王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

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富路灌區(qū)某分水閘設(shè)計淺析

王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：通過對灌區(qū)工程中分水閘的研究設(shè)計，認(rèn)識到分水閘在灌區(qū)工程中起到灌溉作用的重要性，對分水閘的結(jié)構(gòu)布置、過流能力、消力池及海漫計算、滲流穩(wěn)定計算、閘室穩(wěn)定計算及抗凍設(shè)計等內(nèi)容進(jìn)行了研究?？偨Y(jié)了相應(yīng)的工程結(jié)論及經(jīng)驗，為同行提供相應(yīng)借鑒。

關(guān)鍵詞：分水閘；結(jié)構(gòu)布置；過流能力；滲流穩(wěn)定計算；閘室穩(wěn)定計算；抗凍設(shè)計

1工程概況

富路灌區(qū)設(shè)計灌溉面積3 333hm2，全部為旱田。本次設(shè)計對《尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程可行性研究報告》中富路灌區(qū)的總體布局方案進(jìn)行復(fù)核，將原可研中的1條干渠，2條排干，布置方案改為1條干渠，1條排干的單側(cè)灌溉單側(cè)排水的新布局。通過優(yōu)化渠系布置減少了1條排干工程的占地面積，同時擴(kuò)大了單個支渠的控制面積，更加符合當(dāng)前大農(nóng)業(yè)的時代背景，更利于農(nóng)機(jī)具的耕作，優(yōu)化后的布局更加合理。布置骨干渠系建筑物30座，其中分水閘7座，節(jié)制閘1座，退水閘1座，橋6座，涵洞14座，渠下涵1座。

尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程富路灌區(qū)工程在富路干渠上某樁號修建一座分水閘，干渠設(shè)計加大水位為164.96m，渠底高程為163.96m，堤頂高程為165.44m，底寬2m，邊坡為1:2，堤頂寬1.5m；支渠設(shè)計加大水位為164.70m，渠底高程為163.88m，堤頂高程為165.10m，設(shè)計加大流量為0.47m3/s，底寬為0.5m，兩側(cè)坡比為1∶1.5，堤頂寬1m。

2分水閘結(jié)構(gòu)布置

分水閘采用開敞式，由進(jìn)口鋪蓋、閘室及消力池段、海漫及防沖槽組成。進(jìn)口鋪蓋長2.96m，凈寬由6.42m漸變至0.5m，底高程163.96m，采用10 cm厚混凝土板護(hù)砌，下設(shè)砂墊層10 cm和防滲膜一層。閘室及消力池段為鋼筋混凝土折線底板整體式U型槽結(jié)構(gòu)，長9.0m，與兩岸聯(lián)接設(shè)一字墻；閘底檻高程163.96m，單孔凈寬0.5m，共1孔，總凈寬0.5m；閘底板厚60 cm，邊墩頂部寬40 cm，底部寬60 cm；閘孔內(nèi)設(shè)一道機(jī)閘一體鑄鐵閘門；閘上設(shè)有人行橋，人行橋橋面高程同堤頂為165.44m，橋?qū)?.0m；消力池段采用鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)，凈寬0.5m，深0.5m。海漫長15.0m，型式為干砌石30 cm、砂礫石10 cm、一層無紡布；在海漫的末端設(shè)拋石結(jié)構(gòu)防沖槽。

3過流能力計算

根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范[1]，計算公式如下：

1)當(dāng)為堰流時,且hs/H0<0.9時，閘孔總凈寬計算公式為：

(1)

2)當(dāng)堰流處于高度淹沒度時(hs/H0≥0.9),閘孔總凈寬計算公式為：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；σ為淹沒系數(shù)；B0為閘孔總凈寬；B0=nb0m；b0為每孔凈寬；bs為上游河道一半水深處的寬度；bb為邊閘墩順?biāo)飨蜻吘壘€至上游河道水邊限之間的距離；n為閘孔孔數(shù)；m為流量系數(shù)，采用0.385；εb為邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；εz為中閘孔側(cè)收縮系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；σ為淹沒系數(shù) ；H為堰頂上游水深；H0為計入行近流速的堰頂水頭；v0為行近流速，按堰前(3～5)H處的過水?dāng)嗝嬗嬎?；hs為下游水位超過堰頂?shù)乃?；?為淹沒堰流的綜合系數(shù)。

