燈塔市小渾河水力自控翻板壩設計與分析

于巍巍

(本溪市水利電力勘測設計研究院，遼寧 本溪 117022)

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燈塔市小渾河水力自控翻板壩設計與分析

于巍巍

(本溪市水利電力勘測設計研究院，遼寧 本溪 117022)

摘要：結合小渾河流域概況、地質條件和工程區(qū)現(xiàn)狀，介紹了燈塔市小渾河水力自控翻板壩的設計過程，包括壩址選擇，地基處理，主要建筑物設計及相關計算分析。工程于2012年開始施工，同年竣工。幾年來，翻扳壩經(jīng)受住多次洪水考驗，運行情況和水體景觀效果至今良好。

關鍵詞：水力自控翻板壩；小渾河；佟二堡鎮(zhèn)；設計；分析

0引言

作為全國綜合體制改革試點鎮(zhèn)和全國小城鎮(zhèn)建設示范鎮(zhèn)，佟二堡鎮(zhèn)的河道合理化建設相對滯后，難以滿足當?shù)厝罕妼?yōu)質水環(huán)境的需求。為解決這一問題，佟二堡鎮(zhèn)政府決定對小渾河等區(qū)域內中小型河道進行綜合整治，燈塔市小渾河水力自控翻板壩工程即為其中較為典型的建設項目。

1工程概況

燈塔市小渾河水力自控翻板壩座落于遼寧省燈塔市佟二堡鎮(zhèn)境內，小渾河佟興橋下游1.06 km處。工程以上集水面積355 km2，河道長度34.3 km，河道平均比降J=0.55‰。設計洪峰流量(P=5%)為324 m3/s，校核洪峰流量(P=2%)為443 m3/s，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別3級，臨時建筑物級別4級；地震設防烈度為Ⅶ度。

2壩址選擇

攔河建筑物一般選擇在河道平順，對行洪影響較小的河道區(qū)段。小渾河該段河道為平原性河流，河道蜿蜒曲折，適宜修閘建壩壩址較少；此外，該工程位于佟二堡鎮(zhèn)城區(qū)內，受道路交通、已建建筑物及城市規(guī)劃等條件限制，最終確定：攔河壩壩址選在佟興橋下游1.06 km處。

3地基處理

翻板壩工程基礎座落在粉質黏土層上(局部為泥炭質土)，即粉質黏土上。粉質黏土地基承載力特征值為100 kPa，壓縮模量為4.0MPa，為軟弱性土；泥炭質土地基承載力特征值為50 kPa，壓縮模量為2.0MPa?？紤]到持力層基礎地基土不均勻性和壓縮模量較小，施工開挖困難，且地基易產(chǎn)生不均勻沉降，對基礎進行換填。換填采用砂礫料。根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)8.4.5，翼墻和攔河壩部分換填至高程7.70m；考慮到施工方便，消力池換填至高程9.91m[1]。

此外，工程區(qū)土壤為黏土類土，易產(chǎn)生凍脹(本地區(qū)最大凍土深度為1.26m)，考慮到翼墻和攔河壩邊墻的安全，翼墻和攔河壩邊墻背水側開挖線以內采用砂礫料回填[2]。

4翻板壩水位計算

攔河壩采用水力自控翻板閘。翻板壩過流能力計算以湖南省水電(閘門)建設工程有限公司提供的試驗數(shù)據(jù)及計算公式為計算依據(jù)，計算公式為：

Q=nσεψWQ單

(1)

式中：Q為翻板壩泄流量；n為閘孔數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；ε為側收縮系數(shù)；ψ為行進流態(tài)影響系數(shù)，“湖南水電公司”提供附表；W為行進流速折減系數(shù)，按“湖南水電公司”提供經(jīng)驗公式計算：

(2)

式中：Q單“湖南水電公司”提供試驗單扇閘門泄流量。

翻板閘泄流曲線計算成果見表1。

表1　翻板閘泄流量計算成果表

經(jīng)內插計算，攔河壩20 a一遇洪水標準時水位16.66m；50 a一遇洪水標準時水位17.70m。

5主要建筑物初步設計

翻板壩總長73.35m，寬53m，分為鋪蓋、翼墻、翻板壩、消力池、海漫五部分。鋪蓋寬長5m，寬72m，采用0.3m賓格網(wǎng)石籠，下設0.4m反濾層，頂端設置1.3m深防沖鍵槽。翼墻分為上游翼墻和下游翼墻，其中：上游翼墻長13.85m，下游翼墻長34.85m。翼墻頂寬0.3m寬，背水坡坡比1∶0.1，采用C25F200W4鋼筋混凝土結構，上游翼墻沉降縫處設2道膨脹止水條，下游翼墻墻身設φ50PVC排水孔，間距2×2m，梅花型布置。翻板壩為C25F200W4鋼筋混凝土結構，壩址處設計河底高程為11.91m，底板底高程10.60m，底板頂高程12.30m，蓄水高程14.30m。翻板壩分為水力自控翻板閘段和調節(jié)閘段，其中：水力自控翻板閘段長70.8m，寬11m，采用10扇7m寬閘板，閘板高2m；調節(jié)閘位于翻板壩左側，長2.6m，寬11m，調節(jié)閘采用鑄鐵閘門，閘門尺寸為1×1m，配4t螺桿式啟閉機。消力池為C25F200W4鋼筋混凝土結構，長11m，寬72m。底板厚0.5～1m，設排水孔，排水孔間距1.5 m×1.5 m，梅花型布置。消力池下設0.4m厚反濾層。海漫長16m，寬72m，采用0.3m厚賓格網(wǎng)石籠，末端設1.3m防沖鍵槽；海漫下設0.4m厚反濾層[3-4]。

