南、北长虹渠退水闸设计与计算

崔洋

（北京市密云水库管理处，北京 101512）

0 引言

在水利工程中，水闸作为挡水、泄水或取水的建筑物，应用广泛，多建于河道、渠系、水库、湖泊及滨海地区。水闸由闸室、上游连接段和下游连接段组成，按水闸其所承担的主要任务，可分为：节制闸、进水闸、冲沙闸、分洪闸、挡潮闸、排水闸等。按闸室的结构形式，可分为：开敞式、胸墙式和涵洞式。而退水闸位于渠道末端、重要渠系建筑物或险工渠段上游，用于排除渠内积水、便于检修渠道。文章根据南、北长虹渠退水闸的概况，进行退水闸设计与计算。

1 工程概况

南、北长虹渠南起卫辉市徐家堤，经浚县新镇镇，至滑县道口镇西入卫河，是卫河综合防洪体系的重要组成部分。项目区退水闸由于建设标准低、退水闸建筑物配套程度低，经过多年的运行，导致退水闸老化失修、破损严重，致使渗漏损失大，输水效率低，因此需要加强对退水闸的改造。

2 项目区气象与水文

2.1 气象

项目区处于东亚温带季风气候区，冬季为极地大陆气团所控制，多西北风，干冷少雨。四季分明，冬季气温干燥寒冷，夏季潮湿、雨量集中，降水量年内分配不均，主要集中在七、八、九三个月，年最大降水量达1 024 mm，年最小降水量为310.80 mm，多年平均降雨量为696.40 mm。

2.2 水文

项目区夏季因太平洋副热带高压加强北上，盛行偏南风，易在太行山迎风坡形成大暴雨。暴雨频次多、量级大。

3 退水闸设计与计算

3.1 设计依据及标准

3.1.1 设计依据

退水闸的设计依据是：《水利水电工程等级划分及洪水标准》《水利水电工程初步设计报告编制规程》《蓄滞洪区建筑工程技术规范》《堤防工程设计规范》《水闸设计规范》《灌溉与排水设计规范》，其他有关规程、规范等。

3.2 工程等级及标准

3.2.1 工程等级及标准

根据《河南省发展和改革委员会关于河南省漳卫河系卫河坡洼（良相坡 柳围坡、崔家桥）蓄滞洪区工程建设可行性研究报告（鹤壁市部分）的批复》卫河右堤堤防级别为3 级，申店隔堤堤防级别为4级，南、北长虹渠退水闸建筑物级别为4级。

3.2.2 主要设计允许值

按照《堤防工程设计规范》，3级堤防安全加高值为0.70 m；4级堤防安全加高值为0.60 m；防止渗透变形的允许水力比降：无黏性土的安全系数为1.50～2.00，黏性土的安全系数不应小于2.00，堤防边坡抗滑稳定安全系数详见表1。

表1 堤防边坡抗滑稳定安全系数允许值表

3.3 水闸计算

3.3.1 闸孔总净宽计算

南、北长虹渠退水闸为柳围坡蓄滞洪区的退水控制工程，其设计退水流量分别为90 m3/s 和60 m3/s。两闸分别位于南、北长虹渠上，根据其运用工况，日常为开启状态以排泄上游涝水；蓄滞洪区启用时关闭闸门滞蓄洪水；洪水过后开启闸门宣泄滞蓄洪水。两退水闸除满足设计退水流量外，还需满足南、北长虹渠的排涝流量要求。因此，退水闸闸孔净宽计算，应采用退水流量和排涝流量两种情况确定。

水闸闸孔总净宽按《水闸设计规范》计算。一般情况下，平原区水闸的过闸水位差可采用0.10～0.30 m，此工程计算采用过闸水位差取0.20 m。设计水位泄流时属于堰流，且处于高淹没出流状态。计算公式如下：

式（1）（2）中：B0—闸孔总净宽（m）；Q—过闸流量（m3/s）；H0—堰上水深，H0=H+/2g（m）；g—重力加速度，g=9.81 m/s2；μ0—综合流量系数；hs—堰顶算起的下游水深（m）。

根据以上公式，对南、北长虹渠退水闸五年一遇涝水时的过闸流量进行复核计算。退水闸下游水位采用南、北长虹渠设计5年一遇排涝水位，上游水位按照下游水位加过闸损失0.20 m确定。计算水闸宽度设计详见表2。

表2 闸孔总净宽设计成果表

3.3.2 水闸控制过流计算

按照南、北长虹渠退水闸的运用方式，发生50年一遇洪水时，退水闸上游柳围坡蓄滞洪区设计滞洪水位为65.05 m，下游长虹渠蓄滞洪区设计滞洪水位为62.49 m。当卫河洪峰过后，长虹渠蓄滞洪区可通过长虹渠退水闸控制下泄，逐步分泄长虹渠蓄滞洪区内部滞蓄洪水时，柳围坡蓄滞洪区可利用南、北长虹渠退水闸，控制下泄柳围坡蓄滞洪区内部滞蓄洪水，通过长虹渠退水进入卫河。按照蓄滞洪区运用规划，南、北长虹渠退水流量不应大于90 m3/s、60 m3/s。为保证其下游长虹渠蓄滞洪区的运用安全，长虹渠蓄滞洪区滞洪水位不能高于62.49 m。因此，在退水工况下，选取退水闸上、下游最不利水位，即上游水位选取柳围坡蓄滞洪区设计50年一遇滞洪水位65.05 m，下游水位选取长虹渠蓄滞洪区设计50年一遇滞洪水位62.49 m，计算南、北长虹渠的闸门开度，以确定工程运行过程中的闸门控制，保证下游长虹渠蓄滞洪区及卫河的防洪安全。

