沭新退水闸闸室结构方案分析

岳彬彬，徐 玮

（江苏省淮沭新河管理处,江苏 淮安 223001）

1 引言

水闸在长期使用过程中,可出现不同程度的破损,将对水闸效益的发挥产生不利影响。一般情况下,水闸承担着防洪、灌溉等重要作用[1-3]。一旦水闸失效可能造成严重的社会、经济问题,后果不可小觑。因此,针对病险水闸采取除险加固工程治理是十分重要的。合理选取闸址、闸室结构,可降低工程投资,利于后期运行期间的管护,具有十分重要的意义[4-6]。结合沭新退水闸拆建工程,对闸址方案比选以及闸室结构方案进行分析,可为类似病险水闸治理提供参考。

2 工程概况

沭新退水闸位于沭阳县,设计流量为78.00 m3/s,该闸位涵洞式结构,采用砼反拱底板、砼半圆形拱顶、浆砌块石侧墙。退水闸共设置2 孔,单孔净宽3.00 m、净高4.60 m。在长期使用过程中,该退水闸损毁较为严重,经过安全鉴定,水闸需采取除险加固处理。结合当地情况,拟采用拆除重建的方式加以处理。

3 闸室方案分析

3.1 闸址方案比选

经实地查看,沭新退水闸拆建工程考虑移址新建和原址拆建两种方案进行综合比选。若采用移址新建退水闸闸址位于桑墟水电站下约100 m处,此方案将会产生诸多不利之处,首先工程投资较大、涉及到征地拆迁等问题；另外闸移址新建后,严重影响桑墟水电站的发电效率。所以本次沭新退水闸拆建工程不考虑移址新建的方案,只考虑在原址拆建,更便于今后工程管理。

3.2 闸室结构方案比选

结合现状地形对初步拟定两种方案进行比选：

方案一：采用平底板宽顶堰结构型式。采用单孔退水闸,净宽8.0 m。闸底板面高程与原设计高程一致,均为2.00 m,设计闸室底板、边墩厚1.20 m、0.90 m。闸门选用8.06 m×5.30 m平面钢闸门,配套双吊点卷扬式启闭机。闸室结构布置图见图1。

图1 方案一闸室平面布置图

方案二：采用平底板宽顶堰结构型式,与原设计方案一致,采用两孔,单孔净宽4.00 m。闸底板面高程同原设计一致。水闸底板、中墩、边墩厚0.70 m、1.00 m、0.80 m。闸门选用2 扇4 平面钢闸门,配套2 台单吊点直联螺杆式启闭机。闸室结构布置图见图2。

图2 方案二闸室平面布置图

方案一、二均可满足退水闸的过流能力需求。且两种方案投资基本一致,方案二略高于方案一。方案需要综合考虑运行期管理、造价、施工便捷性,综合考虑,选择方案一作为推荐方案。

3.3 孔径计算

沭新退水闸孔径计算水位及流量组合见表1。

表1 沭新退水闸孔径计算水位及流量组合表

沭新退水闸采用平底板宽顶堰的结构形式,按《水闸设计规范》附录A闸孔总净宽计算公式进行孔径计算。计算公式如下：

式中：Q过闸流量（m3/s）；B0闸孔总净宽（m）,B0=8.0 m；H0堰上水深（m）,H0=5.14 m；m堰流流量系数,采用m=0.385；ε堰流侧收缩系数,ε=0.909；b0闸孔净宽（m）,b0=8.0 m；bs上游河道一半水深处的宽度（m）,bs=33.4 m；σ堰流淹没系数,σ=1.000；g重力加速度,采用9.81 m/s2。

根据上述公式,沭新退水闸孔径计算成果见表2。

表2 沭新退水闸孔径计算成果表

本次沭新退水闸拆建工程设计流量为92.70 m3/s,闸上设计排涝水位为7.10 m,闸下设计排涝水位为5.64 m。沭新退水闸原设计流量为78.00 m3/s,单宽流量q=13 m2/s；综合下游消能设施及河道河床土质等因素,按设计排涝流量92.70 m3/s（单宽流量q=11.58 m2/s）、控制闸门开度不大于4.14 m来确定沭新退水闸孔径为单孔净宽8.00 m,共1 孔,实际过闸流量约为93.00 m3/s,满足排涝标准为10 年一遇的设计要求。

