梅山灌區水閘重建工程設計方案

劉 照

（河南方正水利工程咨詢有限公司）

1 灌區基本概況

梅山灌區始建于1958年，1970年全部建成，現有黎集渠首樞紐1 處，由溢流壩（壩長132.00 m），沖砂閘（2 孔，最大泄量240.00 m3/s）、總干進水閘（4 孔，設計引水流量57.40 m3/s）三部分組成。其中總干、干渠、分干6條，長243.00 km，渠系建筑物820座；電灌站6座，設計裝機容量為1.42×103kw；支渠31條長225.30 km，各類建筑物553座；斗渠600條長977.10 km，小灌區及提灌區渠道總長175.35 km，各類建筑物206 座。干支渠輸水工程布局合理，在歷年抗旱中均發揮了重大的作用。

2 灌區目前存在的主要問題

目前梅山灌區存在的主要問題：一是原工程設計標準低，施工質量差，梅山灌區始建于20 世紀五十年代，其設計、施工粗放，多為邊設計、邊施工，遺留問題多，標準低，質量差。干渠切崗段、填方段常發生滑坡淤塞及滲漏。二是灌區工程已運行40多年，自然老化損壞嚴重，占工程的35.00%；三是資金短缺，工程年久失修，水毀工程修復難度較大，相當數量病險建筑物嚴重制約著灌區灌溉、除澇工程的正常運行；四是工程配套程度低，尤其是斗渠以下工程配套更差；五是缺乏科學管理辦法，存在著不同程度的“重建輕管”；六是供水時間與作物需水時間矛盾突出，作物用水高峰期供水量少，水稻曬田期間徑流量大，部分農民灌溉觀念陳舊，加之水源不足，養成了灌水寧多不少，寧深不淺的習慣；灌區的水費征收大體經過按畝計征，按方計征，及按畝加水量計征三個階段，因水費很低僅能維持灌區內的正常工作，灌區自我維持能力不足。

3 進水閘、節制閘重建工程設計方案

梅山灌區進水閘、節制閘重建工程涉及東干，西干，中干，東干一支，中干二支、八支、九支、十支，中分干四支、五支、六支，南干新一支、三支、六支，共計3 條干渠11 條支渠，進水閘12 座；節制閘35 座。這批工程設施建于20 世紀70 年代，工程簡陋，質量差，標準低，加之通過幾十年的頻繁運用，現已老化嚴重，啟閉設施已報廢，每逢灌溉時節水位調節無法保證，有時為了灌溉，群眾采用木杠加稻草捆堵截，操作難度相當大，無法重復利用且不安全。為了切實解決這些突出問題保證灌區灌溉，必須對這批工程進行重建。現以東干渠吳小廟節制閘為例進行工程設計：

東干渠吳小廟節制閘落在東干渠樁號26+680 處，設計流量為10.10 m3/s，雙閘孔，閘門尺寸為2.00 m×3.40 m（寬×高）。

3.1 閘孔凈寬計算

根據《水閘設計規范》SL265-2001，總凈寬按下式計算：

節制閘過流能力按H0-hs=0.10 m 控制。將有關數據代入上式得B0=3.97 m，考慮到結構布置取4.00 m。根據《灌溉與排水工程設計規范》GB50288-99 要求，確定該閘設2 孔，單孔凈寬2.00 m，采用C25鋼筋混凝土閘墩。

3.2 消能計算

3.2.1 消力池深度

根據《水閘設計規范》（SL265—2001）附錄B公式計算：

式中：d—消力池深度（m）；σ0—水躍淹沒系數，可采用1.05～1.10；h＂c—躍后水深（m）；hc—收縮水深（m）；α—水流動能校正系數，可采用1.00～1.05；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）；Δz—出池落差（m）；h's—出池河床水深（m）。

經過試算，不需要設消力池，為安全選定消力池深度為0.50 m。

3.2.2 消力池長度

水躍長度Lj=6.9（h＂c-hc）=5.7m

消力池長度Lsj=Ls+βLj=4.5m

選定消力池總長度取10.00 m。

3.2.3 海漫長度

式中Lp—海漫長度（m）；qs—消力池末端單寬流量（m2/s），經計算為2.02 m2/s；Ks—海漫長度計算系數，Ks取9；ΔH'—上、下游水頭差，代入上式得Lp=7.20 m確定海漫采用漿砌塊石護砌長15 m。

