西新河综合治理工程东昌府区钢坝闸设计探讨

宋淑红

（聊城市东昌府区水利局，山东 聊城 252000）

1 工程概况

西新河综合治理工程东昌府区河段（桩号8+000 ～21+940），于东昌府区三干渠康营沿东北走向至本次工程治理段末端凤凰路桥，长度共13.94 km，河道边坡1∶2；河道比降1/8000～1/10000；主槽糙率 0.025，河道底宽为 13 m～15 m，工程新建钢坝闸3 座，分别为聊张路钢坝闸、任堤口钢坝闸、申李钢坝闸。

东昌府区是聊城市市辖区，区内西新河位于最早开挖于1949 年，承载着东昌府区西新河流域的排涝任务，境内长度27.4 km，流域面积232.45 km2。自2010 年之后未进行过彻底的治理，现状河道河道淤积严重，建筑物年久失修、老化破损严重，严重滞后于两岸经济社会的发展和防洪排涝需求，制约该流域国民经济的发展。

自三干渠、聊张路及以下，至申李海拔落差约1.5 m，东昌府区境内无节制闸。西新河作为东昌府区道口铺镇主要的蓄水河道，由于缺少节制闸，过境河水无法滞蓄，全部流向下游，河道内存水量很小，将无法实行分级提水，造成沿线村庄约5000 亩地无法灌溉，申庄、李庄、老李庄、北高庄约4000 亩地得不到灌溉。同样，位于上游的侯营镇西新河沿岸有村庄3 个，两万余亩地的农业用水都需从西新河引水，由于缺少拦蓄水建筑物，无法正常引水，沿岸两万余亩地灌溉得不到保障，故节制闸的建设刻不容缓。

2 节制闸的设计分析

西新河治理段防洪流量67.4 m3/s～162.55 m3/s，排涝流量41 m3/s～95.85 m3/s。根据《山东省海河流域防洪规划》，东昌府区西新河治理起始水位仍然采用原设计值，即治理段起始端处（桩号 8+000）“61 年雨型”防洪水位 34.55 m，“64 年雨型”排涝水位33.49 m，治理段末端处（桩号21+940）“61 年雨型”防洪水位33.6 m，“64 年雨型”排涝水位为31.74 m。

聊张路节制闸（10+172）河段地面高程为33.2 m,河底宽度为13 m，河水流量为41 m3/s，正常蓄水位33.82 m，闸底高程30.22 m。

任堤口节制闸（18+385）河段地面高程为32.8 m，河底宽度为15 m，河水流量为52.5 m3/s，正常蓄水位32.79 m，闸底高程28.99 m。

申李节制闸（22+593）河段地面高程为32.16 m，河底宽度为16 m，河水流量为52.5 m3/s，正常蓄水位31.77 m，闸底高程28.47 m。

2.1 节制闸型式的确定

三座钢坝闸结构形式相同，以任堤口钢坝闸为代表。

普通水闸和钢坝闸都是具有挡水、泄水双重作用的低水头水工建筑物、采取何种形式的结构，关系到投资、运行、管理、美观及使用寿命等诸多方面，需要进行详细的方案比选。以任堤口闸为代表进行方案比选，投资比较详见表，比选过程见表1。

普通节制闸相较于钢坝闸在施工、运用、管理方面都具有较为成熟的理论和经验，工程投资比较省，且结构受力明确、清楚，但是因排架、机架桥和机房高度大，不利于结构抗震，难以设计出较好的造型，影响美感。

钢坝闸为新型产品，在技术上有创新，相较于传统的普通节制闸，设计结构中无中墩，水头损失更小，过闸水流更顺畅，闸顶溢流，有瀑布效果，且对下游冲击小，省去排架、机架桥及机房等结构，结构简单，外形美观，闸门及启闭设备均位于地下，结构抗震效果好，但投资及工程管理费用较高。

