德州市朱家河节制闸设计及复核计算

王吉永

（德州市陵城区水利建筑安装工程公司机械分公司，山东 德州 253500）

1 工程概况

德州市陵城区位于山东省西北部，属黄河下游冲积平原。据《德州市统计年鉴-2016》，陵城区下辖10个镇，1个乡。全区总人口57.54万人，其中农业人口48万人，农村劳动力26.43万人。总辖区面积181.95万亩，总耕地120万亩。

朱家河源于陵城区老马颊河桥头孙引水涵闸，过杨顶公路桥后，东北折向经董堂北、程家南于盐头吕东北入宁津县境，经小店北，至解家以东复入陵城区境内，至相庄东北折向东南至大苏家向东入乐陵城区境内，于东、西郭桥入马颊河。干流全长37.3 km，流域面积 585.2 km2。

朱家河陵城区治理段（桩号6+032～13+870、桩号21+770～23+870）长 9.94 km，其中桩号 6+032～13+870于鲍庄村东南沿西南—东北走向至盐头吕村北陵城宁津县界，桩号21+770～23+870于宁津—陵城区县界大致沿东西走向至本次工程治理段末端张杨庄。

2 节制闸设计

2.1 节制闸结构型式设计

节制闸主要由进水渠、管身段、闸室段、消力池、出水渠等组成[1]。

（1）进水渠及管身段

进水渠及管身段浆砌石护砌段长10 m，两岸坡比1∶3，在底部设置0.4 m厚砼垫层，紧接长10 m的C30砼连接段，其底部宽由9.5 m渐变至9.0 m，底高程12.0 m。砌石结构下均设厚0.10 m的碎石垫层，钢筋砼结构下均设厚0.10 m的C10砼垫层。

（2）闸室

闸室为整体式钢筋砼底板结构，平底宽顶堰，共2孔，每孔净宽4 m，闸门高3.0 m。闸室纵向长为7.0 m，横向宽为10.6 m，闸室上部设机架桥和启闭机房等。

工作闸门采用铸铁闸门，闸门高3.0 m。启闭机采用螺杆式启闭机。在闸室上游侧设工作桥，桥面板总宽1.0 m，两侧设栏杆。

闸底板、闸墩混凝土强度等级C30，抗渗等级采用W4，抗冻等级F150。

（3）下游段

下游段包括消力池、海漫以及防冲槽。用1∶4的斜坡将闸室与消力池相连接，消力池长12.0 m，0.8 m深，底板厚为0.4 m的C30钢筋砼结构；海漫长度为15 m，砌筑为厚度0.3 m的M10浆砌石，后面设计长为5.0 m的抛乱石防冲槽，并在乱石下垫设土工布。

2.2 节制闸水力设计

（1）水力计算

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016），采用以下公式计算对节制闸的过流能力：

式中：Q为过闸流量，m3/s；μ0为流量系数；H0为堰上水头，m；hs为下游水深（由堰顶算起），m；B0为闸孔总净宽，m。

按照《水闸设计规范》要求，水闸过闸的上下游水位差范围为0.1 m～0.3 m，综合考虑河流实际情况，本次计算上、下游水位差选定为0.15 m。具体计算见表1，拟定闸孔满足过流要求。

表1 节制闸过流能力复核成果表

（2）消能防冲设计

节制闸上下游水位差很小的时候，冲刷影响不大；但是在运行过程中，有时根据灌溉或防洪要求需要开启闸门，这时候上下游水位差就比较大，下游河道的冲刷情况就比较严重。

为满足要求，本次消能计算过程中，选用最不利的情况进行计算：下游水深较浅，闸门按控制要求开启至要求开度，闸前渠道为最大挡水位，先设定单宽流量及梯度，然后计算下游水深，再计算多种单宽流量下消力池的深度、长度以及海漫长度，并选取最大值作为设计值，消力池断面简图见图1。

图1 消力池断面简图

1）消力池深度

收缩水深可按下式计算：

式中：hc为收缩水深，m；T0为总势能，m；q为过闸单宽流量，m3/(s·m)；a为水流动能校正系数，取a=1.0；φ为流速系数，取φ=0.95。

跃后水深可按下式计算：

出池落差可按下式计算：

式中：ΔZ为出池落差，m；hs′为出池河床水深，m。

消力池深度可按下式计算：

式中：σ0为水跃淹没系数，采用1.05。

2）消力池长度

水跃长度可按下式计算：

式中：Lj为水跃长度，m。

消力池长度可按下式计算：

式中：Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段投影长度，m；β为水跃长度校正系数，m。

3）消力池底板厚度计算

根据工程经验及规范要求，底板厚度设定为0.50 m。

4）海漫长度

式中：Lp为海漫长度，m；q′为消力池末端单宽流量，m3/（s·m）;Ks为海漫长度计算系数。

考虑防洪和排涝要求，计算流量按《水利学》淹没宽顶堰流公式：

式中：Q为过闸流量，m3/s；ε为侧收缩系数，0.981；ψ为流量系数，0.85；b为闸孔净宽，6 m；g=9.81 m2/s；z为上下游水头差，m；h为闸下水深，m。

5）冲刷深计算

采用规范公式：

式中：q"为海漫末端单宽流量，m2/s；[V0]为河床不冲流速，取0.8 m/s；hs"为海漫末端河床水深，m。

水力设计结果见表2。

表2 节制闸消能计算成果表

3 节制闸复核计算

（1）计算要求

按《水闸设计规范》（SL 265-2016）的要求，闸室稳定应满足下列要求：

①各种计算情况下要求闸室平均基底压力不大于地基容许承载力；

②基底压力的最大值与最小值之比不大于规定的容许值，最大地基应力不超过地基允许应力的1.2倍；

③抗滑稳定安全系数大于规定的容许值。

（2）计算工况及荷载组合（见表3）

表3 节制闸闸室稳定计算荷载组合表

（3）稳定应力计算

抗滑稳定复核采用抗剪强度计算公式计算：

式中：K为抗滑稳定安全系数（基本组合≥1.25，特殊组合≥1.10）；f为砼与闸基面接触面的抗剪摩擦系数，f=0.4；∑G为作用在闸上全部坚向荷载，包括扬压力作用，kN；∑P为作用在闸上全部水平向荷载，kN。

基底应力计算公式采用以下公式计算：

地基应力不均匀系数η按下式计算：

节制闸闸抗滑稳定及地基应力计算成果见表4。

表4 节制闸闸室稳定计算成果表

由表4中计算结果可知，节制闸底板抗滑安全系数计算值在正常运行和地震两种工况下均大于允许值1.2，节制闸满足抗滑稳定要求；地基应力不均匀系数计算值在完建工况、正常运行和地震工况三种工况下都小于允许值，节制闸基底应力均满足规范要求。

4 结论

本文对德州市节制闸进行设计分析，并且对所设计的节制闸进行复核计算。结果表明，该节制闸抗滑稳定和基地应力均满足规范要求，可保证节制闸建成后安全运行，促进德州市构筑更加完善的排涝防洪体系，也可确保区域内农田灌溉，减轻区域的洪涝威胁，维护区域社会安定和工农业生产的正常发展，促进经济社会和谐健康发展。