王 波

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

1 工程概況

某水庫引水渠首工程始建于1987年，為混凝土溢流壩，壩長40m，順?biāo)鏖L6.2m，堰頂高程為200.6m，主要功能是抬高河道水位，保證水庫通過引渠蓄水，為下游的灌區(qū)供水。2019年渠首所在區(qū)域多次發(fā)生局地強降雨，致使攔河壩壩體兩側(cè)混凝土與河岸連接處長時間受洪水持續(xù)強烈沖刷，右岸連接位置水毀嚴(yán)重，由于堰體年久失修，多年未進行維修，結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，保留現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的意義不大，為保證以后洪水期間工程安全運行并對洪水進行有效控制，對渠首進行除險加固工程設(shè)計。除險加固后渠首工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時性建筑物級別為5級。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)取20a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)取50a一遇。

2 閘址選擇

本次設(shè)計選四個方案進行定性分析，分別為上游閘址(方案一)、原位閘址(方案二)、選定閘址(方案三)、下游閘址(方案四)，具體位置見圖1(閘址比選示意圖)。對定性比選選定的方案再進行定量分析，最后確定閘址。

圖1 某水庫引渠渠首閘址比選示意圖

2.1 定性分析

1)建設(shè)規(guī)模：4個方案所選閘址相距比較近，水力要素幾乎不變，所以攔河閘規(guī)模基本一致。

2)工程地質(zhì)：地質(zhì)條件基本一致。

3)主要建設(shè)內(nèi)容：方案一需要改變原有水庫引水渠位置，建設(shè)攔河閘一座，封堵沖毀導(dǎo)流堤。方案二原閘址拆除原攔河壩后需要對基礎(chǔ)進行處理，建設(shè)攔河閘一座，封堵沖毀導(dǎo)流堤。方案三建設(shè)攔河閘一座，封堵沖毀導(dǎo)流堤，左側(cè)需要連接閘與提防交通，距離較短。方案四建設(shè)攔河閘一座，左側(cè)需要連接閘與提防交通，距離較長，右側(cè)需要修建固灘。

4)導(dǎo)流條件：從導(dǎo)流條件來看，四個閘址均可通過開挖導(dǎo)流明渠泄流，導(dǎo)流方案基本相同。

不同方案具體的導(dǎo)流條件為：

方案一開挖導(dǎo)流明渠半徑曲率較大，水流條件差，明渠出口正對原溢流壩沖坑位置，可能繼續(xù)濤刷沖坑，對工程安全造成一定影響。

方案二開挖導(dǎo)流明渠工程量相對較大。此外，相對其他方案來說，此方案工程開工前需要先將溢流壩拆除，不能合理安排枯水期拆除溢流壩，工程難度增大。

方案三明渠開挖工程量相對較小，水流進口與出口銜接平順，施工相對容易。

方案四可利用原河道開挖明渠，明渠開挖工程量相對小，但是此閘址處于河道拐彎處，水流條件復(fù)雜，且閘址位置高程較低，圍堰工程量偏大。

綜上所述：4個方案所選閘址相距比較近，建設(shè)規(guī)模與工程地質(zhì)條件基本一致，建設(shè)內(nèi)容和導(dǎo)流件存在差異，方案一需要新建引水渠，現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)引渠上游位置為凹岸，沖刷較嚴(yán)重，不利于引渠穩(wěn)定；方案二需要對原攔河壩拆除，拆除過程中會破壞現(xiàn)有基礎(chǔ)，需要處理，新建閘不能落在原狀地基上，增加投資且增加不利于建筑物穩(wěn)定的風(fēng)險；方案三對現(xiàn)有工程影響較小，且河道比較順直。方案四需要新建固灘，將來運行管理比較麻煩，并且改變現(xiàn)有河道走向，水流條件復(fù)雜，不利于河道穩(wěn)定。經(jīng)過分析，方案二和方案三對原有河道和現(xiàn)有布局影響比較小，導(dǎo)流條件相對合理，所以選擇方案二和方案三進一步比選[1]。