經(jīng)計算，hs/H0=0.73，分水閘非高淹沒，采用3.1計算公式計算流量為0.77m3/s。經(jīng)驗算，過流能力大于設(shè)計流量0.47m3/s，滿足要求。

4消力池及海漫計算

根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范，計算公式如下：

4.1消力池深度

可按下列公式計算：

(3)

式中：d為消力池深度，m；σ0為水躍淹沒系數(shù)，取1.075；g為重力加速度；hc″為躍后水深，m；hc為收縮水深，m；α為水流動能校正系數(shù)；取1.0；g為過閘單寬流量，m2/s；b1為消力池首端寬度，m；b2為消力池末端寬度，m；T0由消力池底板頂面算起的總勢能，m；△Z為出池落差，m；hs′為出池河床水深，m；?為孔流流速系數(shù)，取1.0。

4.2消力池長度

計算公式如下：

Lj=6.9(hc″-hc)

Lsj=Ls+βLj

(4)

式中：Lsj為消力池長度，m；LS為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，取0.8 ；Lj為水躍長度，m。

4.3海漫長度計算

(5)

式中：△H′為泄水時的上下游水位差,m;qs為消力池末端單寬流量,m3/s/m;ks為海漫長度計算系數(shù),根據(jù)地質(zhì)資料讀取。

分水閘消力池及海漫設(shè)計計算結(jié)果見表1、表2。

5滲流穩(wěn)定計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計算滲流比降。

5.1防滲長度計算

根據(jù)建筑物上下游水位差和地基土質(zhì)條件，選擇地下輪廓的形狀和尺寸，采用滲徑系數(shù)法，初步擬定防滲長度。

分水閘坐落于低液限黏土上，初步擬定的閘基防滲長度應(yīng)滿足下式要求 ：

L=C△H

(6)

式中：L為建筑物地下輪廓線長度，m；△H為上下游水位差，m；C為允許滲徑系數(shù)值，黏土取4。

表1　正常工況分水閘消能計算及設(shè)計成果表

表2　不利工況分水閘消能計算及設(shè)計成果表

防滲長度計算結(jié)果見表3。

表3　防滲長度計算成果表

經(jīng)計算，初步擬定的地下輪廓的形狀和尺寸均滿足防滲長度的要求。

5.2地基有效深度計算

(7)

式中：Te土基上水閘地基有效深度，m；L0為地下輪廓的水平投影長度，m；S0為地下輪廓垂直投影長度，m。

5.3分段阻力系數(shù)計算

5.3.1進(jìn)、出口段

(8)

式中：ξ0為進(jìn)、出口段阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

5.3.2內(nèi)部垂直段

(9)

式中：ξy為內(nèi)部垂直段阻力系數(shù)。

5.3.3水平段

(10)

式中：ξx為水平段阻力系數(shù)；Lx為水平段長度，m；S1、S2為進(jìn)、出口板樁或齒墻入土深度，m。

5.4各分段水頭損失值

(11)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

5.5進(jìn)、出口段修正后的損失值

(12)

式中：h0′為修正后水頭損失值，m；h0為水頭損失值，m；β′為阻力修正系數(shù)，取1.0；S′為底板埋深與板樁入土深度之和，m；T′為板樁令一側(cè)地基透水地基深度，m。

5.6水平比降

(13)

式中：Jx為水平比降；hx為水平水頭損失，m。

5.7出逸比降

(14)

