袁克光

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

基于張當(dāng)堡排水閘消能設(shè)計(jì)綜述

袁克光

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

為了適應(yīng)渾河大堤擴(kuò)建工程的要求，在原涵洞處，即張當(dāng)堡地區(qū)重建一座排水閘。在洪水期，當(dāng)流量大于2 000 m3/s，水流有可能通過排水閘排出。排水閘用來排除內(nèi)河或低洼地區(qū)對(duì)農(nóng)作物有害的漬水，當(dāng)外河水位上漲時(shí)，可以關(guān)閘，防止外水倒灌。當(dāng)洼地有蓄水、灌溉要求時(shí)，可以關(guān)門蓄水或從江河引水具有雙向擋水，有時(shí)還有雙向過流的特點(diǎn)。排水閘根據(jù)水工建筑物設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。閘門設(shè)計(jì)成整體式平板單孔閘門。同時(shí)考慮到水流特征，在涵洞出口即閘后設(shè)挖深式消力池，后半部分設(shè)置排水孔。消力池與涵洞間設(shè)跌水。為滿足與下游河道水流情況相同并且減少對(duì)河岸的沖刷要求,在消力池后鋪設(shè)海漫，海漫后設(shè)置齒墻。

水閘；消力池；海漫；翼墻；護(hù)坡

張當(dāng)堡排水閘位于沈陽市蘇家屯區(qū)王綱公社張當(dāng)堡村，渾河左堤,原工程于1958建成，多年來擔(dān)負(fù)著王綱鄉(xiāng)金大臺(tái)，楊孟達(dá)，張當(dāng)堡，大淑鄉(xiāng)西淑村，胡家店等約22 km2的洪澇積水任務(wù)，即渾沙灌區(qū)內(nèi)，六分干及六五引支，前謨南部老鐵路路基與該段渾河大堤所圍成的狹長地區(qū)。其中耕地二萬余畝。原工程為磚石混合結(jié)構(gòu)，單孔涵洞?，F(xiàn)渾河大堤擴(kuò)建，原工程已經(jīng)不能滿足要求，因此，本著經(jīng)濟(jì)安全的原則，將在原涵洞位置上進(jìn)行重建。

1 排水閘消能設(shè)計(jì)

1.1 消力池設(shè)計(jì)

涵洞出口消能水利設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：在已知總水頭T。、出口單寬流量q及下游水位流量關(guān)系的條件下，計(jì)算、分析水流的銜接形式，判斷是否要求采取消能措施，以及確定消能設(shè)施的結(jié)構(gòu)型式與尺寸。

涵洞出口消能，多采用底流消能，所謂底流消能，就是采取一定的工程措施，是水流在涵洞出口處產(chǎn)生水躍，利用水躍消能。底流消能主要有挖深式消力池、消力墻和綜合式消力池3種型式[1]。

1.1.1 水躍計(jì)算

確定下游水深ht，求下游水深采用試算法。

先假設(shè)一水深h,根據(jù)m,b求出相應(yīng)的流量Q，若Q與設(shè)計(jì)流量10.34 m3/s一致，則h=ht否則，重新假設(shè)h，重新計(jì)算直至h=ht，Q=10.34 m3/s，此時(shí)，即為求得ht=1.28 m。

下游收縮斷面水深hc=q/φ[2g(T0-hc1)]1/2=0.65 m。取hc1=0.8m；hc=0.717m；Hc2=0.73m；hc=0.717m；Hc3=0.72m；hc=0.72m。取hc=Hc3=0.72 m。

(1)

可知為遠(yuǎn)離式水躍,必須修建消力池，使其成為稍有淹沒的水躍。

1.1.2 水躍長度計(jì)算

水躍長度指躍前斷面與躍后斷面間的距離。計(jì)算躍長的公式很多，但多屬于經(jīng)驗(yàn)公式。常用的公式有：

按躍前斷面佛汝德數(shù)Fr1大小，用不同公式計(jì)算Lj：

當(dāng)1.7

當(dāng)9.0

在本工程設(shè)計(jì)中我國采用歐勒佛托斯基公式計(jì)算得出：Lj=12.97m。

1.1.3 消力池深d的計(jì)算

挖深式消力池，是在涵洞出口要求發(fā)生水躍的范圍內(nèi)，以挖深渠底的辦法局部加大下游水深，促成淹沒水躍消能。挖深式消力池水利設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定池深值S和消力池長度LB。