经表1 比较两种方案的投资总比仅相差86.2 万元，普通节制闸较为节省；从水头损失、河道后期运行、美观度、占地面积、抗震效果上比较，钢闸坝均优于普通节制闸。新西河东昌府区建设节制闸的主要任务滞蓄过境河水，实现分级提水，满足沿岸灌溉和生态景观的要求，控制河水流速保证河道不冲不淤积，恢复提高河道生态景观。根据节制闸的挡水深度、过流条件，综合考虑实用、安全、经济、美观等因素，虽然钢闸坝成本更高，但是同时能够满足东昌府区的综合发展需求，故确定选用钢闸坝。

2.2 钢闸坝的具体布置

任堤口钢坝闸工程（平面图见图1），工程全长59 m，由上游连接段22 m，闸室段10 m 和下游连接段27 m 三部分组成。

上游连接段长22 m，包括上游铺盖、上游护底、上游翼墙和上游护坡等部分。上游铺盖长度12 m，厚度0.4 m，采用C25钢筋混凝土结构。上游护底长10 m，厚0.25 m，采用M10 浆砌块石结构，下铺50 mm 厚M10 水泥砂浆及150 g/0.3 mm150 g复合土工膜；上游翼墙采用C25 钢筋混凝土悬臂挡土墙结构；上游护坡为M10 浆砌块石结构，厚度0.25 m，护坡下铺设50 mm厚M10 水泥砂浆及150 g/0.3 mm150 g 复合土工膜。

闸室段顺水流向长10 m，垂直水流向总宽度23 m，采用整体式钢筋混凝土结构，闸底板厚度1 m。共设1 孔15 m×3.4 m钢坝闸门，采用2 台630 kN液压启闭机，启闭机单机功率11 kW。另设控制室1 间，值班室一间，均采用砖混结构，建筑面积均为16.21 m2。

下游连接段长27 m，包括下游护底、防冲槽、下游翼墙、下游护坡等部分。下游护底包括M10 浆砌块石护底和干砌块石护底，浆砌块石护底长度12 m，厚度0.25 m，下铺M10 水泥砂浆厚50 mm；干砌块石护底长度10 m，厚度0.3 m；防冲槽长度5 m，深度1 m，防冲槽内抛乱石；下游翼墙采用C25 钢筋混凝土悬臂挡土墙结构，下游护坡采用M10 浆砌块石结构，厚度0.25 m，护坡下铺设M10 水泥砂浆厚50 mm。

2.3 水力计算

闸孔宽度的确定：

闸孔宽度计算采用公式《水闸设计规范》（SL 265-2001）：

式中：μ0为淹没堰流的综合流量系数；B0为过流断面计算宽度对矩形断面即为洞宽，m；H0为上游总水头，m；hs为下游水深，m。

经计算，综合考虑安全、实用、经济与景观因素，闸孔净宽适当加大，计算成果见表2。

表2 钢坝闸闸孔净宽计算成果表

2.4 消能设计

三座节制闸均采用钢坝闸形式，闸门开启初期为闸顶溢流闸门开启后为淹没出流，水流对下游冲击小，无需专门设置下游消能，仅在闸室下游端设置消力坎，坎高0.6 m。闸室下游设置12 m 长砌石护底、10 m 长干砌块石护底及5 m 长防冲槽。

2.5 防渗排水设计

防渗长度计算采用公式《水闸设计规范》（SL 265-2001）：

式中：L 为闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；C 为渗径系数，根据土质情况和排水条件，取C＝9；ΔH 为上下游水头差，分别取最大可能值3.2 m～3.4 m。

经计算，所需防渗长度为28.8 m～30.6 m，实际闸基防渗长度均为37.5 m，满足规范要求。地基土为砂壤土，允许渗透坡降为 [J]＝0.15～0.25，实际渗透坡降为Jx＝3.4/37.5＝0.085～0.091＜[J]，满足规范规定的闸基抗渗稳定性要求。