式中：J0為出逸比降，m。

分水閘滲透穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265—2001)：黏土基礎(chǔ)水平段允許滲流比降[J允許]=0.30～0.40，出口段允許滲流比降[J允許]=0.60～0.70，從計算結(jié)果可見，分水閘滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，不會產(chǎn)生滲透破壞。

表4　分水閘滲透穩(wěn)定計算成果表

6閘室穩(wěn)定計算

根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范，計算公式如下：

6.1抗滑穩(wěn)定計算

計算公式如下：

(15)

式中：KC為基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基底面與地基摩擦系數(shù)；a為基底面積，m2；∑G為全部豎向荷載，kN；∑H為全部水平荷載，kN；φ0為基底面與地基摩擦角，°；c0為基底面與地基黏結(jié)力；[Kc]為容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，[Kc]=1.3。

6.2閘室段應(yīng)力計算

計算公式：

(16)

式中：B為閘室段長，m；e為偏心距，m；σmax、σmin為最大最小應(yīng)力，kPa；∑G為堰體全部豎向荷載，kN；∑m為堰體全部豎向荷載和水平荷載對地基面垂直水流方向的形心力矩，kN·m；η為不均勻系數(shù)。

6.3抗浮穩(wěn)定計算

計算公式如下：

(17)

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V為閘室全部向下的鉛直力之和，kN；∑U為閘室基礎(chǔ)底面揚(yáng)壓力，kN。

計算結(jié)果見表5。

表5　分水閘閘室穩(wěn)定計算成果表

由表5可知，閘基礎(chǔ)為低液限黏土，地基容許承載力為120 kPa，閘室基底應(yīng)力滿足規(guī)范要求；大小應(yīng)力比、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求。

7抗凍設(shè)計

為防止凍脹破壞，座落于凍脹性土地基上的建筑物基底均采取防凍措施，進(jìn)、出口U型槽邊墻及翼墻應(yīng)設(shè)保溫板，按《水工建筑物抗凍設(shè)計規(guī)范》[2]有關(guān)條款設(shè)計。

計算公式如下：

ψd=α+(1-α)ψi

(18)

式中：δx為保溫材料厚度，m；α為取-0.09；ψd為日照及遮蔭程度影響系數(shù)；λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，取λx=0.03W/(m·℃)；R0為工程保溫基礎(chǔ)設(shè)計熱阻值，m2·℃/W，取3.07 m2·℃/W；δc為基礎(chǔ)材料厚度，取1.2m；λc為基礎(chǔ)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，取2.94W/(m·℃)；I0為凍結(jié)指數(shù)，取2500；K為安全系，取1.1～1.15。

經(jīng)計算，保溫板厚度需要90 mm，本工程采用100 mm。本次設(shè)計建筑物底部及側(cè)面設(shè)置保溫板，采用聚苯乙烯保溫板進(jìn)行抗凍脹。

8結(jié)論

經(jīng)計算，本分水閘選定孔口尺寸為0.5m×1(寬×孔數(shù))。通過對分水閘進(jìn)行設(shè)計計算，為灌區(qū)建筑物設(shè)計提供一定借鑒，灌區(qū)建筑物的設(shè)計要依據(jù)灌區(qū)規(guī)劃，結(jié)合灌、排渠系總體布置，滿足灌溉、排水水位流量的要求，結(jié)合現(xiàn)有村屯交通狀況等因素布設(shè)相應(yīng)的渠系建筑物，選擇適合的結(jié)構(gòu)尺寸[3-4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國水利部. SL 265—2001水閘設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2001.

[2]中華人民共和國水利部. SL211-2006水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]何苗.茶山提水煙水配套工程蓄水池設(shè)計及施工要點(diǎn)分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì),2015(05)：37-38.

[4]任淑芬,高麗云,韓冰.水閘施工質(zhì)量控制分析[J]. 黑龍江水利科技,2013(04)：64-68.

文章編號：1007-7596(2016)02-0056-04

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]王曉旭(1987-)，女，黑龍江佳木斯人，助理工程師。

中圖分類號：TV66

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B