3.4 防渗计算

根据沭新退水闸结构布置,闸底板顺水流向长13.50 m,底板底面高程0.80 m。上游钢筋砼不透水铺盖长12.00 m,铺盖末端下设高压旋喷桩防渗墙,底高程为-3.00 m；下游消力池前半段22.77 m长为不透水铺盖,后半段6.00 m长的透水铺盖,下设反滤层。上游护坦和闸底板底面均处于第3 层中粉质壤土层上,下游消力池水平段底板面处于第4 层粉砂层上,闸实际防渗长度为56.95 m,防渗最不利水位组合为闸上7.50 m,闸下2.00 m,最大水头差7.50 -2.00 =5.50 m,根据规范及综合确定取渗径系数为9,正向防渗L需=CΔH=5.50×9=49.50＜L实=56.95 m,防渗满足要求。

4 闸室稳定性

沭新退水闸单孔净宽8.0 m,共1 孔,底板顺水流向长13.50 m,垂直水流向宽10.00 m。计算在完建期、运行期和地震期几种工况荷载组合作用下其整体抗滑稳定安全系数、闸基应力是否满足规范要求。

（1）荷载组合

基本组合：完建期：上、下游无水；

设计工况：闸上水位7.10 m,闸下水位2.50 m；

特殊组合：校核工况：闸上水位7.50 m,闸下水位2.00 m；

地震期：闸上水位7.10 m,闸下水位2.50 m,Ⅶ度地震。

（2）地质情况

根据地勘成果,底板位于粉质壤土层上,地基允许承载力[σ]=180 kPa。

（3）主要计算参数

①允许抗滑稳定安全系数[Kc]=1.250（基本组合）；[Kc]=1.10（特殊组合Ⅰ）；[Kc]=1.05（特殊组合Ⅱ）；

②底板和基础间的摩擦系数f=0.35；

③材料（钢筋混凝土）容重γ=25.00 kN/m3。

（4）计算简图

计算简图见图3。

图3 沭新退水闸闸身稳定计算简图

（5）荷载计算

荷载包括沭新退水闸各部分自重、闸室内水重、上下游静水压力、闸底扬压力、波浪压力、地震惯性力及地震动水压力等。计算时对计算简图中底板中心点计算力矩。根据闸门位置分别计算门前、门后水重,并计算门前后静水压力。闸底扬压力包括渗透压力及浮托力,渗透压力根据《水闸设计规范》（SL 265-2001）附录C全截面直线分布法计算,浮托力由下游水位确定。仅考虑水平向地震效应,地震加速度为0.15 g。动水压力：地震动水压力合力作用在水面以下0.54Ho处,其代表值Fo按下式计算：

式中：αh设计加速度,取0.15 g；ζ地震效应折减系数,取0.25；Ho为水深；ρw为水体质量密度；。

（6）计算结果

①整体抗滑稳定

采用整体抗滑稳定安全系数公式计算：

式中：f摩擦系数；∑G全部竖向荷载,kN；∑H全部水平荷载,kN。

②闸基应力

采用《水闸设计规范》（SL 265-2001）推荐的公式计算闸基应力：

式中：A闸底面积,m2；W垂直水流方向形心轴的截面抵抗矩,m3；M垂直水流方向形心轴的力矩,kN·m。

沭新退水闸闸身计算成果见表3。

表3 沭新退水闸闸身稳定计算成果表

由表3 可知,沭新退水闸在完建期、运行期和地震期各种荷载组合作用下,闸身抗滑稳定安全系数均满足规范要求,地基反力及地基反力不均匀系数均小于允许值。

5 结论

通过方案比选沭新退水闸选择原址重建的平底板宽顶堰闸室结构（单孔）,具有投资低、不存在占地问题、运行管理方便等优势。通过计算,退水闸采用单孔8.0m的孔径可满足过水需求,采取高压旋喷桩防渗墙+防渗铺盖可保证水闸满足防渗要求。经计算,各工况下退水闸的稳定性满足要求。