按構(gòu)造要求，消力池最小深度取0.5 m。

取消力池池長為10 m。

1.1.4 消力池的布置要求

消力池底板由于要承受水流、脈動(dòng)壓力和底部揚(yáng)壓力的作用，故有一定的重量、強(qiáng)度和抗沖耐磨能力。材料一般選用C15～C20的混凝土做成，并配置縱向Φ10～12 mm的溫度鋼筋，間距20～30 cm或按0.1%、0.2%的含鋼率配置構(gòu)造筋。大型水閘消力池底板的頂、底面均需配筋，中、小型水閘可只在頂面配筋[2]。

為了減小滲透壓力的影響，按防滲設(shè)計(jì)要求，在底板上布設(shè)排水孔，孔徑一般5～25 cm，間距為1.0～3.0 m，呈梅花布置在消力池后部，并設(shè)反濾層。一般不要設(shè)在護(hù)坦前端，以防高速水流造成局部負(fù)壓，將孔下地基土壤吸出，導(dǎo)致護(hù)坦失事。本工程在消力池的后半部分設(shè)置了8個(gè)排水孔，孔徑為25 cm，間距為1 m。

為適應(yīng)地基的不均勻沉陷，消力池與閘底板、翼墻、海鰻之間以及消力池本身順?biāo)较蚓鶓?yīng)分縫，縫距10～20 m，地基差時(shí)為8～12 m。垂直方向通常不設(shè)縫，以保證其整體性。縫寬2.0～2.5 cm。縫的位置如在閘基防滲范圍內(nèi)，縫中應(yīng)設(shè)止水；否則，不用設(shè)止水，但一般都鋪設(shè)瀝青油毛氈。

為增強(qiáng)護(hù)坦板的抗滑穩(wěn)定性，常在消力池末端設(shè)置齒墻，齒墻一般為0.8～1.5 m，寬為0.6～0.8 m，消力池末端通常還設(shè)尾檻，其作用時(shí)壅高池內(nèi)水位，促使消力池能在下游水深不足時(shí)形成水躍，并控制、縮短水躍長度，將出流挑向水面，調(diào)整出池水流的流速分布，促進(jìn)出池水流的擴(kuò)散作用，以減少下游河床的沖刷[3]。

2 海漫設(shè)計(jì)

2.1 海漫長度計(jì)算

海漫長度可按下式估算：

L=(10～12.5)ht

(2)

2.2 海漫段防沖砌塊體尺寸的計(jì)算

海漫防沖砌護(hù)塊體的幾何尺寸，隨材料類型及施工方法的不同而有所區(qū)別。工程中常用的干砌石海漫，可按公式(3)做估算塊石直徑。

d=0.06vmax

(3)

本工程采用干砌塊石結(jié)構(gòu)，按公式d=0.06v2max計(jì)算塊石直徑：

A=(b+mh)h=10.14m2

d=0.16m<30cm。

因?yàn)楸竟こ逃?jì)算塊石粒徑小于常規(guī)要求的粒徑，按規(guī)范要求進(jìn)行鋪砌，海漫由30 cm粒徑塊石鋪砌。查《水力學(xué)》得砂壤土流速v0=5.0 m/s。

2.3 海漫末端的水深控制

海漫末端水深ht1可根據(jù)渠(河)床上土質(zhì)的最大流速來控制。

ht1=q/v0

(4)

式中：ht1為海漫末端(防沖槽)上水深，m；q為海漫末端的單寬流量，m3/s；v0為渠(河)床土質(zhì)容許流速，m/s。

計(jì)算出來的ht1值應(yīng)接近于下游水深ht：若ht1ht，則偏于不安全；海漫設(shè)計(jì)中應(yīng)控制其末端水深ht1小于下游水深。

