鋼壩節(jié)制閘水工建筑物的布置及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

秦世兵

（新鄉(xiāng)市水利科技推廣中心，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

節(jié)制閘工程位于新鄉(xiāng)市共產(chǎn)主義渠主河槽，G107國(guó)道牧野大橋上游約400 m 處，左岸為渠灘地，右岸為共產(chǎn)主義渠100 年一遇堤防，左岸上游距鳳泉東湖約1.15 km。共渠節(jié)制閘工程主要建設(shè)內(nèi)容為：新建鋼壩節(jié)制閘一座，5 孔工作閘門(mén)閘孔總凈寬164 m，總寬200 m；新建管理用房250 m2，設(shè)備用房325 m2；管理區(qū)綠化400 m2；節(jié)制閘自動(dòng)化系統(tǒng)及安全監(jiān)測(cè)、觀(guān)測(cè)等管理設(shè)施。

設(shè)計(jì)采用的工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：①設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，共渠節(jié)制閘工程等別為Ⅳ等?。?）型，其主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。考慮共渠左岸鳳泉區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇，共渠右岸新鄉(xiāng)市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，此工程鋼壩閘的洪水標(biāo)準(zhǔn)均取上限。即鋼壩閘的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，相應(yīng)流量1 650 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，相應(yīng)流量3 130 m3/s。②依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》4.1.5 規(guī)定，考慮到節(jié)制閘采用鋼壩閘新型結(jié)構(gòu)，因此對(duì)建筑物可提高一級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。確定主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。工程閘室、翼墻、上游鋪蓋、下游消力池級(jí)別為3 級(jí)，防沖槽及海漫段以外的護(hù)底、護(hù)坡等次要建筑物級(jí)別為4級(jí)。考慮到檢修廊道和電纜廊道穿過(guò)共渠右堤，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，穿越堤防的永久性水工建筑物級(jí)別不應(yīng)低于相應(yīng)堤防的級(jí)別。共渠右岸堤防為1級(jí)堤防，由此確定穿堤廊道的級(jí)別為1級(jí)建筑物。③根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，工程所處場(chǎng)地50 年超越概率10%，一般場(chǎng)地條件下的地震動(dòng)參數(shù)為：地震動(dòng)峰值加速度0.20 g，特征周期0.40 s，對(duì)應(yīng)基本地震烈度Ⅷ度，此工程抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。④根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》條規(guī)定，工程為Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，確定工程合理使用年限為50年，永久性建筑物合理使用年限為50 年。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，工程所處環(huán)境類(lèi)別為二類(lèi)，各部位混凝土抗?jié)B等級(jí)W4、抗凍等級(jí)F150、抗壓強(qiáng)度C15～C30等級(jí)。

1 正常蓄水位的確定

1.1 水位確定原則

①回水長(zhǎng)度盡量滿(mǎn)足城區(qū)生態(tài)環(huán)境需求。②正常蓄水位不影響堤防的安全。③有利于水體自然凈化，便于水質(zhì)維護(hù)。④蓄水位不引起堤外土壤鹽堿化。

1.2 正常蓄水位選擇

①工程位置處現(xiàn)狀河底高程65 m，考慮在不影響河道泄流、沖刷及淤積的情況下，確定共渠節(jié)制閘底板高程為65 m。綜合分析正常蓄水位方案的優(yōu)缺點(diǎn)，此次確定正常蓄水位為68.30 m。②根據(jù)地質(zhì)勘察資料，節(jié)制閘附近灘地和外地面高程約為69 m，鉆孔水位為64.80 m，比灘地和外地面高程低4.20 m，地下水埋深較深。共渠左岸灘地與右堤外部分為農(nóng)作物，大多一年兩季為小麥和玉米，植物根系深度約0.50 m，工程運(yùn)行后，蓄水區(qū)達(dá)正常蓄水位68.30 m 時(shí)，閘頂溢流水位為68.40 m，溢流水位比蓄水區(qū)附近的灘地低0.60 m，水位低于植物根系深度，且共渠節(jié)制閘所蓄水的礦化度較低，因此，蓄水區(qū)正常蓄水位68.30 m時(shí)，對(duì)蓄水區(qū)周邊浸沒(méi)影響較小。

