改建节制分水闸的设计实践

王宝帅

（开封市汴龙勘察设计中心）

1 工程概况

开封市东郊沟上游生态补水工程补水路线为总干渠-东干渠-铁牛支渠，铁牛支渠自东干渠11+937处右岸引水。铁牛支渠通过铁牛支渠进水闸引水，流经谢庄南、铁牛村，于兴隆屯转向东汇入东郊沟。

根据现场勘查结果，铁牛支渠进水闸闸底板高程73.46 m，根据渠道设计要素，按明渠均匀流公式计算得出进口水深为0.89 m，本次设计引水水位2.15 m，不能满足引水要求。蔡坟节制闸位于铁牛支渠进水闸下游10 m 处，本次计划利用蔡坟节制闸壅高水位，达到铁牛支渠的引水设计水位74.35 m。为满足东郊沟的生态用水要求，计划从铁牛支渠向东郊沟引水，设计引水流量1.50 m3/s。

2 改建节制分水闸设计

2.1 水闸超高及闸墩高度计算

按照《水闸设计规范》（SL265-2001），水闸闸顶高程根据挡水和泄水两种运用情况确定。本工程为Ⅲ等中型工程，根据规范，水闸闸顶高程应根据泄水工况（设计水位）、泄水工况（校核水位）2 种运用情况确定。泄水时，闸顶高程不应低于水闸计算水位（h0）+高出波浪中心线的高度（hP）+波浪中心线超出计算水位的高度（hZ）+安全加高（A）计算。安全超高取值，设计洪水位时0.70 m，校核洪水位时0.50 m。

本次计算在设计水位、校核水位条件下计算改建闸墩高度。波浪计算高度根据《水闸设计规范》（SL265-2001）的规定，波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田公式进行计算：

式（1）、（2）、（3）中：hm—平均波高（m）；Tm—平均波周期（s）；Lm—平均波长（m）；V0—计算风速（m/s）；D—风区长度（m）；Hm—水域平均水深（m）；g—重力加速度，取9.81 m/s2。

根据《水闸设计规范》的规定，3级建筑物采用累积频率为5%的爬高值。计算参数及结果详见表1。

表1 改建节制分水闸超高计算表

根据以上计算结果，铁牛支渠改建节制分水闸计算闸墩高度为2.78 m，上游渠道高度为3.00 m，确定铁牛支渠改建节制分水闸闸墩高度为3.00 m。

2.2 水闸过流计算

本工程改建的13+750五零节制分水闸闸室为钢筋混凝土开敞式结构，过流采用堰流计算公式，具体为：

式（4）、（5）中：B0—闸孔总净宽（m）；Q—过闸流量（m3/s）；H0—计入行进流速水头的堰上水深（m）；σ—堰流淹没系数；g—重力加速度，可采用9.81（m3/s）；ε—堰流侧收缩系数：m—流量系数；hs—由堰顶算起的下游水深（m）。水闸过流计算成果见表2。

表2 改建节制分水闸过流计算表

2.3 水闸渗流稳定计算

铁牛支渠改建总闸上游水深2.05 m，水位为74.72 m，闸门完全关闭时下游水位为74.69 m。采用勃莱法初估地下轮廓线长：

式（6）中：C—渗径系数，闸基为粉砂地基，查《水闸设计规范》得渗径系数C=13； H—上下游水头差，上下游最大水位差ΔH=2.05 m。

按勃莱法计算实际地下轮廓总长度为L=70 m；L实＞C H=2.05×13=26.65 m。故闸前铺盖及闸底板长度均满足防渗要求。

2.4 闸室基底应力计算

闸底板基础为低液限粘土，地质建议地基允许承载力80 kN/m2，为软弱土基，其基本荷载组合时允许应力比取值为1.50，特殊荷载组合时允许应力比取值为2.00。工况分为设计洪水位情况、校核洪水位情况2种情况下的地基反力计算。结构采用整体式闸室结构。

表3 闸室基底应力计算表

由计算可知，各水闸基底应力小于地基允许承载力，应力比小于规范要求，但闸室基础下有1.00 m 厚淤泥质土，本次设计将淤泥质土完全挖除，换填砂砾石垫层。

2.5 抗滑稳定计算

表层滑动与深层滑动判别临界垂直压应PKP。

式（9）中：A—系数，变化于1.75～4.00 之间，取2.5。γ’—地基土的浮容重，为9.30 kN/m3；B—底板顺水流方向的宽度（m）；ф—地基土的内摩擦角度；C—地基土的单位粘聚力度。

若Pmax>PKP，需要进一步进行深层滑动分析；若Pmax

式（10）中：A—与地基接触面积（m2）； H—为全部水平向荷载（kN）； G—为全部竖直向荷载（kN）。经计算，各闸不会发生深层滑动，仅计算表层滑动，计算结果见表4。

由地基土质为低液限粘土，水闸级别3级，查《水闸设计规范》SL265-2001 其基本荷载组合时抗滑稳定安全系数允许值为1.25，校核水位荷载组合时允许值为1.10，地震情况时允许值为1.05。计算结果各工况抗滑稳定系数均大于允许值，满足规范要求。

表4 闸基抗滑稳定计算表

3 结论

东郊沟河位于开封市东区核心范围内，现状河道存在水资源匮乏、水生态系统退化、与开封新区发展定位不匹配等问题，严重制约了城市的发展。东干渠与东郊沟通过铁牛支渠连通后，能够促进水资源循环，引进生态用水。铁牛支渠通过铁牛支渠进水闸引水，流经谢庄南、铁牛村、于兴隆屯转向东汇入东郊沟沟通水系，生态引水，能有效控制河道污染，改善东郊沟水环境状况；构建良性循环的水生态系统，恢复水体的自净能力，维持河道的健康生命，建设水生态文明，提高城市品位。