關(guān)于河道除險加固工程中水閘的設(shè)計及運用分析

陳敏

摘 要：河道工程建設(shè)中，常因水閘年久失修而導(dǎo)致病害產(chǎn)生?；诖?，從水閘安全隱患出發(fā)，強化對水閘的設(shè)計和運用進行分析，對整體解決水利工程病害具有重要的意義。本文結(jié)合《臨泉縣焦橋閘除險加固工程初步設(shè)計》方案，就水閘在河道除險加固工程后的設(shè)計和運用進行分析，以為類似工程建設(shè)提供可行性借鑒。

關(guān)鍵詞：河道;除險加固;工程;水閘;設(shè)計;運用

中圖分類號：TV222? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0136-03

在水利工程整體建設(shè)中，水閘作為防洪排澇、滿足工農(nóng)業(yè)用水需求的基本點，受運行時間、人為因素及自然環(huán)境等影響，在運行中遇到了諸多問題。水閘隱患的產(chǎn)生，因臨泉縣境內(nèi)的整個谷河流域地形、財力不足，排澇水位高程定位較高等問題，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極為不利的影響[1-2]。由此，強化在水閘除險加固處理上的設(shè)計運用，可整體上實現(xiàn)防洪排澇，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件?，F(xiàn)就河道除險加固工程中水閘的設(shè)計及運用分析總結(jié)如下。

1 工程概括

焦橋閘位于臨泉縣宋集鎮(zhèn)谷河本干上，控制流域面積314km?，排澇流量192m3/s，蓄水庫容270 萬m3。預(yù)計灌溉面積2.7萬畝，農(nóng)田防旱改善31.4萬畝。原焦橋閘因啟閉機房及上、下游護坡、閘門、交通橋等均存在老化、破損，已影響閘身安全及正常運行。本次設(shè)計治理標(biāo)準(zhǔn)按5年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)，共疏浚河道長度45km，但受財力不足，排澇水位高程定位較高，斷面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，部分橋梁建筑物未能改造，仍存在較嚴(yán)重阻水、壅水現(xiàn)象。該閘經(jīng)專家鑒定為四類閘，應(yīng)拆除重建。

河道中存在的安全隱患因素諸多，水利工程自身功用需要發(fā)揮到極致，尤其像2020年夏季這樣的季節(jié)影響，長期陰雨連天，洪水四處泛濫，淹沒了不少家園。水閘在此發(fā)揮著不可替代的作用，也因此需要更加重視水利工程建設(shè)。本水利工程中水閘設(shè)計擬選用兩種設(shè)計方案。通過技術(shù)論證和實證分析，提出兩種設(shè)計方案進行比選，最終設(shè)計出符合河道工程正常運行的水閘。

2水閘設(shè)計細則

2.1設(shè)計方案

水閘除險加固包括水閘等級、洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、水閘規(guī)模合理度、水閘實際運用情況、流域防洪規(guī)劃、水文系列、水閘原規(guī)模復(fù)核等內(nèi)容[3]。重建水閘為鋼筋砼開敞式水閘，5 年一遇設(shè)計排澇流量為233m?/s， 20年一遇設(shè)計排洪流量為375m?/s。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案選型如下：

從以上比較結(jié)果看，方案一比方案二投資少，且運行管理方便，綜合考慮選擇方案一，即5孔閘室方案。

2.2加固設(shè)計內(nèi)涵

2.2.1 設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，焦橋閘主要建筑物為Ⅲ等中型水閘。擬重建閘室底板高程、總孔數(shù)、單孔寬分別為29.50m、5 孔、6.0m，閘室為開敞式結(jié)構(gòu)。閘墩頂部上游側(cè)交通橋，橋面凈寬設(shè)置為7.0m，橋面高程設(shè)定為37.0m;閘室總寬36.0m，上部設(shè)鋼筋砼排架、啟閉臺及啟閉機房。閘室上游側(cè)布置 16.0m長鋼筋砼防滲鋪蓋，下游設(shè)17.0m長鋼筋砼挖深式消力池，池深0.90m。在消力池后布置砌石海漫，長30m，后接8m長防沖槽，建筑物總長106m。

2.2.2水力設(shè)計

（1）過流能力驗算

根據(jù)《安徽省淮北地區(qū)除澇水文計算辦法》，流域面積在 50～5000km2時，排水模數(shù)計算采用公式：M=0.026RF-0.25。

流量采用公式：Q=MF=KRF0.75（m3/s），流域面積在 50～5000km2。

式中：M——排水模數(shù)（m3/s/km2）;F——焦橋閘控制流域面積;R——三日設(shè)計暴雨相應(yīng)的凈雨深，單位：mm;K——峰量關(guān)系系數(shù)，采用日平均值，根據(jù)對口水文成果，K=0.026。

（2）水閘選址

閘址位置選擇宜在地質(zhì)條件良好的天然地基上，以減少基礎(chǔ)處理費用，節(jié)約工程投資。拆除重建涵閘與設(shè)計相匹配，并盡量選擇原閘址，以利供電系統(tǒng)、交通條件和管理設(shè)施，減少工程投資和工程占地，綜合考慮原址拆除重建，重建焦橋閘在原閘下游位移20m以減少路橋影響。閘室底板高程選擇谷河本干，閘址處河底設(shè)計高程29.50m，與河底平齊。