2.2 定量比選

通過定性分析選方案二和方案三進行定量比選，投資見表1。

表1 不同閘址投資比選表 萬元

經(jīng)過比選，方案三投資比較省，故選擇方案三為渠首除險加固閘址，即在原攔河壩的下游110m處。

3 渠首工程設(shè)計計算

水文水利計算專業(yè)提供的水力要素見表2，依據(jù)水力要素成果按《水閘設(shè)計規(guī)范》SL265-2016中過流能力、閘墩頂高程、消能防沖、滲流穩(wěn)定和閘室穩(wěn)定的相關(guān)規(guī)定進行計算。

表2 渠首水力要素

3.1 過流能力計算

對于平底閘，水閘過流能力采用寬頂堰公式計算：

(1)

(2)

(3)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，m；m為堰流流量系數(shù)，采用0.385；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；N為閘孔數(shù)；εz為中閘孔側(cè)收縮系數(shù)；εb為邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；σ為堰流淹沒系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深，m。

根據(jù)上述公式對過流能力進行驗算，計算結(jié)果見表3，計算流量均>設(shè)計流量，故攔河閘總凈寬擬定合理。

表3 渠首過流能力計算成果表

3.2 閘墩頂高程確定

閘墩頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況確定。

1)擋水時，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位或最高擋水位加波浪計算高度與相應(yīng)安全加高值之和。

2)泄水時，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計洪水位或校核洪水位與相應(yīng)安全加高值之和。

根據(jù)上述不同運行工況分別計算閘墩頂高程，取不同工況下的大值，計算結(jié)果見表4。通過計算，取三種工況中的大值，即閘墩頂高程為203.52m。

表4 渠首閘墩頂高程計算成果表 m

3.3 消能防沖計算

結(jié)合閘門運行調(diào)度，將閘門開度分成幾個檔次，消能計算時取用與上一檔次泄量相應(yīng)的水位為下游水位來確定消力池深度。消力池池長取決于水躍的深度，水躍深度與下游水深關(guān)系不大，因此，消力池長度按攔河閘通過的最大泄量確定。

消力池深度d按下列公式計算：

(4)

消力池長度Lsj計算:

(5)

式中：Lj為水躍長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，m；Lsj為消力池長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，取0.75。

海漫長度Lp計算：

(6)

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度系數(shù)；△H′為上、下游水位差，m。

攔河閘消力池設(shè)計深度計算成果見表5，池長及海漫計算成果見表6。通過計算成果表可見，試算深度最大值為1.20m，根據(jù)計算成果并參照同類工程經(jīng)驗，設(shè)計消力池深度為1.2m，池長為21.0m，海漫長35.0m。

表5 攔河閘消力池池深計算表

表6 渠首消力池池長及海漫計算成果表

3.4 滲流穩(wěn)定計算

滲流穩(wěn)定計算采用改進阻力系數(shù)法進行計算，由于設(shè)計洪水位及校核洪水位工況上、下游水頭差較小，因此，本次設(shè)計僅對攔河閘經(jīng)常運行工況進行復(fù)核，即上游為正常引用水位，下游無水情況。滲流穩(wěn)定計算成果見表7，水平段及出口段滲流坡降值均<允許坡降值，建筑滲透穩(wěn)定[2]。

表7 滲流穩(wěn)定計算成果表

3.5 閘室段穩(wěn)定計算

荷載組合：基本荷載組合，主要計算完建情況、正常引水水位、設(shè)計洪水位情況。特殊荷載組合，主要計算校核洪水位情況。

閘室段基底應(yīng)力按下面公式計算：

(7)

(8)

(9)

