梅山灌区水闸重建工程设计方案

2020-06-22刘照

河南水利与南水北调 2020年5期

刘照

（河南方正水利工程咨询有限公司）

1 灌区基本概况

梅山灌区始建于1958年，1970年全部建成，现有黎集渠首枢纽1 处，由溢流坝（坝长132.00 m），冲砂闸（2 孔，最大泄量240.00 m3/s）、总干进水闸（4 孔，设计引水流量57.40 m3/s）三部分组成。其中总干、干渠、分干6条，长243.00 km，渠系建筑物820座；电灌站6座，设计装机容量为1.42×103kw；支渠31条长225.30 km，各类建筑物553座；斗渠600条长977.10 km，小灌区及提灌区渠道总长175.35 km，各类建筑物206 座。干支渠输水工程布局合理，在历年抗旱中均发挥了重大的作用。

2 灌区目前存在的主要问题

目前梅山灌区存在的主要问题：一是原工程设计标准低，施工质量差，梅山灌区始建于20 世纪五十年代，其设计、施工粗放，多为边设计、边施工，遗留问题多，标准低，质量差。干渠切岗段、填方段常发生滑坡淤塞及渗漏。二是灌区工程已运行40多年，自然老化损坏严重，占工程的35.00%；三是资金短缺，工程年久失修，水毁工程修复难度较大，相当数量病险建筑物严重制约着灌区灌溉、除涝工程的正常运行；四是工程配套程度低，尤其是斗渠以下工程配套更差；五是缺乏科学管理办法，存在着不同程度的“重建轻管”；六是供水时间与作物需水时间矛盾突出，作物用水高峰期供水量少，水稻晒田期间径流量大，部分农民灌溉观念陈旧，加之水源不足，养成了灌水宁多不少，宁深不浅的习惯；灌区的水费征收大体经过按亩计征，按方计征，及按亩加水量计征三个阶段，因水费很低仅能维持灌区内的正常工作，灌区自我维持能力不足。

3 进水闸、节制闸重建工程设计方案

梅山灌区进水闸、节制闸重建工程涉及东干，西干，中干，东干一支，中干二支、八支、九支、十支，中分干四支、五支、六支，南干新一支、三支、六支，共计3 条干渠11 条支渠，进水闸12 座；节制闸35 座。这批工程设施建于20 世纪70 年代，工程简陋，质量差，标准低，加之通过几十年的频繁运用，现已老化严重，启闭设施已报废，每逢灌溉时节水位调节无法保证，有时为了灌溉，群众采用木杠加稻草捆堵截，操作难度相当大，无法重复利用且不安全。为了切实解决这些突出问题保证灌区灌溉，必须对这批工程进行重建。现以东干渠吴小庙节制闸为例进行工程设计：

东干渠吴小庙节制闸落在东干渠桩号26+680 处，设计流量为10.10 m3/s，双闸孔，闸门尺寸为2.00 m×3.40 m（宽×高）。

3.1 闸孔净宽计算

根据《水闸设计规范》SL265-2001，总净宽按下式计算：

节制闸过流能力按H0-hs=0.10 m 控制。将有关数据代入上式得B0=3.97 m，考虑到结构布置取4.00 m。根据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99 要求，确定该闸设2 孔，单孔净宽2.00 m，采用C25钢筋混凝土闸墩。

3.2 消能计算

3.2.1 消力池深度

根据《水闸设计规范》（SL265—2001）附录B公式计算：

式中：d—消力池深度（m）；σ0—水跃淹没系数，可采用1.05～1.10；h＂c—跃后水深（m）；hc—收缩水深（m）；α—水流动能校正系数，可采用1.00～1.05；q—过闸单宽流量（m2/s）；b1—消力池首端宽度（m）；b2—消力池末端宽度（m）；T0—由消力池底板顶面算起的总势能（m）；Δz—出池落差（m）；h's—出池河床水深（m）。

经过试算，不需要设消力池，为安全选定消力池深度为0.50 m。

3.2.2 消力池长度

水跃长度Lj=6.9（h＂c-hc）=5.7m

消力池长度Lsj=Ls+βLj=4.5m

选定消力池总长度取10.00 m。

3.2.3 海漫长度

式中Lp—海漫长度（m）；qs—消力池末端单宽流量（m2/s），经计算为2.02 m2/s；Ks—海漫长度计算系数，Ks取9；ΔH'—上、下游水头差，代入上式得Lp=7.20 m确定海漫采用浆砌块石护砌长15 m。

3.2.4 闸室稳定验算

3.2.4.1 闸室基底应力计算公式

A—底板底面面积（m2）；∑M—作用于闸室的全部荷载对底板底面垂直于水流方向的形心轴的力矩之和（kN·m）；W—底板底面对底板底面垂直于水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

