苏家屯区柳沟拦河闸过流能力计算与水位校核分析

张晓琳

(沈阳顺源德工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

柳沟拦河闸所在河流为十里河支流柳沟河，闸址位于沈阳市苏家屯区柳家沟，闸址上游河道长17.64 km，闸址上游流域99.3 km2，河道平均比降1.38‰，下游5.09 km柳沟河在二十家子村附近汇入十里河，总河长22.73 km，总面积106.7 km2。闸门翼墙、闸墩及闸室底板下部为浆砌石结构，排架、启闭机梁、消力池及闸室底板表层10 cm为混凝土结构，闸门共5孔，总净宽为10.0 m。柳沟拦河闸主要功能是引水灌溉，现灌溉面积3 000亩。另外，该闸正常蓄水后，在上游河道近1.0 km范围内形成水面，不但可以为两岸3 000亩耕地提供抗旱紧急用水，还可以补给地下水，提高地下水位和河道两侧耕地的抗早能力。

水闸于1973年5月建成投入运行，至今运行40多年，前铺盖、闸底板、消力池、海漫等局部破损，闸门大都受到腐蚀、有裂缝，因受力不均启闭机的丝杠多数已发生明显变形。经现场踏勘、测量、地勘，发现存在如下问题：(1)护坡、翼墙与闸墩：水闸上下游河道均无护岸工程，河岸受水流冲刷严重，多处坍塌；翼墙局部浆砌石散落，闸墩浆砌石体有裂缝，水位变化区剥蚀较为严重。(2)闸门及启闭设备：闸门严重锈蚀，部分腐烂，已不能正常运用；闭机为单吊点手动螺杆式启闭机，经多年运行螺杆、对轴均有较大损毁；由于无启闭室及管理房，设备锈蚀风化严重，已无法正常运用。(3)交通桥：交通桥路面窄、标准低，桥面、桥墩破损严重，混凝土有裂缝、脱壳、剥落现象；此外，由于闸上交通桥为连接村内外交通的要道，经常有超重型货车强行通行，存在极大的安全隐患。(4)消能防冲与管理观测设施：消力池下有较大、较深的冲刷坑，下游海漫早己冲毁；柳沟拦河闸无管理房、观测设施，管理人员为所在地村委会村民，无专业人员管理。此外，柳沟拦河闸所在河道宽度约90 m，整个闸孤立在河道之中，缩窄河道，水流经消力池后消能不完全，水流不断冲刷河岸，导致下游河岸出现冲坑[1-4]。

经省水电工程质量检测中心现场安全检测、沈阳市水利勘测设计院复核，柳沟拦河闸安全类别评定为四类闸，该座水闸过流能力复核不满足现状要求，且多项运用指标无法达到设计标准，存在严重安全问题，已经不能正常运行。因此，本文校核研究了20 a一遇、10 a一遇柳沟拦河闸的过流能力和水位，以期为拦河闸除险加固设计提供一定参考。

2 拦河闸过流能力计算

2.1 水文资料

沟拦河闸所在柳沟河，属小型河流，暂无河道整体规划，水闸建成至今仅有几次应急性抢修，没有经过改扩建，由于缺少观测设施，无水闸沉降观测资料。柳沟河位于沈阳市苏家屯,周边是平原地区，其设计洪水与洪峰流量按平原区排水模数计算。

2.2 排涝范围

工程范围为柳沟拦河闸上游330 m至下游520 m之间，工程区长度为850 m，为方便工程描述，将上游起始位置桩号设置为0+000，下游末尾桩号设置为0+850。柳沟河为流经农村段的排涝河道，由于河道两岸为村间乡路，治理段排涝范围为村间道路围成的区域，闸址以上排涝面积共计99.3 km2，工程区排涝面积共102.3 km2。

2.3 过流能力

(2)排涝模数。由于苏家屯区市政管网建设正在逐步推进，暂时没有建成完整的市政管网系统，排水泵站启用机会较低，河道流量主要为面源汇流，采用排水模数公式进行排涝模数和排涝流量的计算，计算公式如下：

(1)

