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      虎莊河防潮節(jié)制閘工程過流能力及穩(wěn)定性分析

      2020-08-01 07:42:40
      水利科技與經(jīng)濟(jì) 2020年7期
      關(guān)鍵詞:莊河潮位營口

      楊 勇

      (綏中縣水利局,遼寧 葫蘆島 125200)

      節(jié)制閘工程是河道控制的主要設(shè)施,很多節(jié)制閘因建設(shè)年代久遠(yuǎn),已經(jīng)完全無法發(fā)揮應(yīng)有作用,必須進(jìn)行必要重建,而其過流能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合河道及閘門的實(shí)際情況,保證設(shè)計(jì)參數(shù)的科學(xué)合理性。

      1 工程概況

      虎莊河流域位于遼寧營口地區(qū)西北部,原虎莊河防潮節(jié)制閘工程始建于1964年11月。2014年9月,經(jīng)相關(guān)部門鑒定,該閘門過水能力不足,主要建筑物和結(jié)構(gòu)嚴(yán)重老化及損壞,現(xiàn)已無法使用,綜合評價(jià)為Ⅳ類閘,故對其拆除重建。根據(jù)防洪規(guī)劃,虎莊河防潮攔河閘最大過閘流量設(shè)計(jì)為477 m3/s,河閘工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級別為2級,次要建筑物為3級,臨時(shí)建筑物為4級。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)30年一遇,校核標(biāo)準(zhǔn)100年一遇,設(shè)計(jì)潮水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇。

      2 潮位計(jì)算

      2.1 潮位資料

      虎莊河位于大遼河水系,為感潮河段,主要受潮水控制。工程所在地區(qū)有營口和四道溝兩個(gè)國家級潮位站,其中營口站潮位資料較完整,涵蓋1955-2013年共58年資料,主要據(jù)此來確定設(shè)計(jì)潮位。見表1。

      表1 營口站潮位特征值表

      2.2 設(shè)計(jì)潮位計(jì)算

      根據(jù)營口站58年潮位資料,按“皮爾遜Ⅲ型分布曲線”進(jìn)行頻率分析計(jì)算,公式如下:

      (1)

      (2)

      式中:hp為對應(yīng)于年頻率P的潮位值;Kp為不同頻率P對應(yīng)的模比系數(shù);CV為離差系數(shù);n為年數(shù)。

      根據(jù)公式計(jì)算出營口站在CV=0.05,CS/CV=1.0、2、2.5共3種情況下的最高潮位理論頻率曲線(CS為偏度系數(shù)),其中在CS/CV=1.0情況下經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)與理論頻率曲線適線良好,由此可以推出營口站設(shè)計(jì)高潮位頻率分析成果,見表2[1]。

      表2 營口潮位站年最高潮位頻率分析成果表(CS/CV=1.0)

      3 閘門過流能力計(jì)算

      3.1 應(yīng)承擔(dān)的過流能力計(jì)算

      本次水閘過流能力驗(yàn)算主要對上游河道的承泄能力進(jìn)行分析,最大泄流能力取20年一遇洪水和滿槽水位時(shí)當(dāng)過流量的較小者。

      3.1.1 20年一遇洪水當(dāng)過流量計(jì)算

      在20年一遇洪水時(shí),虎莊河閘泄水能力Q按照“半有壓流涵洞”計(jì)算,計(jì)算公式如下[2]:

      (3)

      式中:m為流量系數(shù),取0.36;A為斷面面積,m2;H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深,取值5.85 m;i為主河道平均坡度,(°);L為主河道長度,m;β為修正系數(shù),取0.72;D為涵洞高度,m。

      經(jīng)計(jì)算可知,當(dāng)過流量Q=523.36 m3/s。

      3.1.2 滿槽水位當(dāng)過流量計(jì)算

      本項(xiàng)目滿槽水位當(dāng)過流量按照“10年一遇設(shè)計(jì)洪水位與波浪爬高、風(fēng)壅高度、安全超高”之和計(jì)算。計(jì)算參照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286-2013)附錄C的有關(guān)公式,5級堤防安全超高取0.5 m。經(jīng)計(jì)算,波浪爬高與風(fēng)壅高度之和0.30 m,堤頂高程為4.22 m。按此計(jì)算虎莊河閘門在滿槽水位時(shí)堤防承擔(dān)的當(dāng)過流量Q=477 m3/s,小于20年一遇洪水當(dāng)過流量,所以泄流能力應(yīng)按該數(shù)值計(jì)算。