6計算復核與分析

6.1庫區(qū)蓄水分析

燈塔市小渾河疏浚及攔河壩工程攔河壩蓄水位14.30m以下回水范圍地基土為粉質黏土，該層基礎滲透系數(shù)K=8.6×10-6cm/s，可達到《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274—2001)4.1.5中關于防滲土料滲透系數(shù)的要求，透水性差，保水性能可靠，可滿足庫區(qū)蓄水需要。

6.2攔河壩穩(wěn)定分析及地基應力計算

本工程攔河壩采用水力自控翻板閘，根據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)，水閘結構穩(wěn)定計算一般進行抗滑穩(wěn)定計算和地基應力計算。本工程攔河壩地基基礎換填采用砂礫料。

6.2.1計算情況與允許安全系數(shù)

按《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)的有關規(guī)定，結合本工程的實際情況，選取以下五種工況進行計算，分別為完建情況、正常蓄水位情況、設計洪水位情況、校核洪水位和檢地震情況。允許安全系數(shù)：根據(jù)規(guī)范中的有關內容，前3種工況下，攔河壩抗滑的允許安全系數(shù)kc1=1.25，基底應力最大值與最小值允許值η1=2；校核洪水位水情況下水攔河壩抗滑的允許安全系數(shù)kc2=1.10，地震情況下水攔河壩抗滑的允許安全系數(shù)kc2=1.05，基底應力最大值與最小值η1=2.5。

6.2.2計算公式

6.2.2.1抗滑穩(wěn)定計算

(3)

式中：KC為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)，取0.4；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

6.2.2.2基底應力計算

(4)

式中：Pminmax為閘室基地應力的最大值或最小值，kPa；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于地基底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m；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距，m3。

6.2.2.3計算成果分析

根據(jù)以上計算公式計算，計算結果見表2、表3。

表2　翻板壩抗滑穩(wěn)定計算成果表

表3　翻板壩壩基底應力最大值與

6.2.2.4結論

通過以上穩(wěn)定分析，攔河壩在以上各種工程下的抗滑穩(wěn)定、地基應力、最大應力與最小應力比值均滿足規(guī)范要求，設計結構安全[5]。

6.3消力池底板厚度計算

按《水閘設計規(guī)范》(SL265—2001)的有關規(guī)定，消力池底板厚度根據(jù)抗沖、抗浮要求進行計算。

6.3.1計算情況

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》附錄消力池計算，分級計算設計洪峰流量分別為洪峰流量值的25%、50%、75%、100%時的消力池底板厚度。

6.3.2計算公式

6.3.2.1抗沖計算

(5)

式中：t為消力池底板計算厚度，m；k1為消力池底板計算系數(shù)，取0.2；q為設計過流量，m3/s；△H為閘泄水時上、下游水位差，m。

6.3.2.2抗浮計算

(6)

式中：k2為消力池底板安全系數(shù)，取1.2；U為作用在消力池底板底面的揚壓力，m3/s；W為作用在消力池底板頂面的水重，m；γb為消力池底板的飽和重度，kN/m3；Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力，其值取躍前收縮斷面流速水頭值的5%。

6.3.2.3計算成果分析

根據(jù)以上計算公式計算，計算結果見表4、表5。

表4　消力池底板抗沖計算成果表

表5　消力池底板抗浮計算成果表

6.3.2.4結論

通過以上分析計算，消力池在設計洪峰流量25%時，底板計算厚度最大?？紤]到施工方便和預留富余安全余量，消力池底板厚度取0.5m。

7結語

燈塔市小渾河水力自控翻板壩于2012年開始施工，同年竣工。幾年來，翻板壩經(jīng)受住多次洪水考驗，運行情況和水體景觀效果至今良好。因此，燈塔市小渾河水力自控翻板壩的設計示例對中小型河道水力自控翻板壩設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.SL265—2001水閘設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2]江智健，水力自控翻板門壩設計芻議[J]，大壩與安全，2004，21(05):54-56.

[3]白玉龍，廣河縣廣通河景觀工程翻板壩設計[J]，甘肅水利水電技術，2011(06):29-31.

[4]陳曉翠,橡膠壩和水力自控翻板閘的應用與分析，中國水運月刊，2015，15(01):148-149.

[5]宋玉強,太子河姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘門設計，黑龍江水利科技，2014(05):41-44.

中圖分類號：TV64

文獻標識碼：B

[作者簡介]于巍巍(1983-)，男，遼寧本溪人，工程師，從事水利水電工程設計工作。

[收稿日期]2016-01-14

文章編號：1007-7596(2016)03-0025-03