深约0.50 m。

考虑工程实际情况，本次设计泄洪闸为开敞式宽顶堰，采用螺杆启闭直升钢闸门型式[1]。

2.1.2 闸底板高程及泄流宽度确定

(1)闸底板高程确定。闸底板高程不宜高于多年平均枯水位时的河床平均高程26.69 m。为使水闸满足防洪要求，确定闸底板高程维持现状为26.60 m，故本次设计保留现有闸底板[2]。

(2)泄流宽度确定。本次设计选取总泄流净宽15.0 m、18.0 m、21.0 m 三种泄流宽度进行比较。其中泄流宽度21.0 m采用两种型式进行比较，即泄洪闸和泄洪闸结合溢流坝(WES实用堰)两种型式。泄流能力计算方法和公式见“水闸设计”中的“水闸水力计算”。经计算三种泄流宽度(四种方案)泄流能力见表1，各方案工程投资比较见表2。

表1 各方案过闸水位差成果比较

表2 4种方案工程投资比较

备注：相同工程和次要工程未列入比较

从表1、表2可知：方案Ⅰ投资较方案Ⅱ低41.4万元，但是方案Ⅰ在设计洪水和校核洪水情况上下游水头差过大，过流能力不满足要求，方案Ⅰ不可行。方案Ⅲ与方案Ⅱ相比，在设计洪水和校核洪水情况，上下游水头差相对较低，但差别不大，方案Ⅲ投资较方案Ⅱ高出42.5万元，从经济角度首选方案Ⅱ。方案Ⅲ与方案Ⅳ比较，两种方案泄流宽度相同，校核水位情况下两种方案上下游水头差相差不大，但方案Ⅲ投资较方案Ⅳ高出18.48万元，方案Ⅳ为首选。方案Ⅳ与方案Ⅱ比较，经济方面：方案Ⅳ投资较方案Ⅱ高出24.02万；技术方面：两种方案设计洪水和校核洪水情况下过闸水位几乎相同，过流能力满足要求，两种方案均可行；运行管理方面：方案Ⅳ在上游水位29.75 m(闸门顶高程)情况下，溢流坝过流3.39 m3/s，过流能力有限，需要经常开启闸门，运行管理方面并不优于方案Ⅱ。所以综合考虑过流能力、工程造价和运行管理及安全可靠等各方面因素，本次设计推荐方案Ⅱ，即泄洪闸单孔净宽取6.0 m。

2.1.3 工程总布置

本次加固推荐采用拆除现有闸墩及边墙、保留混凝土底板，改建成3孔泄洪闸的型式，简称泄洪闸方案。泄洪闸闸型为开敞式宽顶堰，采用螺杆启闭直升钢闸门型式。

泄洪闸单孔净宽6.0 m，共3孔，过流总净宽18.0 m，均为开敞式宽顶堰，闸底板高程均为26.60 m；泄洪闸消力池坐落在基岩上，消力池底板高程25.9 m、长13.7 m、深0.7 m，底板厚0.7 m。

3 泄洪闸设计

3.1 泄洪闸总体布置

泄洪闸闸型为开敞式宽顶堰，采用螺杆启闭直升钢闸门型式。

水闸上游正常蓄水位29.45 m，水闸上游河床底高程26.60 m、下游河床底高程26.60 m。

水闸10 a一遇洪水位30.29 m，设计洪水位(5%)30.99 m，校核洪水位(2%)31.75 m，相应设计洪峰流量、校核洪峰流量分别为164.0 m3/s、217.0 m3/s、282.0 m3/s，闸下游水位为30.16 m、30.81 m、31.52 m。

3.2 泄洪闸水力计算

3.2.1 泄洪闸过流能力计算

根据水闸运行管理实际情况、类似工程经验，本次设计泄流能力计算需对以下几种工况进行泄流能力计算。工况 1：闸门全开时泄流曲线计算；工况2：单孔泄水闸闸门全开泄流曲线计算；工况 3：闸门局部开启时泄流曲线计算[3]。水闸下游水位流量关系见表3。

表3 水闸下游水位流量关系曲线

工况1水位流量关系曲线见表4。由表4得，闸上游10 a一遇洪水位、设计洪水位(5%)、校核洪水位(2%)分别为30.29 m、30.99 m、31.75 m，相应下泄流量为164.0 m3/s、217.0 m3/s、282.0 m3/s，相应闸下游水位为30.16 m、30.81 m、31.52 m，过闸水位差为0.13 m、0.18 m、0.23 m。

考虑仅单孔或少数孔全开泄流工况仅为消能计算服务，本次设计仅对单孔全开泄流的情况进行计算，其水位流量关系曲线计算结果见表5。

考虑到闸门局部开启工况仅为消能计算服务，本次设计仅对正常蓄水位3孔全局部开启和仅1孔局部开启的情况进行计算，其水位流量关系曲线计算结果见表6。

表4 闸门全开时水位流量关系曲线(工况1)

表5 单孔泄水闸闸门全开时水位流量关系曲线(工况2)

表6 正常蓄水位闸门局部开启时水位流量关系曲线(工况3)

3.2.2 泄洪闸消能工计算

根据类似工程经验及本工程的实际工况，本消能工采用消力池型式[4]；消能设计采用20 a一遇洪水，设计流量217.0 m3/s。为便于水闸在各种工况下均保证在池内发生淹没水跃，本次设计对每种工况均进行计算；为尽量减小消力池尺寸，单孔或少数孔开启时考虑水流的扩散影响；为减小消力池工程量，本处不考虑闸门开启过程中非稳定泄流工况消能，故要求闸门宜及时开启，但速度不宜过快[5]。

消能工计算结果见表7。

表7 泄洪闸消能计算 m

根据以上计算结果，工况1校核水位31.75 m，消力池池长最大为13.70 m；工况3上游水位29.45 m，闸门开度0.26时，池深最大为0.62 m；工况2上游水位29.75 m，底板最大厚度0.69 m；所以综合考虑泄洪闸消力池长度取13.70 m、池深取0.70 m，底板厚度取0.70 m。

由计算得所需海漫长度为37.91 m，但考虑消力池末端基岩出露，本次设计不设海漫。

本次设计消力池坐落在弱风化红砂岩上，消力池设φ100PVC排水管，呈梅花形布置，排距和孔距均为2.0 m，管底接排水口，排水孔深入基岩2.0 m。

4 结 语

谢家闸经过本次除险加固设计之后，其泄洪能力得到了一定的提升，水闸按20 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核，泄流能力满足相关规范要求。通过分析水闸存在的主要问题，结合工程实际，制定科学合理的除险加固设计方案，消除险情，延长水闸使用寿命。谢家闸除险加固设计方案对于同类型的病险水闸除险加固工程亦有一定的参考价值。