2.6 稳定计算

2.6.1 闸室稳定计算

三座钢坝闸结构形式相同，现以任堤口钢坝闸为代表，说明闸室稳定计算情况。

（1）计算工况

①基本组合Ⅰ：完建情况，地下水位在闸底板底面以下，荷载组合为结构自重和设备自重。

②基本组合Ⅱ：正常蓄水位情况，上游为设计蓄水位，下游无水，荷载组合为结构自重、设备自重、水重、静水压力、扬压力、波浪荷载；

③基本组合Ⅲ：正常过流情况，闸门开启，荷载组合为结构自重、设备自重、水重、扬压力；

④特殊组合：地震情况，上游为设计蓄水位，下游无水，荷载组合为结构自重、设备自重、水重、静水压力、扬压力、波浪荷载、地震荷载。

（2）闸室稳定计算公式

①闸室基底应力计算采用《水闸设计规范》（SL 265-2001）第 7.3.4 条规定：

②基底应力不均匀系数计算，采用《水闸设计规范》（SL 265-2016）第 7.3.5 条规定：

式中：η 为基底应力不均匀系数：Pmax为闸室基底应力的最大值，kPa；Pmin为闸室基底应力的最小值，kPa。

③沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数计算，采用《水闸设计规范》（SL 265-2016）第 7.3.6 条规定：

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f 为闸室基底面与地基之间的摩擦系数；∑G 为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括闸底板底面上的扬压力在内），kN；∑H 为作用在闸室上的全部水平向荷载之和，kN。

（3）闸室稳定计算成果见表3。

表3 钢坝闸闸室稳定计算成果表

由表3 可知，各种计算工况下，闸室平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍，闸室基底应力的最大值与最小值之比η 不大于规范允许值[η]，沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数Kc不小于规范允许值[Kc]，均满足规范要求。

2.6.2 挡土墙稳定计算

（1）计算工况

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）荷载计算及组合章节的有关规定，拟定以下三种运行工况：

基本组合Ⅰ：施工完建情况，地下水位在挡土墙基底以下，荷载组合为墙体自重、土重、土压力；

基本组合Ⅱ：正常运行情况，墙前为西新河设计洪水位，墙后为相应地下水位，荷载组合为墙体自重、土重、水重、土压力、静水压力；

特殊组合：运行期遇地震情况，墙前为西新河设计洪水位，墙后为相应地下水位，荷载组合为墙体自重、土重、水重、土压力、静水压力、地震荷载。

（2）挡土墙稳定计算公式

挡土墙基底应力计算及抗滑稳定计算同闸室部分计算公式。

（3）回填土要求

回填土采用壤土，要求分层碾压、夯实，压实度不小于0.95，压实后等效内摩擦角不小于30°。

（4）挡土墙稳定计算成果见表4。

表4 挡土墙稳定计算成果表

由表4 可知，最大基底应力满足地基承载力要求，不均匀系数 η＜[η]，抗滑稳定安全系数 Kc＞[Kc]，均满足规范要求。

2.7 驱动装置容量计算

钢坝尺寸为10 m×3.4 m，底轴圆心位于底板以下s=0.165 m，假设坝顶溢流h=0.3 m，下游无水。

钢坝最大静水总压力：

式中：H 为钢坝最高挡水深度，约为3.4 m；Bzs为钢坝宽度，15 m；γ 为水的比重，10 kN/m3。

钢坝静水压力作用点位置：

静水压力对钢坝底轴扭矩：

单侧拐臂所需克服静水压力扭矩为：

单侧驱动装置容量：

式中：1.5 为侧止水及底止水摩擦阻力系数及动水系数；2.5 为拐臂中心回转半径，m；

按容量系列选取，单侧驱动装置容量F=630 kN，总容量为2×630=1260 kN。

3 结论

东昌府区新西河综合治理工程3 座钢闸坝总投资4384917 元。2018 年11 月完工，工程实施后，扩大了河道的过流能力和防洪能力，较少涝灾影响面积12 万亩；由本流域农作物种植面积所占比例、产量、单价等资料，工程治理后，年平均减少农业损失1740 万元。综上所述，说明东昌府区新西河综合治理工程钢闸坝的设计切实可行。