式中：B為閘室段順?biāo)鞣较虻拈L度,m；e為相對閘室段垂直水流方向中心線偏心距，m；Pmax為閘室基底應(yīng)力的最大值，kPa；Pmin為閘室基底應(yīng)力的最小值，kPa；∑M為作用在閘室上的全部豎向荷載和水平向荷載對基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚壓力在內(nèi)，kN)；A為閘室基底面的面積(m2)；W為閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m2；η為不均勻系數(shù)。

土基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應(yīng)按下列公式計算：

(10)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；φ0為閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角。°；C0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的黏結(jié)力，kPa。

當(dāng)閘室設(shè)有兩道檢修閘門或只設(shè)一道檢修閘門，利用工作閘門與修閘門進行檢修時，應(yīng)按下列公式進行抗浮穩(wěn)定計算。

(11)

式中：Kf為閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V為作用于閘室上全部向下的鉛直力之和，kN；∑U為作用于閘室基礎(chǔ)底面上的揚壓力，kN。

閘室段穩(wěn)定計算結(jié)果見表8，閘室段應(yīng)力計算成果見表9。

表8 渠首閘室段穩(wěn)定計算成果表

表9 渠首閘室段應(yīng)力計算成果表

通過計算結(jié)果表可以看出：閘室抗滑、抗浮安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，閘室基底應(yīng)力均為壓應(yīng)力且<地基允許承載力，即P允許=165kPa。

4 渠首工程布置

攔河閘采用平底板開敞式型式，堰型為寬頂堰，采用平板鋼閘門控制水位。由進口護砌段、鋪蓋段、閘室段、消力池段和海漫段組成。

進口護砌段長10.0m，底部護砌型式采用0.3m厚格賓石籠，下設(shè)砂礫石墊層20cm及無紡布一層，兩側(cè)采用圓弧鋼筋混凝土懸臂式擋土墻上游河道相接。

鋼筋混凝土鋪蓋段長8.0m，厚1.0m，采用分離式分三塊布置。兩側(cè)采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻。

鋼筋混凝土閘室段長12m，底板頂高程為197.00m，厚2.0m，三孔布置，每孔凈寬11.0m，總凈寬33.0m，閘墩頂高程203.52m，邊墩頂寬1.0m，底寬1.5m，設(shè)置兩個縫墩，縫墩寬2.0m。閘室段設(shè)置一扇檢修閘門和三扇工作閘門，閘室段上游上部設(shè)置啟閉排架，閘室段下游上部設(shè)置交通橋，連接兩岸的交通，凈寬5.0m。在閘室段上游側(cè)設(shè)置高噴防滲墻。

鋼筋混凝土消力池總長21.0m，采用底流消能型式，消力池深1.2m，池寬37m，底板厚1.2m，分上、下游兩段布置，上游段為斜坡段，長6.0m，坡比為1∶5，下游段長15.0m，底板頂高程為195.8m，底板與邊墻采用分離式結(jié)構(gòu)，底板采用分離式分3塊布置。兩側(cè)邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，在閘室段下游側(cè)設(shè)置高噴防滲墻，深入泥巖1.0m，兩側(cè)與出口擋土墻外緣齊平。

海漫段總長35m，采用格賓石籠護底，厚0.6m，下設(shè)砂礫石墊層20cm及無紡布一層，兩側(cè)導(dǎo)流堤邊坡為1∶2.0，采用格賓石籠護坡，厚0.3m，下設(shè)砂礫石墊層20cm及無紡布一層，海漫末端設(shè)深度2.0m的拋石結(jié)構(gòu)防沖槽，底寬2.0m，上、下游坡比為1∶2.0。海漫段末段接下游河道。

5 小 結(jié)

通過上述的數(shù)據(jù)分析，計算流量均>設(shè)計流量，攔河閘總凈寬擬定合理，渠首結(jié)構(gòu)水平段及出口段滲流坡降值均<允許坡降值，建筑滲透穩(wěn)定，閘室抗滑、抗浮安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，閘室基底應(yīng)力均為壓應(yīng)力且<地基允許承載力，通過計算說明，渠首的設(shè)計合理，符合規(guī)范要求。