水闸过流计算采用无坎宽顶堰闸孔出流，计算公式如下：

式中：Q—流量；e—闸孔开度；n—孔数；b—每孔净宽；H0—计入行近流速的堰顶水头；σs—淹没系数；μ—流量系数，μ=εφ；φ—流速系数；ε—垂直收缩系数。

根据以上分析，按照上述计算公式，对南、北长虹渠退水闸在水闸上游水位为65.05 m，下游水位为62.49 m，过闸流量分别为90 m3/s、60 m3/s的情况下，计算其闸门开度。水闸计算结果详见表3。

表3 水闸过流计算成果表

通过以上计算结果，南、北长虹渠退水闸在50年一遇洪水时，闸门开度应控制在不大于1.31 m 和1.22 m，能够满足规划的退水流量要求，确保下游防洪安全。

3.3.3 防渗排水计算

南、北长虹渠退水闸闸底板分别坐落在细砂、粉砂层，为砂砾石地基。验算砂砾石闸基出口段抗渗稳定性时，判别发生渗流破坏形式。

式中df—闸基土的粗细颗粒分界粒径（mm）；Pf—小于df的土粒百分数含量（%）；n—闸基土的孔隙率；d15、d85—闸基土颗粒级配曲线上小于含量15%、85%的粒径（mm）。

为防止闸基发生管涌和流土等渗透破坏，水闸必须具有足够的闸底轮廓长度。根据《水闸设计规范》，采用勃莱法初拟闸基防渗长度：

式中：L—闸基最小防渗长度（m）；C—允许渗径系数，闸基土层为细砂或粉砂，根据《水闸设计规范》表4.3-2 规定，允许值分别为7～9 或9～13，此工程取值南长虹渠退水闸闸基土层为细砂，允许值为9；北长虹渠退水闸闸基土层为粉砂，允许值为13；△H—上、下游水位差，m。

按最不利情况，上游最高挡水位，下游渠道无水，考虑到排水反滤层失效的可能性，适当加大渗径系数。此工程初拟允许渗径系数14 m，闸基防渗长度按36 m计算。

为降低闸底渗透压力，消力池底板下铺垫反滤料，分层采用碎石、粗砂及土工布；海漫底板下铺垫一层砂砾垫层。消力池与海漫底板上呈梅花形布置排水孔，排水孔采用PVC管，管底用无纺布包裹。

按照工程地质勘察报告，南长虹渠退水闸地基土为细砂，根据《水闸设计规范》表6.0-4规定，水平段渗流坡降允许值为0.07～0.10，出口段渗流坡降允许值为0.30～0.35；北长虹渠退水闸地基土为粉砂，水平段渗流坡降允许值为0.05～0.07，出口段渗流坡降允许值为0.25～0.30。由于南、北长虹渠退水闸渗流出口处设有滤层，允许渗透坡降值可增大30%。经计算，南、北长虹渠退水闸水平段及出口段渗流坡降满足规范要求。

3.3.4 闸室稳定计算

计算工况：完建期、正常挡水期、地震情况。

施工完建期闸前后均无水，只考虑结构、设备自重与土压力。常水位情况按照观测闸前按1.00 m深，闸后水位无水。地震情况为常水位情况加地震力；地震力包括水平向地震惯性力及动水压力。

闸室抗滑稳定按下式验算：

式中：Kc—沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f—闸室基底面与地基土之间的摩擦系数；∑H—作用在闸室上的全部水平向荷载，（kN）；［KC］—允许抗滑稳定安全系数。

根据《水闸设计规范》，土层上的闸室稳定计算应满足：①各种计算情况下闸室平均基底压力不得超过地基允许承载力，最大基底压力不大于地基允许承载力的1.20倍；②基底压力的不均匀系数不得大于规定的允许值，以免产生过大的不均匀沉降，正常情况不均匀系数小于2.00，特殊组合情况不均匀系数小于2.50；③水闸运用期，抗滑稳定安全系数不得小于规定的允许值。正常情况抗滑稳定安全系数大于1.20，地震情况抗滑稳定安全系数大于1.00。

各水闸闸室稳定计算成果见表4。

表4 闸室稳定计算成果表

由表4 可知，重建水闸闸基稳定安全系数、闸底应力不均匀系数均满足规范要求。

3.4 水闸设计

南、北长虹渠退水闸主要功能为拦蓄滞洪洪水和河道洪水、控制下泄流量，因此采用穿堤涵闸形式。闸房与堤顶采用简支桥板连接，桥板宽1.20 m。闸室与消力池段采用穿堤箱涵连接，穿堤箱涵共4 孔，单孔净宽3 m，长15 m。闸门采用平板铸铁闸门，启闭机采用手电两用螺杆式启闭机。设置胸墙还能够有效降低闸门高度和排架柱高度，节省投资。因此南、北长虹渠退水闸采用胸墙式闸室。水闸设计成果见表5。

表5 水闸设计成果表

4 结论

综上所述，结合退水闸设计规范及南、北长虹渠退水闸工程的实际，文章对南、北长虹渠退水闸闸孔总净宽、箱涵过流、水闸控制过流、消能防冲、防渗排水、闸室稳定计算，并对其进行设计，不仅满足南、北长虹渠正常运用的要求，同时也满足南、北长虹渠防洪安全的要求。