某河道鋼壩閘水力學(xué)計算分析

張 宏，蘇平磊

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 工程概況

北方某河道設(shè)計過程中擬采用鋼壩閘擋水，形成景觀水面。

在水利水電建設(shè)上，隨著我國城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉、發(fā)電的需要，鋼壩閘得到了廣泛的應(yīng)用，鋼壩閘是一種可調(diào)控溢流閘門，它由土建結(jié)構(gòu)、帶固定軸的鋼閘門門體、液壓啟閉設(shè)備等組成。鋼壩閘建筑物適應(yīng)閘孔較寬（10～100m），可以省去數(shù)孔閘墩，結(jié)構(gòu)簡單，可以節(jié)省土建投資。鋼壩閘可以立門蓄水，臥門行洪排澇，利用閘門門頂過水，可以形成人工瀑布效果。鋼壩閘門使用壽命長，運行速度快，可靠性高，泄洪時門體在閘底板高程以下，不會形成阻水現(xiàn)象。

2 工程等級

參照SL252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》及SL265-2016《水閘設(shè)計規(guī)范》，位于防洪堤上的水閘，其級別不得低于防洪堤的級別，確定景觀閘主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。

3 景觀閘布置

鋼壩閘凈寬為16m，擋水高度為1.5m。鋼壩閘邊墩后填土至分別與兩側(cè)河岸、堤防形成平臺。景觀閘管理房均布置在河岸上。

景觀閘順?biāo)鞣较虿贾糜猩嫌武伾w、閘室、消力池、海漫等四部分。

4 鋼壩閘設(shè)計計算

4.1 泄流能力計算

景觀閘泄流能力計算考慮兩種運行工況：

工況一：閘門正常運行時，門頂自由溢流，上部水頭為0.25m。

工況二：發(fā)生設(shè)計頻率洪水時，閘門全開。

工況一計算已知上游水深，采用矩形薄壁堰無側(cè)收縮過流量計算公式計算過閘流量，為景觀閘開合控制提供依據(jù)。

工況二計算已知洪水來流量，采用高淹沒度、平底閘閘孔過流公式計算堰上水深，為河道兩岸堤頂高程設(shè)計提供依據(jù)。

工況一計算參考《水工設(shè)計手冊》（第二版第9卷）矩形薄壁堰無側(cè)收縮的流量公式：

流量系數(shù)用雷卜克公式計算：

式中：H——堰上水頭，m；P——堰高，m；b——堰寬，m。

經(jīng)計算，工況一時閘頂過流量為3.6m3/s，即當(dāng)來流量大于3.6m3/s時，應(yīng)考慮開啟鋼壩閘。

工況二計算公式采用SL265-2016中附錄A規(guī)定：

式中：μ0——淹沒堰流綜合流量系數(shù)，按公式計算；B0——閘孔總凈寬，m；Q——過閘流量，m3/s；H0——計入行近流速水頭的堰上水深，m；g——重力加速度，采用9.81m/s2；hs——由堰頂算起的下游水深，m。

斷面頻率洪水流量為47.9m3/s，水深hs為2.65m，經(jīng)計算，不計入行近流速的堰上水深為2.69m，壅高了0.04m。

4.2 消能防沖設(shè)計

消能設(shè)計需考慮各種運行工況，選取最不利工況進行設(shè)計。此次計算只計算上節(jié)所述兩種工況：

工況一消力池采用《水力學(xué)手冊》（第二版）單級跌水消力池計算公式計算：

經(jīng)計算，消力池計算結(jié)果見表1。

工況二計算公式采用SL265-2016中附錄B規(guī)定：

表1 消力池計算結(jié)果

式中：d——消力池深度，m；σ0——水躍淹沒系數(shù)，取值范圍1.05～1.10，此次設(shè)計取1.10；——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；T0——由消力池底板頂面算起的總勢能，m；△Z——出池落差，m；hs′——出池河床水深，m；φ——流速系數(shù)，可取值范圍0.95～1.0，此次設(shè)計取1.0。

經(jīng)計算，收縮水深hc得0.47m；躍后水深hc″得0.08m。計算結(jié)果躍后水深0.08m小于下游渠道水深2.65m，可不設(shè)置消力池。

5 結(jié)論

河道中設(shè)置建筑物使得水流局部流動結(jié)構(gòu)急劇調(diào)整，流體內(nèi)摩擦作用加劇，產(chǎn)生較大的機械能消耗，直觀表現(xiàn)為水面線的雍高，通過水力學(xué)計算可以求出雍高數(shù)值，作為建筑物設(shè)計依據(jù)。該工程通過計算結(jié)論可以看出鋼壩閘對天然水面線影響較小，作為景觀壅水建筑物比較適合。