（3）消能防沖設(shè)計計算

公式為：d=σoh"c-h's-ΔZ

式中：d——消力池深度（m）;σo——水躍淹沒系數(shù);hc" ——躍后水深（m）;hc——收縮水深（m）;α——水流動能校正系數(shù);q——過閘單寬流量（m2/s）;b1——消力池首端寬度（m）;b2——消力池末端寬度（m）;To——由消力池底板頂面算起的總勢能（m）;ΔZ——出池落差（m）;hs'——出池河床水深（m）。

2.2.3 防滲排水設(shè)計

初擬閘基防滲長度按下式計算：

L=C×ΔH

式中：ΔH——上、下游水位差，檢修時期水位差最大;C——滲徑系數(shù);L——閘基防滲長度，計算值為20.50m。

閘基滲透計算采用《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦的改進阻力系數(shù)法計算：

式中：ξo——進、出口段的阻力系數(shù);S——齒墻的入土深度（m）;T——地基透水層深度（m）。

內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)：

式中：ξy——內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù);水平段的阻力系數(shù)。

式中：ξx——水平段的阻力系數(shù);S1、S2——水平段首、末齒墻的入土深度（m）。

由此，做好消力池下部排水孔的設(shè)計，面對減少護坦基部滲透壓，在水平護坦后側(cè)安排垂直型排水孔，在孔下部鋪設(shè)反濾層。通過消力池后部設(shè)計垂直型排水孔以達到降低池底板滲壓的效果。

2.2.4 閘室結(jié)構(gòu)布置及穩(wěn)定性分析

按水閘設(shè)計規(guī)范，土基上閘室基底面的抗滑安全系數(shù)，按下式計算：

其中：Kc——沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f——閘基基底面與地基之間的摩擦系數(shù);∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）;Φ0——閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角（o）;C0——閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的粘結(jié)力（kPa）。

2.2.5閘室基底應(yīng)力

按下式計算：

其中，ΣG——作用在閘室上的全部豎向荷載;ΣMx、ΣMy——作用在閘室上的全部垂直荷載和水平荷載對基礎(chǔ)底面垂直水流方向和順?biāo)鞣较虻男涡妮S的力矩（kN.m）;A——閘室基礎(chǔ)底面面積（m2）;Wx、Wy——閘室基底面對于該底面垂直水流方向和順?biāo)鞣较虻男涡妮S的截面矩（m3）。

經(jīng)分析計算可得，焦橋閘閘室為開敞式鋼筋砼結(jié)構(gòu)，共分5 孔，單孔寬度 6.0m，閘底板采用整體式平底板，厚1. 0m，閘墩為實體墩，厚1.10m。閘室順?biāo)鞣较?5.0m，垂直水流方向36.0m。閘墩頂部下游設(shè)置檢修工作便橋、鋼筋砼排架、啟閉臺及啟閉房等，上游設(shè)置預(yù)制公路橋。橋頭堡設(shè)置在空箱式岸墻上。

閘室設(shè)計，要保證閘基和兩岸連接建筑物的穩(wěn)定性，增加土的抗?jié)B穩(wěn)定性，避免在水位差較大時水閘因滲透變形，而危及水閘主體工程建設(shè)安全性。本次閘址選擇綜合考慮了水文地質(zhì)條件、上下游水位差、閘室和兩岸連接建筑物分布特點等，并綜合考慮了閘室防滲設(shè)計、排水系統(tǒng)、閘基處理、兩岸抗?jié)B穩(wěn)定等。還通過控制閘室總凈寬度設(shè)計流量、閘孔徑使用要求、水閘閘門形式等因素，整體解決了閘室安全問題。

通過設(shè)計閘室、翼墻結(jié)構(gòu)形式、尺寸設(shè)計和結(jié)構(gòu)布置，在地基條件、地基承載力控制、地基妥善處理中，綜合考慮了水閘設(shè)計結(jié)構(gòu)強度、剛度。綜合設(shè)計層面，出于環(huán)境保護、造型設(shè)計美觀度、水閘服務(wù)河道水利建設(shè)和綜合效益，全面發(fā)展了我國的河道水利工程。

2.2.6工作閘門設(shè)計

閘門設(shè)計需綜合考慮抗滑穩(wěn)定性和抗?jié)B穩(wěn)定性，以確保閘室能承受上下游水位差造成的水平推力，避免閘室向下游滑動，導(dǎo)致水閘穩(wěn)定性失衡問題。依照方案比選結(jié)果，焦橋閘閘門設(shè)計門型為露頂式平面定輪鋼閘門，門體為實腹式等截面主橫梁焊接構(gòu)件，主材為Q235B，面板布置在閘上游側(cè)。

3結(jié)語

綜上所述，本次水閘設(shè)計，立足既定水利工程建設(shè)和設(shè)計的基本要求，詳細分析了水閘周圍的水環(huán)境，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進行設(shè)計。與此同時，水閘的運用問題作為河道水利工程施工中的關(guān)鍵問題，必須采取有效的措施加以預(yù)防和處理，且還需將理論與實踐相結(jié)合，最大限度地提高水閘設(shè)計質(zhì)量和運用。

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