2 主要工程地質(zhì)條件

2.1 第四系全新統(tǒng)人工堆積（Qs4）

人工堆積：黃褐色和灰褐色，硬塑，以中、重粉質(zhì)壤土為主，夾雜灰白色鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑2～20 mm，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度高，韌性中等。主要分布于共產(chǎn)主義渠道兩側(cè)，右岸為堤坡填土，厚度2～3.10 m，層底高程為66.27～67.04 m，左岸為堆填土，厚度0.50～0.60 m，層底高程為67.82～68.32 m。

2.2 第四系全新統(tǒng)沖積物（Q41al）

重粉質(zhì)壤土（Q41al）：黃褐色，硬塑，部分有機(jī)質(zhì)含量較高，顏色為黑色，以重粉質(zhì)壤土為主，于渠道兩岸連續(xù)分布，厚度1.10～3.50 m，層頂高程為66.27～68.82 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)3～9 擊，平均7 擊。

2.3 第四系上更新統(tǒng)沖洪積物（Q3alp）

重粉質(zhì)壤土（Q3alp）：黃褐色，硬塑，厚度1～5.80 m，層頂高程64.73～66.42 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)10～20 擊，平均12 擊。連續(xù)分布，并且由于渠道內(nèi)新近開(kāi)挖導(dǎo)致此層大部分出露于地表，厚度10.70～16.80 m，平均層厚約14.20 m，層頂高程為59.24～65.84 m。以上標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)7～31擊，平均20擊。

2.4 第四系中更新統(tǒng)沖洪積物（Q2alp）

重粉質(zhì)壤土（Q2alp）：黃褐色，硬塑，韌性高，切面光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度高。含鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳質(zhì)結(jié)核，粒徑多為2～5 mm，分布不均，部分孔段可見(jiàn)富集現(xiàn)象，含量可達(dá)60%。在場(chǎng)區(qū)均有連續(xù)分布，厚度7.50～10.50 m，平均層厚約8.60 m，層頂高程48.52～50.13 m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)14～50擊，平均23擊。

2.5 新近系上新統(tǒng)潞王墳組（N2L）

泥灰?guī)r（N2L）：灰白色，含礫石分選性差，多呈次圓狀，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)極差，巖芯采取率極低，為軟巖、極軟巖。被膠結(jié)物質(zhì)以礫石為主，含量約55%～60%，層頂高程36.84 m。

3 水工建筑物的區(qū)位布置

節(jié)制閘工程位于共渠G107國(guó)道牧野大橋上游約400 m 主槽內(nèi)（共渠樁號(hào)：25+500），左岸為共渠灘地，右岸為共渠100年一遇堤防，左岸上游距鳳泉東湖約1.15 km。

4 水工建筑物設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 節(jié)制閘主要參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1.1 設(shè)計(jì)流量

節(jié)制閘工程非汛期存蓄再生水，改善河道生態(tài)環(huán)境。節(jié)制閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，對(duì)應(yīng)下泄流量1 650 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，對(duì)應(yīng)下泄流量3 130 m3/s。共渠遭遇20年一遇洪水與100年一遇洪水均已從主槽漫出至灘地，經(jīng)洪水影響分析計(jì)算，節(jié)制閘對(duì)行洪影響較大的工況為行洪水位臨近灘地高程但尚未出主槽工況。因此，設(shè)計(jì)以節(jié)制閘上游水位不漫出主槽為原則確定節(jié)制閘閘孔最大過(guò)流能力。根據(jù)閘址共渠斷面水位流量關(guān)系，經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)共渠洪水流量為768 m3/s時(shí)，閘上水位為69.70 m，與灘地高程基本相當(dāng)，由此確定節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量為768 m3/s。

