某蓄水建筑物钢坝闸设计要点

商博

（河南省山水水利工程有限公司，河南 郑州 475000）

1 工程概况

该工程设计根据该河道具体比降及滩地高程确定蓄水建筑物位置，设计拟在河道上新建2 座钢坝闸，分别为建设路桥闸（卫河桩号40+050）、毛楼闸（卫河桩号46+700）。钢坝闸中心线与河道中心线平行布置，2座钢坝闸设计挡水高度为4.30 m、4 m，结构形式基本一致，由上游连接段、铺盖段、闸室及消力池段、海漫段、防冲槽、下游连接段组成。

2 钢坝闸闸门设计要点

该工程设计2座钢坝闸均采用专业成品底轴驱动下卧式翻板钢坝。拟建设路闸闸门尺寸4 m×16 m，毛楼闸闸门尺寸3.70 m×25.00 m。闸门门体厚度不小于450 mm，门页面板采用Q235B材质，门叶设前、后面板，面板厚度不小于10 mm。

钢坝闸门底轴要求采用Q345B直缝焊接钢管，钢管直径不小于800 mm，钢管壁厚不小于55 mm，底轴支铰采用半封闭铰座，底轴上要设置不锈钢轴套，轴套壁厚不小于10 mm，底轴启闭机控制室穿墙套管采用镶铜轴套，轴套壁厚不小于20 mm。

门叶及埋件外露部分（不锈钢除外）防腐采用喷锌防腐，喷砂除锈达到Sa2.5 级，表面粗糙度Ry60～100 μm，喷锌厚度160 μm，底漆为环氧云铁漆1道，干膜厚度为80 μm，面漆为氯化橡胶漆，干膜厚度为80 μm，埋件与混凝土接触部分涂苛性钠水泥浆。

3 钢坝闸布置

3.1 上游连接段

上游连接段设计全长10 m，设计底宽18～22 m，两岸边坡1.00∶2.50。岸坡采用现浇C25混凝土护砌，厚0.30 m。护坡下设反滤土工布。底板及岸坡每10 m分一道伸缩缝，缝宽20 mm，内填聚乙烯闭孔泡沫板。上游连接段混凝土抗渗等级W4，抗冻等级F150。

3.2 防渗铺盖段

铺盖段设计全长20 m，宽22 m（16 m、25 m），采用C25混凝土结构，厚0.40 m，下设0.10 m 厚C15混凝土垫层。两岸采用圆弧翼墙与岸坡连接。翼墙采用现浇C25 混凝土重力式挡土墙结构，墙顶高程按正常蓄水位+0.50 m确定。翼墙墙高4.50 m，顶宽0.60 m，背坡1.00∶0.50；基础厚0.80 m，底宽3.75 m，前趾长0.50 m，后踵长0.40 m，下设0.10 m厚C15混凝土垫层。铺盖段底板及翼墙每10 m，分1道伸缩缝，缝宽20 mm，缝内设橡胶带止水。翼墙墙后填筑原状土，压实度不小于0.91。铺盖段混凝土抗渗等级W4，抗冻等级F150。

3.3 闸室及消力池段

蓄水建筑物钢坝闸工程设计闸室及消力池底板采用一体化设计，全长16 m，宽22 m，采用C25钢筋混凝土结构。闸底板上游端高出河道底高程0.30 m，采用1∶4 斜坡与上游铺盖连接。闸室段底板厚1.20 m，下设0.10 m厚C15混凝土垫层。消力池末端底板厚0.80 m，下设粗砂、碎石垫层，各厚0.20 m；表层设置φ75PVC排水孔，间距1 m，呈梅花型布置。

3.4 海漫段

消力池下游设置海漫，共长20 m，其中上游为M7.5 浆砌石海漫，长10 m，厚0.50 m，下设粗砂、碎石垫层，各厚0.15 m，表层设置φ75PVC排水孔，间距1 m，呈梅花形布置；下游侧为干砌石海漫，长10 m，厚0.50 m，下设粗砂、碎石垫层，各厚0.15 m。防冲槽位于海漫末端，底宽2 m，深1 m，上游边坡1∶2，下游边坡1∶3，内填抛石。翼墙及护坡设置Φ75 mmPVC排水孔，行距2 m，排距3 m。两岸护坡、翼墙及浆砌石底板每10 m设道伸缩缝，缝宽20 mm，缝内充填聚乙烯闭孔泡沫板。混凝土抗冻等级F150，抗渗等级W4。

3.5 下游连接段

下游连接段设计全长10 m，设计底宽22 m～18 m（11 m、19 m），两岸边坡1.00∶2.50。岸坡采用现浇C25 混凝土护砌，厚0.30 m。护坡下设反滤土工布。底板及岸坡每10 m 分一道伸缩缝，缝宽20 mm，内填聚乙烯闭孔泡沫板。下游连接段混凝土抗渗等级W4，抗冻等级F150。

3.6 闸室平台

结合上下游圆弧翼墙布置，设计在钢坝闸两侧设平台，平台宽11.55 m，顺水流方向长56 m；平台顶高程同上下游翼墙顶高程，表层采用C25无砂透水混凝土硬化，厚0.30 m，下设0.10 m厚碎石垫层；两岸闸墩及翼墙顶部设仿石混凝土栏杆。平台上下游设C25混凝土踏步。

