闸堰结合在取水工程中的应用及设计要点

董 新

（塔城水利设计研究院有限公司 新疆塔城 834700）

1 项目概况

托里县庙尔沟镇金塔区供水工程位于托里县柳树沟河，由取水工程、输水管线、配水管网三部分组成。日最高供水量20 168.3 m3/d，输水管线设计流量0.28～0.14 m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）规定，该供水工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等。

取水工程为闸堰结合的拦河闸，由溢流堰、冲沙闸和进水闸组成。根据闸址区地形、地质条件、河道主流、下游管线线路等，溢流堰垂直河道布置，冲沙闸布置在溢流堰左侧，进水闸布置在河道左岸阶地上。拦河闸全长125 m，其中溢流堰净宽29.5 m，泄洪冲沙闸1 孔，净宽5.0 m，左岸进水闸1 孔，净宽1.5 m，进水闸后接134 m 长的沉沙池，宽5.0 m，沉沙池后接输水管线，通过管线重力输水，输送至下游项目区。

2 取水工程型式选择

2.1 取水口现状

现状金塔区供水工程修建于2013 年。该工程取水口采用截潜流的方式取水，在河道内顺河道布置3 排DN315 滤水管，布置间距为1 m，长度50 m，管底埋深1.6 m。滤水管外侧设3 层，反滤层滤水管后接DN315输水管，输水管长20 m。通过输水管将水流输送至岸边的集水池，由泵站结合输水工程向下游用户输水。工程2014 年8 月开始运行，由于资金限制，工程建设标准低，运行过程中主要存在以下问题：

1）洪水期淤积，枯水期来水量小，取水困难：每年洪水期后渗管上部反滤料表层淤积，需对反滤料进行清理才能取水。枯水季节该工程直接引河道水进入集水池进行供水，由于枯水期河道来水量较小，渗管集水量不足，水泵不能正常运行，水泵仅能抽取半小时水量，需等2 h 后，集水池蓄满，水泵才能运行。

2）缺乏山区控制性调蓄工程，枯水期供水难以保证：柳树沟河拟建取水断面处多年平均径流量1 190 万m3，径流年内分配不均，主要集中在4～6 月，该时段径流量占全年径流量的70%，而非汛期1～3 月、7～12月的径流量仅占全年径流量的30%；来水与生活、生产需水不匹配，由于缺乏控制性工程调节，供水保证率不高，枯水期大多数情况下供水不足。

可见采用截潜流渗管方案无法解决淤堵问题，采用拦河闸枯水期水量得不到保证。综合考虑，提出采用闸堰结合形式，利用溢流堰壅高水位，可具备一定调节水量功能，同时设置冲沙闸和进水闸，以解决洪水期淤堵和枯水期引水量不足问题[1]。

2.2 取水口布置

取水工程为闸堰结合的拦河闸，主要由溢流堰、冲沙闸和进水闸组成。根据闸址区地形、地质条件、河道主流、下游管线线路等，溢流堰垂直河道布置，冲沙闸布置在溢流堰左侧，进水闸布置在河道左岸阶地上。拦河闸全长125 m，其中溢流堰净宽29.5 m；泄洪冲沙闸1 孔，净宽5.0 m；左岸进水闸1 孔，净宽1.5 m。进水闸后接134 m 长，宽5.0 m 的沉沙池。

溢流堰主要功能为壅高水位，储存一定的水量，使得枯水期也可正常引水，堰型采用梯形实用堰，堰顶高程850 m。

冲沙闸主要是在汛期泄洪冲沙，在丰水期启动冲沙闸，河道淤积可通过冲沙底孔顺势流入下游河道，不会淤堵进水口，冲沙闸底高程与原河床一致取840.5 m。枯水季则关闭冲沙闸，通过调节进水闸开启度引水，考虑泥沙淤积及引水要求，进水闸闸底高程高于冲沙闸底高程，低于堰顶高程，取为842.50 m。

取水口平面布置示意图如图1 所示。

图1 取水口平面布置示意图

2.3 运行调度要点

本工程运行方式：在枯水期，冲沙闸关闭，进水闸部分开启，引水进入沉沙池，通过暗渠引中层以上清水向下游供水，多余的水量通过沉沙池溢流管进入原河道；在丰水期冲沙闸全开，采用冲沙底孔冲沙，进水闸控制开启度引水。本工程拦河闸设计洪水标准为20年一遇，最大洪峰流量45.1 m3/s，设计洪水位851.01 m；校核洪水标准为50 年一遇，最大洪峰流量60.6 m3/s，校核洪水位为851.23 m。

3 取水工程设计要点

水闸作为水利工程中常见的泄水建筑物，设计过程中应注重泄流能力及结构稳定计算。

3.1 拦河闸水力计算

拦河闸实际运行工况有挡水工况和泄水工况，其中泄水工况又分为设计洪水和校核洪水工况[2]，考虑四种不利工况进行泄流能力计算：工况一：设计洪水（45.1 m3/s）时，冲沙闸独立承担泄洪任务。工况二：设计洪水（45.1 m3/s）时，溢流堰独立承担泄洪任务。工况三：校核洪水（60.6 m3/s）时，冲沙闸独立承担泄洪任务。工况四：校核洪水（60.6 m3/s）时，溢流堰独立承担泄洪任务。

