湯河整治工程攔河閘閘址比選與參數擬定

于海濤

(遼寧西北供水有限責任公司, 遼寧 沈陽 110003)

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湯河整治工程攔河閘閘址比選與參數擬定

于海濤

(遼寧西北供水有限責任公司, 遼寧 沈陽 110003)

本文以湯河綜合整治工程為例，對攔河閘閘址比選以及相關參數選定進行了深入研究。實踐證明，該研究結果適合工程實際情況，可為類似工程設計提供有益借鑒。

湯河河道； 攔河閘； 閘址擬定

1 項目概況

1.1 項目簡介

為了提升本溪滿族自治縣政府所在地小市鎮的生態環境質量，對流經小市鎮的湯河河段進行綜合治理，工程上游起自本桓線張家堡大橋，下游至溪田鐵路湯河大橋北側，全長4.13km。主要工程內容為河道主槽平面拓寬和縱向清淤，為了形成城市大湖式水面景觀，計劃在溪田鐵路湯河大橋下游處的湯河主河槽內修建攔河閘，以壅高河流水位，左右岸灘地采用副壩擋水。攔河閘閘門擬采用鋼壩閘新型景觀閘門，閘門直立擋水，臥倒泄洪，門頂可溢流。

1.2 項目區自然概況

湯河是本溪滿族自治縣境內的主要河流之一，全長50km，流域面積約408km2，河道比降6%，多年平均徑流量1.7億m3。湯河發源于掌馬驥村碑家嶺南坡，北入關門山水庫，下游流經小市鎮，并注入太子河。

項目區屬于松遼平原的一部分，總體地勢為東南高，海拔高度300～400m。湯河地勢由南向北逐漸降低，項目段河道兩側有零星的波狀臺地分布，一般高出水面約10～20m，河漫灘呈帶狀分布于主河道兩側，一般比河床高2～3m，主要由沖積堆積性黏土和中砂構成，底部則為白堊紀泥巖和泥質砂巖。閘址區地下水主要是第四系河谷沖積層內的孔隙潛水，水位埋深一般為1.7～5.8m，項目區環境水質較好，除對鋼結構有弱腐蝕外，對混凝土以及鋼筋混凝土無明顯影響。

2 閘址比選

湯河河道整治工程的河道壅水建筑物的主要目標是抬高河道水位，在城區河段形成寬闊水面，形成能夠改善居住環境的生態水景觀。根據工程論證階段的現場勘測結果，擬定將攔河閘閘址選在小市鎮末端的湯河下游附近。考慮河道行洪、地形、地質與施工條件等多種因素，確定符合條件的兩個閘軸線進行比選。其中上游軸線方案：溪田鐵路湯河大橋下游315m處；下游軸線方案為：溪田鐵路湯河大橋下游330m處。

上述兩處閘址位置比較接近，因此閘軸線的地形條件差距不大，由于河道采砂的原因，砂坑與砂堆遍布，除河道主漕未受明顯影響之外，其余河灘與河床部位的基本形態破壞比較嚴重，均需要進行必要的整治，但是這兩處閘址的地質情況差異明顯，比選結果見表1。

表1 上下游閘址比選結果

經比選，兩處閘軸線在地形、水流條件以及行洪能力方面基本相同，而在地質特征方面，上游閘軸線的淤泥質黏土層無論分布范圍還是厚度，都比下游軸線小，有利于降低施工難度、縮減施工周期，也可以減少基礎處理的投資。綜合上述因素，該次施工推薦使用上游軸線方案，也就是溪田鐵路湯河大橋下游315m處。

3 攔河閘單孔凈寬與總凈寬的選擇

3.1 單孔凈寬選擇

綜合考慮各種影響因素，在攔河閘工程設計中，提出了單孔凈寬分別為20m、40m兩種方案供進一步比選確定[1]。其中方案一：兩孔，單孔凈寬設計為20m；方案二：1孔，單孔凈寬設計為40m。上述兩種方案在底板、消力池以及下游海漫等部分基本一致，兩種方案的比選結果如下：

a. 經濟方面：兩種不同方案的投資額比較結果見表2。

表2 單孔凈寬不同方案的經濟性比較結果

b.運行管理方面：方案一的優勢在于閘門數多，便于汛期的調度和運行，但是會增加管理難度；方案二的優勢在于維護管理相對簡單，但由于閘門數少，所以運行復雜，不便于調度管理[2]。

c.制作、運輸與安裝方面：鋼壩閘采用單體分段制作、運輸，在工地組裝的方式[3]，方案一的安裝工作量要明顯大于方案二。

綜合上述分析，方案二具有運行管理簡單、安裝工作量小，經濟性也相對較好，因此該次施工推薦采用方案二，也就是單孔凈寬40m。

3.2 閘孔總凈寬選擇

根據以上比選結果，單孔凈寬設計為40m比較合適。《水閘設計規范》規定閘孔孔數少于8孔時，應該考慮采用奇數孔，同時結合該工程的實際情況，閘孔總凈寬以5孔、8孔、10孔三種方案進行比選。

計算利用《水閘設計規范》附錄中的公式：[4]

(1)

式中B0——閘孔總凈寬，m；

Q——過閘流量，m3/s；

g——當地的重力加速度；

hs——下游水深，m；

μ0——淹沒堰流綜合流量系數，計算公式見式(2)所示。

(2)

將設計數據代入上述公式計算得到的結果見表3。

表3 閘孔總凈寬計算結果

根據《水閘設計規范》攔河閘的總寬度與河道寬度之比應介于0.60～0.85之間，考慮到該次河道整治工程完工后，當遭遇百年一遇洪水時，河道的水面寬度約為480m。結合表3結果可以看出，400m總凈寬的寬度最為合適，但是過閘流速過小且成本較高，而200m總凈寬方案的總寬度過小。綜合上述考慮，推薦采用320m總凈寬，也就是8孔方案，此時閘室的總寬度為379m。