具體計(jì)算過程如下：

L=(10～12.5)ht=(10～12.5)×1.28=12.8～16 m，取海漫長度L=15 m。

則：海漫末端控制水深為：

ht1=q/v0=0.34 m

上列計(jì)算結(jié)果說明本工程海漫末端的實(shí)際流速小于容許流速，則偏于安全。

2.4 海漫的布置要求

一般在海漫起始段做5～10 m長的水平段，其頂面高程可與護(hù)坦齊平或在消力池尾坎頂以下約0.5 m，水平段后做成不陡于1∶10的斜坡，以使水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布，保護(hù)河床不受沖刷。

對(duì)海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利進(jìn)一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使?jié)B水自由排出，降低揚(yáng)壓力；③具有一定的柔性，以適應(yīng)下游河床可能的沖刷變形。

本工程中，采用了長15 m的干砌石海漫，底面設(shè)置反濾層，末端設(shè)置高1.5 m的齒墻。

3 防沖槽設(shè)計(jì)

水流經(jīng)過海漫后，盡管多余的能量得到了進(jìn)一步的消除，流速分布接近河床水流的正常狀態(tài)，但在海漫后末端仍有沖刷現(xiàn)象。為保證安全和節(jié)省工程量，常在海漫末端設(shè)置防沖槽[4]。

在海漫末端預(yù)留足夠的塊徑>30 m的石塊，當(dāng)水流沖刷河床，沖刷坑向預(yù)計(jì)的深度逐漸發(fā)展時(shí)，預(yù)留在海漫末端的石塊將沿沖刷坑的斜坡陸續(xù)滾下，散鋪在沖刷坑的上游斜坡上，自動(dòng)形成護(hù)面，使沖刷不致再向上游側(cè)擴(kuò)展。

3.1 沖刷坑深度計(jì)算

因?yàn)橛?jì)算出來的沖刷坑深度為負(fù)值，所以本排水閘不需要設(shè)置防沖槽。

參照已建水閘工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，防沖槽大多采用寬淺式的，其深度t″一般取1.5 m，底寬b取3 m，上游坡率m1=2.5，下游坡率m2=1.8。

3.2 防沖槽斷面面積計(jì)算

防沖槽斷面面積大小，取決于沖刷坑形成以后沖坑上游坡的平均坡度及堆石自槽內(nèi)向坑底塌滑時(shí)塊石鋪蓋的厚度。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)研究資料，沖刷上游平均坡度為1∶3～1∶6，下游平均坡度為1∶10或更緩。防沖槽斷面面積可按公式計(jì)算：

(5)

式中：ω為防沖槽斷面面積，m2；hd為沖刷坑深度，m；m為滑落的堆石形成的護(hù)面坡率，可取m=3～6；δ為堆石形成的護(hù)面厚度，m，可以取δ=0.3～0.5(m)。

4 翼墻與護(hù)坡

在與翼墻連接的一段河道，由于水流流速較大和回流漩渦，需要加做護(hù)坡。護(hù)坡在靠近翼墻處常做成漿砌石后接干砌石，保護(hù)范圍稍長于海漫，包括預(yù)計(jì)沖刷坑的側(cè)破。干砌石護(hù)坡每隔6～10 m設(shè)置混凝土埂或漿砌石一道，其斷面尺寸約為30 cm×60 cm，在護(hù)坡的坡腳以及護(hù)坡與河岸土坡交接處應(yīng)做一深0.5 m的齒墻，以防止回流淘刷和保護(hù)坡頂。護(hù)坡下面需要鋪設(shè)各厚10 cm的卵石及粗砂墊層。

翼墻通常設(shè)于鋪蓋段，若鋪蓋上游需設(shè)防沖槽，也可以參照海漫末端的防沖槽進(jìn)行布置。

[1]蔡正昆,管楓年,洪仁濟(jì).涵洞[M].北京：水利水電出版社,1983：69-74.

[2]洪仁濟(jì).清華大學(xué)水利學(xué)教研組.水利學(xué)上下冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社,1980：56-60.

[3]補(bǔ)慶和.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社,1996：20-23.

[4]蔡正昆,管楓年,洪仁濟(jì).閘門與起閉機(jī)[M].北京：中國水利水電出版社,1983：79-82.

1007-7596(2014)12-0140-03

2014-04-29

袁克光(1982-)，男，滿族，遼寧本溪人，工程師。

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