3.2.4.2 基底应力分布不均匀系数计算公式

式中字母含义同上。

3.2.4.3 闸室沿基面的抗滑稳定计算公式

式中：Kc—抗滑稳定安全系数；f—闸基底面与地基之间的摩擦系数；∑H—作用于闸室上的全部水平向荷载之和（kN）。

由计算成果可知：闸室抗滑稳定安全系数和地基应力不均匀系数均满足《水闸设计规范》（SL265-2001）要求。地基应力小于该层地基承载力。

3.3 结构设计

进口段为10 m 长的M7.5 浆砌石扭曲面，护底为厚0.40 m C20混凝土；闸室段长6.50 m，两孔结构，单孔净宽2.00 m，中墩厚1.00 m，为M7.5浆砌石，底板厚0.80 m，为C25钢筋混凝土结构；闸室上部为排架和闸房，闸门采用铸铁闸门，配套QLSD—8t启闭机1台，闸室后设一生产桥，桥宽3.00 m，桥板厚0.16 m，两侧为M7.5 浆砌石边墙；桥后接长10.00 m 消力池段，池深为0.50m，边墙为重力式M7.5 浆砌石挡土墙，底部为厚0.50 m 的C20 混凝土；海漫段长15.00 m，为M7.5 浆砌石扭曲面结构；护底厚0.40 m，出口护坡厚0.40 m，坡度1：2，所有沉降缝内均填塞闭孔泡沫板，闸室与陡坡段墩墙、底板交界处设“652”橡胶止水。

4 退水闸、跌水闸重建工程设计方案

梅山灌区退水闸、跌水闸重建工程涉及东干、独山堰干渠、东干一支、中干八支、九支、十支、南干渠新一支、三支、六支，共计二条干渠七条支渠，退水闸11座；跌水闸13座，这批工程设施建于20世纪70年代，工程简陋，质量差，标准低，加之通过几十年的频繁运用，现已老化严重、闸房漏雨、门窗破损、启闭机梁裂缝、闸门启闭机老化等问题。

为确保东干渠正常运行引龙退水闸急需重建。引龙退水闸座落在桩号21+936，设计流量为8.00 m3/s。

计算情况如下：

4.1 水力计算

验算过流能力

根据《水闸设计规范》SL265-2001，设计条件为宽顶堰流时，该闸应能通过设计流量8.00 m3/s。根据实际所取孔数及闸孔布置型式，按宽顶堰泄流验算该闸过流能力，取闸门宽3.00 m。

式中：σs—淹没系数，按水闸设计规范中表A..0.1—2 查得该值为0.97；ε—侧向收缩系数，取0.90；m—流量系数，取0.39；n·b=1×3.0=1.0 m；H0=1.50 m。

故所定闸的规模合适。

4.2 消能计算

4.2.1 消力池深度计算

按《水闸设计规范》（SL265-2001）附录B公式计算：

式中：d—消力池深度（m）；σ0—水跃淹没系数。采用1.10；h＂c—跃后水深（m）；hc—收缩水深（m）；α—水流动能校正系数，采用1.00；q—过闸单宽流量（m3/s），为2.67m3/s；b1—消力池首端宽度（m），取3.00 m；b2—消力池末端宽度（m），取3.00 m；T0—由消力池底板顶面算起的总势能（m），为2.87 m；Δz—出池落差（m）；h's—出池河床水深（m），为1.60 m。经过试算，选定消力池深度d为0.85 m。

4.2.2 消力池长度计算

水跃长度Lj=6.9（h＂c-hc）=8.87 m

消力池长度Lsj=Ls+βLj=8×1.02+0.7×8.87=9.27 m

选定消力池陡坡段水平投影长度取10.20 m，水平段长度取10.00 m。

4.2.3 海漫长度计算

式中Lp—海漫长度（m）；qs—消力池末端单宽流量（m3/s），经计算为2.67 m3/s；Ks—海漫长度计算系数，闸址处为粉质粘土，Ks取9；ΔH'—上、下游水头差，2.71 m。

代入上式得Lp=18.80 m。

海漫一、二段均采用浆砌块石护砌分别长12.00 m 与12.00 m。

4.3 闸室稳定验算

4.3.1 闸室基底应力计算公式

4.3.2 基底应力分布不均匀系数计算公式：

式中字母含义同上。

4.3.3 闸室沿基面的抗滑稳定计算公式：

式中：Kc—抗滑稳定安全系数；f—闸基底面与地基之间的摩擦系数；∑H—作用于闸室上的全部水平向荷载之和（kN）。

闸室稳定复核成果见表1。

表1 闸室稳定计算成果表

由计算成果可知：闸室抗滑稳定安全系数和地基应力不均匀系数均满足《水闸设计规范》（SL265-2001）要求。地基应力小于该层地基承载力。

4.4 结构设计

退水闸进口段为6.80 m长M7.5浆砌石八字墙，护底为C20混凝土，厚0.40 m。闸室段长6.00 m，宽3.00 m，高3.40m，闸墩为C20钢筋混凝土结构，底板为厚0.60 m的C20钢筋混凝土结构。闸室上部为排架和闸房，闸门采用平板钢闸门，配套LQD—（Ⅰ）—8t启闭机1台。闸室前设一交通桥，桥宽3.00 m，桥板厚0.16 m。闸后接陡坡及消力池段，陡坡段水平投影长10.20 m，消力池段长10.00 m，深为0.85 m，底部为厚0.40 m 的C20 混凝土护底。海漫两段均长12.00 m，护坡厚0.40 m，护底厚0.40 m，均为M7.5浆砌石结构重建退水闸。