水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)

修德祿

（營(yíng)口市水利勘測(cè)建筑設(shè)計(jì)院，遼寧營(yíng)口115000）

1 虎莊河水閘簡(jiǎn)介

虎莊河閘是一座以防潮為主，兼顧排澇、灌溉與防洪等任務(wù)的水閘，該水閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)潮水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，工程等別為Ⅱ等。虎莊河閘以上游胸墻為界，前為開敞式，后為涵洞式，共9孔，每3孔為一聯(lián)。進(jìn)口尺寸3.5 m×4.2 m（寬×高），設(shè)矩形平板鑄鐵閘門，手電兩用雙吊點(diǎn)螺桿式啟閉機(jī)；出口尺寸3.0 m×4.2 m（寬×高），設(shè)節(jié)能型自力式閘門，總寬41.10 m。

2 選址與地基處理

水利水電工程建設(shè)中，水閘的選址十分重要，應(yīng)選擇地基基礎(chǔ)較好的地點(diǎn)。一般而言，應(yīng)優(yōu)先選擇巖石地基，同時(shí)充分考慮到地質(zhì)和水文分析情況，若無(wú)法滿足巖石地基的要求，可使用抗剪性強(qiáng)、滲水性較弱，壓縮性較低且承載力較強(qiáng)的土質(zhì)地基來(lái)代替巖石地基。

另外施工人員可在原土上加載，以此排除多余的水分，提高土的固結(jié)程度，并對(duì)工程后續(xù)的沉降進(jìn)行有效控制，提高結(jié)構(gòu)承載力是預(yù)壓的主要目的。預(yù)壓能夠在保證荷載的前提下減小體積，且閘基會(huì)有所增強(qiáng)，如淤泥質(zhì)土和粘性土地基的應(yīng)用效果比較理想。但其也存在著明顯的不足，其通常無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成工程建設(shè)，給企業(yè)帶來(lái)較大損失。

3 閘室穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算工況

1）基本組合

①完建期情況：閘上、閘下均無(wú)水；

②正常蓄水位情況：閘上水位1.50 m，閘下水位-1.00 m；

③設(shè)計(jì)洪水情況：閘上水位3.42 m，閘下平均高潮位1.45 m。

2）特殊組合

①校核情況：閘上水位1.50 m，閘下大遼河100年洪水位3.77 m；

②地震情況：閘上水位1.50 m，閘下-1.00 m。

3.2 計(jì)算公式

式中：Kc——抗滑穩(wěn)定系數(shù)；ΣG——作用在閘室的全部垂直力的總和，kN；ΣP——作用在閘室的全部水平力的總和，kN；f——底板與基礎(chǔ)之間的摩擦系數(shù)，取0.35；ΣM——荷載對(duì)底板形心軸力矩的總和，kN·m；e——偏心距，m；σmax，σmin——基底的最大和最小壓應(yīng)力，MPa；η——不均勻系數(shù)。

4 閘基防滲排水

水利水電工程建設(shè)中，上下游水位的差異十分明顯，這種差異對(duì)水利工程的運(yùn)行也起到了十分積極的作用。在施工中應(yīng)采取多種措施增強(qiáng)排水的效果。在上游水進(jìn)入到河床，并經(jīng)過(guò)防滲鋪蓋、閘底板、板樁和消力池時(shí)，應(yīng)借助反滲層當(dāng)中的排水孔，讓水進(jìn)入到下游河段，從而保證排水的效果。若工程建設(shè)中出現(xiàn)地基滲水的問(wèn)題，則需采取有效措施第一時(shí)間排除積水。為了加快排水的速度，還可采取多種有效措施加強(qiáng)防水質(zhì)量。另外借助鋪蓋、板樁等結(jié)構(gòu)作為防水的工具，延長(zhǎng)滲透通道，縮小滲透壓。而且這里的濾水層也有著十分顯著的排滲作用。

