富路灌區某分水閘設計淺析

王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

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富路灌區某分水閘設計淺析

王曉旭

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：通過對灌區工程中分水閘的研究設計，認識到分水閘在灌區工程中起到灌溉作用的重要性，對分水閘的結構布置、過流能力、消力池及海漫計算、滲流穩定計算、閘室穩定計算及抗凍設計等內容進行了研究。總結了相應的工程結論及經驗，為同行提供相應借鑒。

關鍵詞：分水閘；結構布置；過流能力；滲流穩定計算；閘室穩定計算；抗凍設計

1工程概況

富路灌區設計灌溉面積3 333hm2，全部為旱田。本次設計對《尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程可行性研究報告》中富路灌區的總體布局方案進行復核，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條排干的單側灌溉單側排水的新布局。通過優化渠系布置減少了1條排干工程的占地面積，同時擴大了單個支渠的控制面積，更加符合當前大農業的時代背景，更利于農機具的耕作，優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建骨干一期工程富路灌區工程在富路干渠上某樁號修建一座分水閘，干渠設計加大水位為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；支渠設計加大水位為164.70m，渠底高程為163.88m，堤頂高程為165.10m，設計加大流量為0.47m3/s，底寬為0.5m，兩側坡比為1∶1.5，堤頂寬1m。

2分水閘結構布置

分水閘采用開敞式，由進口鋪蓋、閘室及消力池段、海漫及防沖槽組成。進口鋪蓋長2.96m，凈寬由6.42m漸變至0.5m，底高程163.96m，采用10 cm厚混凝土板護砌，下設砂墊層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型槽結構，長9.0m，與兩岸聯接設一字墻；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；閘孔內設一道機閘一體鑄鐵閘門；閘上設有人行橋，人行橋橋面高程同堤頂為165.44m，橋寬2.0m；消力池段采用鋼筋混凝土U型槽結構，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；在海漫的末端設拋石結構防沖槽。

3過流能力計算

根據水閘設計規范[1]，計算公式如下：

1)當為堰流時,且hs/H0<0.9時，閘孔總凈寬計算公式為：

(1)

2)當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；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為邊閘墩順水流向邊緣線至上游河道水邊限之間的距離；n為閘孔孔數；m為流量系數，采用0.385；εb為邊閘孔側收縮系數；εz為中閘孔側收縮系數；ε為側收縮系數；σ為淹沒系數 ；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處的過水斷面計算；hs為下游水位超過堰頂的水深；μ0為淹沒堰流的綜合系數。

經計算，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。經驗算，過流能力大于設計流量0.47m3/s，滿足要求。

4消力池及海漫計算

根據水閘設計規范，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，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；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，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，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,根據地質資料讀取。

分水閘消力池及海漫設計計算結果見表1、表2。

5滲流穩定計算

根據《水閘設計規范》，采用改進阻力系數法計算滲流比降。

5.1防滲長度計算

根據建筑物上下游水位差和地基土質條件，選擇地下輪廓的形狀和尺寸，采用滲徑系數法，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為允許滲徑系數值，黏土取4。

表1　正常工況分水閘消能計算及設計成果表

表2　不利工況分水閘消能計算及設計成果表

防滲長度計算結果見表3。

表3　防滲長度計算成果表

經計算，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分段阻力系數計算

5.3.1進、出口段

(8)

式中：ξ0為進、出口段阻力系數；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內部垂直段

(9)

式中：ξy為內部垂直段阻力系數。

5.3.3水平段

(10)

式中：ξx為水平段阻力系數；Lx為水平段長度，m；S1、S2為進、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；n為總分段數。

5.5進、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，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。

分水閘滲透穩定計算結果見表4。

根據《水閘設計規范》(SL265—2001)：黏土基礎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，從計算結果可見，分水閘滲透穩定滿足規范要求，不會產生滲透破壞。

表4　分水閘滲透穩定計算成果表

6閘室穩定計算

根據水閘設計規范，計算公式如下：

6.1抗滑穩定計算

計算公式如下：

(15)

式中：KC為基底面的抗滑穩定安全系數；f為基底面與地基摩擦系數；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力；[Kc]為容許抗滑穩定安全系數，[Kc]=1.3。

6.2閘室段應力計算

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。

6.3抗浮穩定計算

計算公式如下：

(17)

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；∑V為閘室全部向下的鉛直力之和，kN；∑U為閘室基礎底面揚壓力，kN。

計算結果見表5。

表5　分水閘閘室穩定計算成果表

由表5可知，閘基礎為低液限黏土，地基容許承載力為120 kPa，閘室基底應力滿足規范要求；大小應力比、抗滑穩定安全系數滿足要求。

7抗凍設計

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、出口U型槽邊墻及翼墻應設保溫板，按《水工建筑物抗凍設計規范》[2]有關條款設計。

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；λx為保溫材料在自然狀態下的導熱系數，取λx=0.03W/(m·℃)；R0為工程保溫基礎設計熱阻值，m2·℃/W，取3.07 m2·℃/W；δc為基礎材料厚度，取1.2m；λc為基礎材料的導熱系數，取2.94W/(m·℃)；I0為凍結指數，取2500；K為安全系，取1.1～1.15。

經計算，保溫板厚度需要90 mm，本工程采用100 mm。本次設計建筑物底部及側面設置保溫板，采用聚苯乙烯保溫板進行抗凍脹。

8結論

經計算，本分水閘選定孔口尺寸為0.5m×1(寬×孔數)。通過對分水閘進行設計計算，為灌區建筑物設計提供一定借鑒，灌區建筑物的設計要依據灌區規劃，結合灌、排渠系總體布置，滿足灌溉、排水水位流量的要求，結合現有村屯交通狀況等因素布設相應的渠系建筑物，選擇適合的結構尺寸[3-4]。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部. SL 265—2001水閘設計規范[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計規范[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計及施工要點分析[J]. 水利科技與經濟,2015(05)：37-38.

[4]任淑芬,高麗云,韓冰.水閘施工質量控制分析[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

文獻標識碼：B