其中冲沙闸过流能力用闸孔出流公式计算：

式中：e——闸门开启度，3.0 m；

b——每孔净宽，5.0 m；

n——闸孔孔数，1 孔；

H0——包括行进流速水头的闸前水头，H0=H+

ε——垂直收缩系数，取0.63；

μ——流量系数，取0.63；

σs——淹没系数，自由出流取σs=1.0；

Q——设计泄洪流量，m3/s。

溢流堰过流能力用实用堰过流能力计算：

式中：b——每孔净宽，29.5 m；

n——闸孔孔数，1 孔；

m——自由溢流的流量系数；

σc——侧收缩系数，取1.0。

其余同上。

拦河闸过设计洪水时，水位取大值，计算得设计洪水位851.01 m，校核洪水位851.23 m，水力计算结果见表1 所示。

表1 水力计算结果表

3.2 溢流堰稳定计算

取水工程结构形式主要有溢流堰和冲沙闸，从结构上和过水情况上分析，本次稳定计算选取溢流堰进行分析。

3.2.1 荷载分析

通过对溢流堰的受力分析，取坝体宽度方向1 m计算，绘制计算简图如图2。

图2 溢流堰计算简图

溢流堰主要受到的力分为水平向和竖直向力，其中竖直向力由坝体自重、底部的渗透压力，水平力有水压力、水平渗透力[3]，荷载计算详见表2。

表2 溢流堰荷载计算成果表

3.2.1 地基应力计算

根据溢流堰布置及受力情况对称，地基应力采用式（3）计算：

式中：Pmax/min——溢流堰基底应力的最大值或最小值；

ΣG——作用在溢流堰上的全部竖向荷载（包括闸室基础底面上的扬压力在内），kN；

ΣM——作用在溢流堰上的全部竖向和水平向荷载对基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；

A——溢流堰基底面的面积，m2；

W——溢流堰基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。

式中：η——地基应力不均匀数。

经计算Pmax=157.62（kN/m2），Pmin=79.31（kN/m2），闸底地基分两层：第一层为砂砾石，第二层为基岩，溢流堰坐落在砂砾石层上，砂砾石承载力值为300 kPa，所以基础满足承载要求。地基不均匀系数η=1.99 小于2.0，满足规范要求。

3.2.2 抗滑稳定计算

由《水闸设计规范》，溢流堰抗滑稳定计算公式如式（5）：式中：Kc——沿溢流堰基底面的抗滑稳定安全系数；

f——溢流堰与地基的摩擦系数；

ΣP——作用在溢流堰上的全部水平荷载，kN；

经计算Kc=3.20≥1.2，满足规范要求。

4 取水工程结构设计

拦河闸由左岸钢筋混凝土重力式挡水墙段长43.5 m（桩号0+000～0+043.5）、进水闸段长3.5 m（桩号0+043.5～0+047.0）、泄洪冲沙闸段长8 m（桩号0+047.0～0+055.0）、溢流坝段长32 m（桩号0+055.0～0+087.0）和右岸钢筋混凝土重力式挡水墙段长38 m（桩号0+087.0～0+125）组成，总长度125 m，具体设计如下：

1）溢流堰

溢流堰为主要挡水结构，垂直水流方向布置，堰型采用梯形实用堰，主体采用C25 现浇混凝土，考虑到冲刷磨损，表层30 cm 采用C30 钢筋混凝土。每8 m设一道伸缩缝，伸缩缝采用SBS 填缝，采用聚氨酯和D 型铜片止水。

溢流堰基础顺水流方向长15 m，为增强抗滑稳定性，上游设3 m 宽、1.4 m 深的混凝土齿墙，下游设4.5 m宽、1.4 m 深的混凝土齿墙，均深入砂砾石层。

2）冲沙闸

冲沙闸主要为满足河道泄洪冲沙要求，垂直河道布置，采用竖井式进口接消力池形式，自下而上依次由闸室、竖井和启闭机室三部分组成[4]。

冲沙闸闸室段顺水流方向长18.5 m，进口设置平板检修闸门，其后设置弧形闸门[5]。竖井按钢闸门结构要求分两孔布置，启闭机室排架位于竖井上，均采用C25钢筋混凝土浇筑。

3）进水闸

进水闸主要引水进入下游，紧接冲沙闸布置在河道左岸阶地上，轴线与水流方向成45°夹角布置，引水流量为0.28 m3/s，闸底高程高于冲沙闸底高程，低于堰顶高程，主要由竖井式进口和矩形暗渠组成。

竖井式进口段自下而上依次由闸室、竖井和启闭机室三部分组成，闸室与竖井为整体现浇，竖井内设1 扇工作闸，闸门采用弧形闸门，闸门孔口尺寸均为1.5 m（宽）×2.0 m（高）。竖井按弧形闸门结构要求单孔布置，启闭机室排架位于竖井上，均采用C25 钢筋混凝土浇筑。

4）左右岸挡水墙段

左、右岸挡水墙段均为钢筋混凝土重力式挡土墙，顶高程851.70 m，顶宽0.5 m，上游面铅直，下游边坡1∶0.5，设前后趾，趾宽0.5 m、高0.5 m。为满足交通及稳定要求墙后设5 m 宽交通道路，下游边坡1∶2。

5 结论

本文结合托里县庙尔沟镇金塔区供水工程实例，根据地形和地质条件及枢纽的作用，取水工程拦河闸采用闸堰结合的形式，枯水期可通过溢流堰壅高水位，由进水闸引水入沉沙池，通过暗渠引中层以上清水向下游供水，多余的水量通过沉沙池溢流管进入原河道，汛期可采用冲沙闸泄洪冲沙，解决洪水期淤堵和枯水期引水量不足问题，并依据规范对闸堰进行了详细的水力计算、稳定计算和结构设计，均满足规范要求，对类似工程具有参考及实践的意义。