阳谷县寿张镇辛庄沟段节制闸的工程设计

杨红娟

（阳谷县水利局，山东聊城 252300）

寿张镇位于阳谷县城南部，地处山东、河南两省交界处，与河南省台前县仅一堤之隔，是山东省通往中原腹地的重要通道之一。寿张镇位于金堤以北，属于海河流域徒骇河水系，境内河流主要有赵王河、陶城铺南干渠和辛庄沟[1]。

1.工程地质

据《山东省地貌分区图》，场区地貌上属鲁西北堆积平原区（Ⅰ）—黄河冲积平原亚区（Ⅰ2）。该区地域广阔，地势低平，海拔一般在50m 以下，场区位于岗地上，地下水径流滞缓，易受涝、碱威胁。勘探控制深度内，场区地层主要为第四系松散堆积层，受黄河摆动和泛滥影响，岩性相变较为频繁，多呈透镜体状交替分布，岩性主要有砂壤土、黏土、壤土、粉砂等。低洼处及河道两侧分布少量人工填土。

场区地下水主要为第四系孔隙潜水，主要埋藏于第四系地层中，含水层岩性主要为壤土、中粗砂，渗透系数一般为0.26m/d ～5.19m/d，属中等透水层。地下水主要接受河流侧渗、大气降水的补给，以植物蒸腾、人工开采和地下水径流为主要排泄方式。

2.节制闸设计

2.1 节制闸级别

辛庄沟河段设置郭庄节制闸1 座。节制闸为4 级建筑物，设计地震烈度为Ⅶ度。该闸位于辛庄沟桩号12+675处，辛庄沟排涝流量16.00m3/s，场址处排涝水位38.22m，渠底宽度4.50m，渠底高程35.42m，地面高程40.20m，边坡系数1:2.0。节制闸设计挡水位38.22m。

2.2 水力计算

2.2.1 孔口计算

节制闸为无压淹没出流，水闸孔口计算可采用如下公式：

式中：μ0为淹没堰流的综合流量系数；B0为过流断面计算宽度（m），对矩形断面即为洞宽；H0为上游总水头（m）；hs为下游水深。

节制闸计算结果详见表1。

表1 节制闸计算结果

2.2.2 闸基防渗长度计算

初步拟定闸基防渗长度可采用渗径系数法：L=CΔH

式中：L为闸基防渗长度，m；ΔH为上下游水位差，m；C为允许渗径系数，根据土质情况查表选用。

经计算，节制闸计算渗径长度25.20m，设计采用30.00m。

2.2.3 消能计算

节制闸采用挖深式消力池形式，计算公式如下：

（1）消力池深度，采用公式：

式中：d为消力池深度（m）；0σ为水跃淹没系数，取1.05；为跃后水深（m）；hc为收缩水深（m）；α为水流动能校正系数，取1.05；q为过闸单宽流量（m2/s）；b1为消力池首端宽度（m）；b2为消力池末端宽度（m）；T0为由消力池底板顶面算起的总势能（m）；ΔZ为出池落差（m）；为出池河床水深（m）。

（2）消力池长度，采用公式如下：

式中：LSj为消力池长度（m）；Ls为消力池斜坡段水平投影长度（m）；β为水跃长度校正系数，取0.8；Lj为水跃长度（m）。

式中：Lp为海漫长度（m）；qs为消力池末端单宽流量（m2/s）；Ks为海漫长度计算系数，取11；ΔH′为闸孔泄水时的上、下游水位差（m）。

消力池的深度及长度受上游水头、单宽流量、下游水深联合控制，为安全起见，初始开启应控制闸门开度，多孔节制闸同时应控制开启孔数。消能计算按闸前设计水深、闸后无水的情况考虑，闸门首次开启高度0.20m，以后逐级提闸[2]。

闸门控制运用方式：开启闸门时，应分几档开度，严禁一次开启到顶。开启每档后，等下游水位趋于稳定时，再开启下一档。第一档开度不得大于0.2m，以后每档开度不得大于0.3m。郭庄节制闸采用底流式消能工，根据计算结果，确定消力池深0.60m，消力池长12.00m，海漫长15.00m，海漫末端设防冲槽，槽长5.00m，深1.50m。

2.3 工程布置

节制闸由上游连接段、闸室段及下游连接段组成，工程全长58.50m，由上游段20.00m，闸室段6.50m 和下游段32.00m 3 部分组成。

（1）上游段：闸室上游段长20.00m，包括翼墙、护砌等部分。翼墙由直线段和圆弧段两部分组成，翼墙均采用C30 钢筋混凝土结构；护砌包括护底及护坡，均采用M10 浆砌块石结构，护底总长20.00m，护坡总长15.00m，砌石厚0.30m，下铺M10 砂浆垫层及复合土工膜（200g/0.30mm/200g）。