4 钢坝闸工程水力计算

4.1 闸孔净宽计算

该蓄水建筑物钢坝闸工程设计4 座蓄水建筑物均为敞开式宽顶堰结构。闸孔净宽按淹没堰流计算，采用高淹没度（hs/H0≥0.90）公式：

式中：Q—过闸流量；B0——闸孔的总净宽，m；H0—计入行近流速的堰上水深，H0＝H+V02/2 g；H—堰上静水深，m；V0—行洪流速，m/s；hs—由堰顶算起的下游水深，m；μ0—淹没堰流的综合流量系数。

根据《水闸设计规范》，“一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.10～0.30 m”。卫河建设路桥闸闸室总净宽取16 m，毛楼闸闸室总净宽取25 m，设计流量和排涝流量工况下，上下游水位差均满足规范要求。

4.2 消能防冲计算

消能防冲计算的主要目的是确定水闸的消力池深度、长度及底板厚度，同时确定下游海漫的长度及冲刷深度，确保水闸在各种运行工况下的安全。

按照钢坝闸的任务，在汛期来临之际或发生异常情况时，其上游正产蓄水位时、下游无水时开启泄水，作为控制消能设计的水力条件。按河道天然水位流量关系曲线，闸门逐渐降低，进行动态计算。消力池计算采用《水闸设计规范》附录B公式，先判断是否需要设消力池，然后采用试算方法确定消力池深度及长度。

4.3 渗流计算

水闸的渗流计算应根据闸基的地质情况、闸基和两侧轮廓线的布置及上下游水位条件进行，主要内容包括渗透压力计算和抗渗稳定性验算。初拟铺盖长度20 m，闸室长度16 m。根据《水闸设计规范》，闸基渗透压力采用改进阻力系数法计算。

确定地基有效深度：由于Lo/So=5.90＞5.00 则按公式Te=0.50Lo计算地基有效深度式中：Lo—地下轮廓的水平投影长度（m）；So—地下轮廓的垂直投影长度（m）；Te—水闸的地基有效深度（m）。经计算地基有效深度为18 m。

计算分段阻力系数：将实际的地下轮廓进行简化，使之成为垂直的和水平的两个主要部分，再根据简化了的地下轮廓不透水部分各角点的等势线，将地基分段。

5 钢坝闸工程稳定计算

5.1 闸室稳定计算

5.1.1 计算参数

根据地质勘探资料，卫河水环境综合治理蓄水建筑物钢坝闸工程设计2座钢坝闸，闸室基础均位于第③单元地基土中，地基允许承载力特征值为130 kPa；闸室与基础综合摩擦系数f=0.30。

根据《水工建筑物抗震设计规范》，闸址区地震基本烈度为Ⅷ度，抗震计算采用拟静力法。

5.1.2 计算工况

根据闸室结构，蓄水建筑物钢坝闸工程对闸室按基本荷载组合和特殊荷载组合分别进行计算。按《水闸设计规范》规定，土基上闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值，中等坚实地基上，基本组合η=2.00，特殊组合η=2.50。闸室基底应力计算成果见表1。

由计算结果可知，闸室基础以③单元重粉质壤土为持力层可满足承载力求。

5.2 挡土墙稳定计算

闸室上下游翼墙采用重力式挡土墙，蓄水建筑物钢坝闸工程挡土墙稳定计算选择闸前铺盖挡土墙断面进行典型稳定分析。闸墩采用空箱式挡土墙形式，卫河水环境综合治理蓄水建筑物钢坝闸工程对闸墩进行稳定计算。

5.2.1 挡土墙计算参数

根据地质勘探资料，两岸翼墙及闸墩基础位于第③单元地基土中，地基允许承载力特征值为130 kPa；挡土墙与地基综合摩擦系数f=0.30。抗滑稳定安全系数，按《水闸设计规范》规定，3 级建筑物基本组合k＝1.25，特殊组合Ⅱk＝1.05；在各种计算工况下，基底应力的最大值与最小值之比即不均匀系数允许值，坚实土基的基本组合η＝2.00，特殊组合η＝2.50。

5.2.2 挡土墙计算工况

各断面均按基本荷载组合和特殊荷载组合进行计算。基本组合完建期：自重+土压力+土重基本组合；设计蓄水位工况：自重+水重+水压力+土重+土压力+扬压力；特殊组合：地震工况。

表1 闸室基底应力计算成果表

5.2.3 挡土墙计算方法

抗滑稳定计算按抗剪强度公式：

闸墩及翼墙挡土墙稳定计算由计算结果可知，挡土墙计算断面在各种工况下抗滑稳定计算均满足规范要求，计算基底应力均小于第③单元地基允许承载力。

6 结语

该水环境综合治理蓄水建筑物钢坝闸工程设计充分利用该段河道内滩地优势，通过建设蓄水建筑物，抬高河道水位，建设人工湿地，改善水环境质量、恢复水生态；同时在湿地内修建生态步道，增加游览的趣味性，发展周边旅游经济；另外，对现状岸坡进行生态护岸改造，保障水安全的同时美化造景、维护河道生态环境。