4.1.2 閘室寬度確定

節(jié)制閘布置在共渠主槽內(nèi)，共渠主槽寬200 m，為盡量減少對(duì)泄洪的影響，在主槽全斷面布置閘室，閘室總寬度為200 m。

4.1.3 閘孔數(shù)確定

考慮不影響泄洪，在閘室總寬確定的情況下，應(yīng)盡量減少閘孔孔數(shù)，減少閘墩數(shù)量。根據(jù)規(guī)范在閘孔孔數(shù)少于8 孔時(shí)，宜采用單數(shù)孔。根據(jù)工程要求及設(shè)備要求等綜合考慮，工程推薦采用5孔閘孔方案，閘孔總凈寬為164 m，單孔凈寬32.80 m。

4.1.4 過(guò)流能力計(jì)算

根據(jù)水閘閘門(mén)布置，門(mén)體全部放倒后低于閘底板，因此該情況下按高淹沒(méi)狀態(tài)無(wú)底坎寬頂堰流計(jì)算，即平底板水閘堰流。水閘過(guò)流能力計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A 中高淹沒(méi)堰流公式。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)共渠洪水流量為768 m3/s 時(shí)，閘下水位為69.65 m，閘上水位為69.70 m，較原渠道行洪水位壅高0.05 m，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，不會(huì)對(duì)河道行洪造成影響。

4.1.5 閘室穩(wěn)定計(jì)算

閘室穩(wěn)定計(jì)算包括基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)計(jì)算、抗滑穩(wěn)定計(jì)算和抗浮穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。取順?biāo)飨蛳噜徲谰每p之間的閘段作為穩(wěn)定計(jì)算單元。計(jì)算結(jié)果分，閘基持力層為細(xì)砂，承載力特征值為180 kPa。從地質(zhì)勘察資料可知，在各種工況下，閘室各段抗滑、抗浮安全系數(shù)、地基承載力和基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.1.6 閘室沉降計(jì)算

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，土質(zhì)地基最終沉降量按公式計(jì)算，土質(zhì)地基上水閘建筑物大沉降量不宜超過(guò)15 cm，相鄰部位的最大沉差不宜超過(guò)5 cm。計(jì)算結(jié)果表明，沉降計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足水閘規(guī)范要求。由于節(jié)制閘采用鋼壩閘，根據(jù)閘門(mén)制作安裝要求，相鄰部位沉降差須小于10 mm。根據(jù)沉降計(jì)算結(jié)果，相鄰部位最大沉降差為7.98 mm，能夠滿(mǎn)足鋼壩閘結(jié)構(gòu)變形要求。

4.1.7 主要結(jié)構(gòu)計(jì)算

節(jié)制閘坐落于共渠主槽內(nèi)，布置以盡量不減少原河道過(guò)水?dāng)嗝鏋樵瓌t，既要滿(mǎn)足功能要求，也要保證行洪時(shí)安全。結(jié)構(gòu)計(jì)算以遭遇校核洪水為最不利工況進(jìn)行計(jì)算。閘墩頂高程為70 m，校核洪水位74.11 m，墩頂水深4.11 m，上游鋪蓋及下游消能防沖設(shè)計(jì)，節(jié)制閘泄洪過(guò)程中，下游水位逐漸從無(wú)水或低水位條件逐漸升高，上下游水位差逐漸減小，泄流量也隨之變化，在此過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一系列流量水位組合，消能防沖計(jì)算控制工況在上述組合中選取。根據(jù)節(jié)制閘調(diào)度運(yùn)行方式，行洪時(shí)先開(kāi)啟中間3#閘門(mén)，再同時(shí)開(kāi)啟兩側(cè)2#和4#閘門(mén)，最后同時(shí)開(kāi)啟外側(cè)1#和5#閘門(mén)。根據(jù)閘門(mén)調(diào)度運(yùn)行方式，對(duì)閘門(mén)放倒過(guò)程進(jìn)行消能防沖設(shè)施水力計(jì)算，鋼壩閘放倒高度按每0.50～1.50 m為一級(jí)，逐級(jí)進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼壩閘是一種新型的擋蓄水建筑物，泄洪能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、美觀(guān)、運(yùn)行效果好，共渠鋼壩節(jié)制閘水工建筑物的布置及設(shè)計(jì)，可以為其他類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。