式中：M为设计排涝模数[(m3/s)/km2]；T为排涝历时(d)，文中取为1 d；R为设计径流深(mm)。

由于排涝区距离城市中心很近，土地用地性质为居住区用地，建筑稀疏，集水区的土壤特性、地表植被情况、平均坡度、流域特性因子和地形等是影响径流系数的主要因素。参考《室外排水设计规范》，城市建筑稀疏区综合径流系数基本为0.20～0.45。考虑到不同重现期的暴雨前期影响雨量不同，综合径流系数按照降雨重现期不同进行了调整。设计取20 a、10 a一遇暴雨对应的径流系数分别为0.55、0.45，排涝模数计算结果如表1。

表1 排涝模数计算表

(3)过流能力。柳沟拦河闸过流能力主要由本河段承泄区域的雨洪流量决定，河道沿途纳入市政管网雨水和漫流雨水后的过流能力计算过程如下：

由于柳沟河为平原地区的排涝河段，拦河闸过流能力仍采用平均排除法确定，即：

Qp=M×F

(2)

式中：Qp为设计过流能力(m3/s)；M为设计排涝模数[(m3/s)/km2]；F为排涝面积(km2)；过流能力计算成果如表2。

表2 河道过流能力计算成果表

本次工程区拦河闸段20 a一遇过流能力为122.88 m3/s，10 a一遇过流能力为81.46 m3/s。工程区终点20 a一遇过流能力为126.60 m3/s，10 a一遇过流能力为83.92 m3/s。过流能力计算严格分析项目区实际情况，通过对比《建筑给水排水规范》中选取的合适径流系数，故过流能力计算成果较为合理可靠，建议采用本次计算成果作为拦河闸除险加固设计依据。

3 过闸水位计算分析

3.1 基本资料

3.2 计算方法

采用能量方程式推算一般断面水面线，利用鲍氏公式计算桥壅水。其中，水流能量方程即非均匀流恒定水面曲线基本方程，其表达式如下：

(3)

K=K滩1+K滩2+K槽1+K槽2+…

(4)

桥壅水计算采用的公式如下：

(5)

(6)

vs=Q/(W过+W阻)

(7)

式中：ΔZ为桥壅水高度，m；ξ为与水流进入桥孔的阻力有关的系数，取ξ=1；v为有冲刷情况时，桥下平均流速，m/s；v1为天然条件下桥处平均流速，m/s；P为与桥孔冲刷有关的系数，取P=1.1；W过、W阻分别为桥的过水和阻水断面面积，m2；vs为桥下设计洪水流速，m/s。

表3 二十年一遇设计水面线

3.3 糙率与起始水位

苏家屯柳沟河河床糙率的采用数值，结合历史洪水调查采用值及实地查勘等资料，根据河道现状、河床地质及植被等情况，参考水力手册的糙率表选取。本次项目区主河槽糙率选为0.035，边滩糙率选为0.045。

设计水面线推求以工程区终点桩号0+850处控制断面为起始断面，该处断面采用本次实地踏勘测量所得的河道设计断面型式，并采用HEC软件进行均匀流水位多次试算作为起调水位。试算所得工程区终点断面20 a一遇起始洪水位为39.75 m，10 a一遇起始洪水位为39.32 m。

3.4 计算结果

经计算，苏家屯柳沟河段过闸水位与流量推算成果见表3、表4，柳沟拦河闸过闸水位与流量取桩号0+250断面。

表4 十年一遇设计水面线

由表3可知，20 a一遇洪峰流量为122.88 m3/s时的过闸水位为41.08 m，10 a一遇洪峰流量为81.46 m3/s时的过闸水位为38.16 m。因此，建议按照20 a一遇和10 a一遇两种情况分别进行拦河闸除险加固设计，依据以上计算成果为柳沟拦河闸除险加固设计提供一定数据支撑。

4 结语

在保证泄洪安全和运行使用功能的情况下，应正确处理好拦河闸引水灌溉与排砂矛盾，从而长久、稳定发挥拦河闸工程效益。本文以苏家屯区柳沟拦河闸为例，全面梳理了拦河闸现存问题，并计算分析了拦河闸20 a一遇、10 a一遇的洪水过流能力及其过闸水位，旨在为拦河闸除险加固方案设计提供数据支撑。

拦河闸除险加固是水资源合理开发利用以及保障区域经济持续发展的迫切要求，从消除柳沟拦河闸、交通桥安全隐患，确保工程度汛安全，到保障拦河闸灌溉、防汛调度运用灵活，改善启闭设施设备运行环境，优化闸址整体工程面貌，与上游水面相映，形成水利工程景观，改善周边环境等，柳沟拦河闸除险加固工程都势在必行。