（2）闸室段：开敞式闸室结构，共设两个孔，单孔净宽2.50m，闸室顺水流方向长6.50m。采用C30 钢筋混凝土大底板结构，底板厚0.70m。边闸墩厚0.70m，中闸墩厚0.80m。闸上设启闭机房，并设检修便桥，桥面总宽1.50m。采用PGZ2.5×3.0m 平面铸铁闸门，配套QL-120-SD 螺杆式启闭机，共两套。

（3）下游段：下游连接段总长32.00m，包括消力池、海漫、防冲槽以及两岸刺墙、护坡等部分。消力池采用下挖式消能，长12.00m，其中上游端平台整流段2.00m，设反滤层，斜坡段2.40m，水平段7.60m，消力池及刺墙均采用C30 钢筋混凝土结构。海漫长15.00m，护砌厚度0.30m；防冲槽长5.00m，深度1.50m，槽内抛乱石；护坡总长32.00m。海漫及护坡均采用M10 浆砌块石结构，砌石下设碎石垫层厚100mm。

2.4 稳定计算

2.4.1 闸室稳定计算

（1）计算工况拟定：1）施工完建期：回填土完毕，闸室内外均无水；2）正常运行期：闸室上游为设计水位，下游无水；3）校核运行期：正常运用期+Ⅶ度地震荷载。

（2）稳定计算公式。

式中：η为地基应力不均匀系数；σmax为闸室基底应力最大值（kPa）；σmin为闸室基底应力最小值（kPa）。

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；f为闸室基底与地基之间的摩擦系数，取0.35；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载（包括底板底面上的扬压力在内）之和（kN）；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载之和（kN）。

闸室稳定计算成果详见表2。

表2 闸室稳定计算成果

由上表可知，各种计算工况下，闸室平均基底应力均不大于地基承载力允许值[σ]＝120kPa，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2 倍，满足地基承载要求；地基应力不均匀系数η均小于相应工况的允许值（施工完建期及正常运用期均为2，校核运行期为2.5），满足地基稳定要求；抗滑安全系数kc均大于相应工况允许值（施工完建期及正常运用期均为1.25，校核运行期为1.05），满足抗滑稳定要求。

2.4.2 悬臂挡土墙稳定计算

（1）计算工况拟定：1）施工完建期：回填土完毕，墙前后均无水；2）检修期：墙前无水，墙后地下水位；3）校核运行期：墙前挡水+Ⅶ度地震。

（2）稳定计算公式：计算公式同闸室稳定计算公式。

（3）回填土指标要求：回填应采用壤土，要求分层碾压、夯实，压实度不小于0.96。

（4）挡土墙稳定计算成果表。

悬臂挡土墙稳定计算成果如表3 所示。

表3 悬臂挡土墙稳定计算成果

由上表可知，各种计算工况下，闸室平均基底应力均不大于地基承载力允许值[ ]σ＝120kPa，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2 倍，满足地基承载要求；地基应力不均匀系数η均小于相应工况的允许值（施工完建期及正常运用期均为2），满足地基稳定要求；抗滑安全系数kc均大于相应工况允许值（施工完建期及正常运用期均为1.25），满足抗滑稳定要求。

2.4.3 护坡稳定分析

（1）计算断面和计算方法：根据地勘资料，并结合河道横断面尺寸选择水闸下游护坡进行稳定分析。

边坡稳定计算采用河海大学《水工结构分析系统》（Auto Bank6.0）软件，应用简化毕肖普法计算。根据有关规定，稳定渗流工况下采用有效应力法，施工期和设计水位降落工况下均采用总应力法。

（2）主要物理力学指标。根据地勘报告，经分析确定计算断面各土料的物理学指标。

（3）计算工况。

正常运用条件：设计挡水位稳定渗流期临水侧边坡；设计挡水位骤降期临水侧边坡。

非常运用条件Ⅰ：施工完建期临水侧边坡。

非常运用条件Ⅱ：设计洪水位遇Ⅶ度地震临水侧边坡。

（4）安全系数。郭庄节制闸为4 级建筑物，坡应为5 级建筑物，相应的边坡抗滑稳定最小允许安全系数如表4 所示。

表4 边坡抗滑稳定安全系数

（5）边坡稳定分析计算成果。

在各种工况下的边坡稳定安全系数如表5 所示。

表5 边坡稳定安全系数

由表5 可知，渠道护砌边坡各工况均满足规范要求。

3.结语

阳谷县寿张镇辛庄沟段节制闸建成实施后，可控制和调节水位、流量，并拦蓄较多的雨洪水，改善灌溉条件，提高作物产量，增加农民收入，加快群众脱贫致富奔小康的步伐，促进社会稳定。