3.3 泄流能力計算

由于湯河整治工程全部完工尚需時日，因此攔河閘泄流能力計算應當考慮發生百年一遇的洪水時，下游河段整治和未整治兩種情況，計算公式為：

(3)

式中Q——過堰流量，m3/s；

B0——閘孔總凈寬，m；

u0——淹沒堰流的綜合流量系數；

hs——下游水深，m；

g——當地的重力加速度；

H0——堰上水深，m。

下游河段未整治的情況下，攔河閘下游的水位為273.22m，hs/H0=0.997，按照上述式(3)計算得淹沒堰流的綜合流量系數為0.997，閘上游出現的水位壅高最大值為0.0094m。下游河道整治后的閘址下游水位為272.14m，hs/H0=0.992，計算得淹沒堰流的綜合流量系數為0.993，閘上游出現的水位壅高最大值為0.027m。計算結果顯示，無論閘址下游河段是否整治，攔河閘的過流能力都不會受到較大影響，上述320m的閘孔總凈寬完全可以滿足行洪要求。

4 消力池設計

4.1 消力池池深計算

消力池池深按照如下4種工況進行計算：工況一為三孔閘門成60°運行，其余閘門直立擋水；工況二為閘門直立擋水，閘頂溢流0.3m；工況三為五十年一遇洪水；工況四為百年一遇洪水。計算結果見表4。

表4 消力池池深計算結果

通過上述計算結果可以看出，消力池的池深較小，同時考慮到消力池運行的工況并不止上述四種，在工程建成后的運行過程中需要滿足各種條件，因此參照《水工設計手冊》中的經驗值，將消力池的池深設計為1.2m。

4.2 消力池池長計算

消力池池長計算利用以下公式：

L=Ls+βLj

(4)

式中L——消力池池長，m；

Ls——消力池斜坡段水平長度，m；

β——水躍長度校正系數，此次計算取0.8；

Lj——水躍長度，m。

結合消力池深度計算結果，僅對工況一和工況二兩種工況下的消力池長度進行計算，結果見表5。考慮到消力池工作時的復雜工況，結合相關經驗值，建議消力池池長采用15m。

表5 池長計算結果 單位：m

4.3 底板厚度的計算與驗算

首先按照抗沖要求利用式(5)計算消力池始端的底板厚度，再按照抗浮要求利用式(6)進行驗算。

(5)

式中t——底板始端厚度值，m；

k1——計算系數，取k1=0.21；

q——單寬流量，m3/s·m；

ΔH′——攔河閘上下游水位差，m。

t=k2(U-W±Pm)/γb

(6)

式中t——底板始端厚度，m；

k2——安全系數，取k2=1.3；

U——底板揚壓力；

W——作用于地板面上的水重；

Pm——作用于底板的脈動壓力，計算時可取收縮面流速水頭值的5%；

γb——飽和重度。

計算結果見表6，結果顯示消力池厚度要求不大，但考慮到消力池末端的底板厚度可以按照始端厚度的一半計算，但不得小于0.5m，所以建議消力池始端厚度設計為1m。

表6 消力池厚度計算結果

4.4 海漫長度計算

海漫長度按照如下式(7)進行計算，計算結果見表7。

(7)

式中L——海漫長度；Ks——計算系數，取Ks=12；qs——消力池出口處單寬流量。

表7 海漫長度計算結果

海漫的主要作用為進一步消除下泄水流的能量，減弱水流動能對下游河岸的沖刷破壞，根據相關工程經驗，該次設計建議海漫長度為24m。整個海漫分為兩部分，靠近消力池的首段長12m，采用厚度為0.4m的毛石混凝土結構；末段長11.0m，采用相同厚度的鐵網石箱結構。

5 結 語

本研究結合地形、行洪能力、施工條件和經濟條件，經過比選，確定上游軸線方案為湯河河道綜合治理工程的攔河閘閘址方案。在閘址選定的基礎上，對攔河閘單孔凈寬與總凈寬、泄流能力以及消力池等攔河閘的相關參數進行了計算與選定。經過工程實踐與實際運行檢驗，說明該選擇與計算是適當、可行的。隨著中國城市化進程的不斷加快，今后此類工程的建設數量將迅速增加，因此本研究的方法與結論對相關工程具有重要的借鑒價值。

[1] 徐如,秦景言,高見.復雜地質特征條件下的攔河閘閘基基礎處理設計分析[J].中國水運(下半月),2014(7):217-218.

[2] 胡亭.水渡河閘工程方案設計[J].中國農村水利水電,2014(10):146-148.

[3] 陳秀青.水閘基本尺寸設計方案比較[J].水利技術監督,2013(4):49-52.

[4] 黃智敏,陳卓英,付波,等.攔河閘下游兩級消力池布置和計算研究[J].水資源與水工程學報,2014(4):115-118.

[5] 郭紅亮,吳云飛,謝紅兵,等.漢江興隆水利樞紐泄水閘新型海漫設計[J].人民長江,2015(11):40-43.

Regulating dam address comparison and parameter setting in Tanghe River Renovation Project

YU Haitao

(LiaoningNorthwestWaterSupplyCo.,Ltd.，Shenyang110003,China)

In the paper, Tanghe River comprehensive improvement project is adopted as an example for in-depth study on regulating dam address comparison and setup of related parameters. Practice shows that the study results are applicable to practical condition of the project, which can provide beneficial reference for similar engineering design.

Tanghe River watercourse; regulating dam; address determination

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.11.012

TV66

B

1005-4774(2016)11- 0044- 04