此外閘基防滲長(zhǎng)度應(yīng)滿足：

式中：L——閘基防滲長(zhǎng)度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長(zhǎng)度的總和，m；△H——上下游水位差，上游水位取10年一遇設(shè)計(jì)堤防滿槽水位4.22 m，下游無(wú)水即水位為-1.00 m，為最不利情況，△H=5.22 m；C——允許滲徑系數(shù)值，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.3.2粘土取3～2，該次取3。

經(jīng)計(jì)算：L=3×5.22=16.56 m。

地下輪廓線實(shí)際長(zhǎng)度L≈40.00 m＞16.56 m，由此可見，防滲長(zhǎng)度滿足要求。

5 消力池底板排水孔設(shè)計(jì)

消力池底板需要承受不同的作用力，如水流脈動(dòng)壓力、水流沖擊力以及水力上浮等。因此消力池底板應(yīng)具有較強(qiáng)的抗壓性及耐磨性，同時(shí)為抵御來(lái)自重物的沖擊，其還應(yīng)具有較高的強(qiáng)度。排水孔可設(shè)置在水平護(hù)板的后部，且在排水孔的下方設(shè)置反濾層。這里需將排水孔設(shè)置為梅花形，從而保證排水的質(zhì)量，避免排水不暢。此外，在工作中還要減輕護(hù)板底部所產(chǎn)生的滲透壓力。

6 水閘過(guò)流能力驗(yàn)算

6.1 涵洞過(guò)流能力計(jì)算方法

根據(jù)中國(guó)水利水電出版社出版的“取水建筑物叢書”的《涵洞》，采用如下公式：

6.1.1 流態(tài)的判別

1）當(dāng)H/D≤1.2，h＜D時(shí)，為無(wú)壓流；h≥D時(shí)，為淹沒壓力流。

2）當(dāng)1.2＜H/D ≤1.5，h＜D 時(shí)，為半有壓流；h≥D時(shí)，為淹沒壓力流。

3）當(dāng)1.5＜H/D時(shí)，為有壓流；h≥D時(shí)，為淹沒壓力流。

式中：H——進(jìn)口水深，m；h——出口水深，m；D——洞高，m。

6.1.2 無(wú)壓短洞流涵洞流量計(jì)算

式中：Q——流量，m3/s；m——流量系數(shù)，取0.36；B——洞寬，m；H0——計(jì)入行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深，m。

6.1.3 半有壓流涵洞流量計(jì)算

式中：m1——流量系數(shù)，取0.62；i——涵洞底坡比降；β1——修正系數(shù)，取0.72；A——洞身斷面面積，m2。

6.1.4 淹沒壓力流涵洞流量計(jì)算

式中：m3——流量系數(shù)；∑ξ——局部水頭損失的總和；C——謝才系數(shù)；R——水力半徑。

6.2 實(shí)例

閘上10年一遇水位流態(tài)判別。根據(jù)虎莊河閘運(yùn)行情況，當(dāng)上游發(fā)生10年一遇洪水與下游10年一遇潮位3.05 m遭遇時(shí)，該閘閘門全部開啟泄流，假設(shè)為無(wú)壓流涵洞。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)過(guò)流量為330.75 m3/s時(shí)，閘上計(jì)入行近流速水頭的水深H0=4.53 m，閘上水深H=4.42 m，即閘上水位為4.42+（-1.0）=3.42 m。由于 H/D=4.42 m/4.2 m=1.05＜1.2，下游水深h=4.05 m=4.2 m，滿足對(duì)涵洞無(wú)壓流的判別。

6.3 過(guò)流能力驗(yàn)算

閘上泄流水位4.22 m，與下游各種不同水位進(jìn)行組合，驗(yàn)算水閘過(guò)流能力，成果見表1。

7 結(jié)語(yǔ)

水利水電工程建設(shè)中，水閘設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)水閘運(yùn)行的效果以及水利水電工程建設(shè)的質(zhì)量有著較大影響，因此必須重視該項(xiàng)工作，且要從每一個(gè)細(xì)節(jié)入手加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)的管控，進(jìn)而達(dá)到提高設(shè)計(jì)合理性的目的。

表1 過(guò)流能力驗(yàn)算表