      3.2 過流能力驗(yàn)算

      虎莊河閘門上泄流水位4.22 m,通過與下游各種不同水位進(jìn)行組合來驗(yàn)算過流能力,成果見表3。

      表3 虎莊河閘門過流能力驗(yàn)算表

      根據(jù)閘下河道規(guī)劃斷面形式,按照明渠水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算,繪制出閘下水位-流量關(guān)系曲線,見圖1[3]。由圖1可知,當(dāng)水位在4.0 m左右時(shí),虎莊河閘門通過流量可達(dá)500 m3/s,大于其應(yīng)承擔(dān)的當(dāng)過流量477 m3/s,因此過流能力符合要求。

      圖1 閘下水位-流量關(guān)系曲線

      4 閘門工程穩(wěn)定性分析

      4.1 閘基滲透穩(wěn)定性分析

      4.1.1 閘基防滲長度計(jì)算

      根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)規(guī)定,閘基防滲長度L(閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度總和)應(yīng)滿足式(4)[4],求得L=16.56;而測得地下輪廓線實(shí)際長度為40.0 m,遠(yuǎn)大于L值,因此防滲長度滿足要求。

      L=C·△H

      (4)

      式中:C為允許滲徑系數(shù)值,取值3;△H為上下游水位差,按最不利情況取值5.22 m。

      4.1.2 閘基滲透穩(wěn)定性計(jì)算

      本項(xiàng)目計(jì)算閘基滲透穩(wěn)定性時(shí),采用“分段阻力系數(shù)法”,共分為以下3段:進(jìn)出口段、內(nèi)部垂直段、水平段[5]。采用以下3個(gè)水位組合:①正常蓄水位:閘上水位1.50 m,閘下水位-1.00 m;②設(shè)計(jì)洪水位:閘上洪水位3.42 m,閘下平均高潮位1.45 m;③校核水位:閘上水位1.50 m,閘下洪水位3.77 m。

      1) 進(jìn)出口段阻力系數(shù)ξ0:

      (5)

      式中:S為齒墻或板樁的入土深度,m;T為地基有效深度或?qū)嶋H深度,m。

      2) 內(nèi)部垂直段阻力系數(shù)ξy:

      (6)

      3) 水平段阻力系數(shù)ξx:

      (7)

      式中:Lx為水平段長度,m;S1、S2為分別為進(jìn)出口段齒墻或板樁的入土深度,m。

      計(jì)算出各分段阻力系數(shù)后,接著計(jì)算各分段水頭損失值hi及滲壓值,計(jì)算公式如下[6],部分成果見表4-表6。

      表4 正常蓄水位滲壓計(jì)算成果表(部分)

      表5 設(shè)計(jì)洪水位滲壓計(jì)算成果表(部分)

      表6 校核情況滲壓計(jì)算成果表(部分)

      本項(xiàng)目水平段及出口段滲流坡降值計(jì)算:

      (8)

      式中:ξi為各分段阻力系數(shù);n為總分段數(shù);△H為水閘的上下游水位差,m。

      水平段:Jx=hx/Lx

      出口段:J0=h0/S

      由此得出水平及出口滲流坡降值結(jié)果,見表7。由此可見,在各種水位組合下,閘基水平段、出口段滲透坡降值均滿足規(guī)范要求,閘基滲透穩(wěn)定性良好。

      表7 閘基滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

      4.2 閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

      重建的虎莊河閘主體結(jié)構(gòu)按2級建筑物設(shè)計(jì),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,手電兩用啟閉機(jī),出口尺寸3.0 m×4.2 m(寬×高),設(shè)自由側(cè)翻式拍門,總寬41.10 m。

      4.2.1 計(jì)算工況及公式

      為計(jì)算閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,在此選取以下兩個(gè)水位工況分析:①設(shè)計(jì)洪水水位:閘上10年洪水3.42 m,閘下平均高潮位1.45 m;②校核水位:閘上水位1.50 m,閘下大遼河100年洪水位3.77 m??够€(wěn)定系數(shù)Kc計(jì)算如下[7]:

      Kc=f·∑G/∑P

      (9)

      式中:f為底板與基礎(chǔ)摩擦系數(shù),取0.35;∑G為作用在閘室的全部垂直力總和,kN;∑P為荷載對底板形心軸的力矩,kN·m。

      4.2.2 閘室穩(wěn)定性分析

      閘室穩(wěn)定性分析成果見表8。

      表8 閘室穩(wěn)定性分析成果表

      由表8中數(shù)據(jù)得知,在該兩種工況下閘室穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

      5 結(jié) 語

      虎莊河防潮節(jié)制閘投入使用后,各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求,過流能力通過了夏季洪水考驗(yàn)。通過水準(zhǔn)儀持續(xù)測量,閘門整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也完全符合標(biāo)準(zhǔn),虎莊河防潮節(jié)制閘重建工程取得了圓滿成功。閘門工程設(shè)計(jì)理論結(jié)合實(shí)際,按照最不利情況考慮,以防出現(xiàn)“小馬拉大車”問題的出現(xiàn)。

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