3.2.4 閘室穩定驗算

3.2.4.1 閘室基底應力計算公式

A—底板底面面積（m2）；∑M—作用于閘室的全部荷載對底板底面垂直于水流方向的形心軸的力矩之和（kN·m）；W—底板底面對底板底面垂直于水流方向的形心軸的截面矩（m3）。

3.2.4.2 基底應力分布不均勻系數計算公式

式中字母含義同上。

3.2.4.3 閘室沿基面的抗滑穩定計算公式

式中：Kc—抗滑穩定安全系數；f—閘基底面與地基之間的摩擦系數；∑H—作用于閘室上的全部水平向荷載之和（kN）。

由計算成果可知：閘室抗滑穩定安全系數和地基應力不均勻系數均滿足《水閘設計規范》（SL265-2001）要求。地基應力小于該層地基承載力。

3.3 結構設計

進口段為10 m 長的M7.5 漿砌石扭曲面，護底為厚0.40 m C20混凝土；閘室段長6.50 m，兩孔結構，單孔凈寬2.00 m，中墩厚1.00 m，為M7.5漿砌石，底板厚0.80 m，為C25鋼筋混凝土結構；閘室上部為排架和閘房，閘門采用鑄鐵閘門，配套QLSD—8t啟閉機1臺，閘室后設一生產橋，橋寬3.00 m，橋板厚0.16 m，兩側為M7.5 漿砌石邊墻；橋后接長10.00 m 消力池段，池深為0.50m，邊墻為重力式M7.5 漿砌石擋土墻，底部為厚0.50 m 的C20 混凝土；海漫段長15.00 m，為M7.5 漿砌石扭曲面結構；護底厚0.40 m，出口護坡厚0.40 m，坡度1：2，所有沉降縫內均填塞閉孔泡沫板，閘室與陡坡段墩墻、底板交界處設“652”橡膠止水。

4 退水閘、跌水閘重建工程設計方案

梅山灌區退水閘、跌水閘重建工程涉及東干、獨山堰干渠、東干一支、中干八支、九支、十支、南干渠新一支、三支、六支，共計二條干渠七條支渠，退水閘11座；跌水閘13座，這批工程設施建于20世紀70年代，工程簡陋，質量差，標準低，加之通過幾十年的頻繁運用，現已老化嚴重、閘房漏雨、門窗破損、啟閉機梁裂縫、閘門啟閉機老化等問題。

為確保東干渠正常運行引龍退水閘急需重建。引龍退水閘座落在樁號21+936，設計流量為8.00 m3/s。

計算情況如下：

4.1 水力計算

驗算過流能力

根據《水閘設計規范》SL265-2001，設計條件為寬頂堰流時，該閘應能通過設計流量8.00 m3/s。根據實際所取孔數及閘孔布置型式，按寬頂堰泄流驗算該閘過流能力，取閘門寬3.00 m。

式中：σs—淹沒系數，按水閘設計規范中表A..0.1—2 查得該值為0.97；ε—側向收縮系數，取0.90；m—流量系數，取0.39；n·b=1×3.0=1.0 m；H0=1.50 m。

故所定閘的規模合適。

4.2 消能計算

4.2.1 消力池深度計算

按《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄B公式計算：

式中：d—消力池深度（m）；σ0—水躍淹沒系數。采用1.10；h＂c—躍后水深（m）；hc—收縮水深（m）；α—水流動能校正系數，采用1.00；q—過閘單寬流量（m3/s），為2.67m3/s；b1—消力池首端寬度（m），取3.00 m；b2—消力池末端寬度（m），取3.00 m；T0—由消力池底板頂面算起的總勢能（m），為2.87 m；Δz—出池落差（m）；h's—出池河床水深（m），為1.60 m。經過試算，選定消力池深度d為0.85 m。

4.2.2 消力池長度計算

水躍長度Lj=6.9（h＂c-hc）=8.87 m

消力池長度Lsj=Ls+βLj=8×1.02+0.7×8.87=9.27 m

選定消力池陡坡段水平投影長度取10.20 m，水平段長度取10.00 m。

4.2.3 海漫長度計算

式中Lp—海漫長度（m）；qs—消力池末端單寬流量（m3/s），經計算為2.67 m3/s；Ks—海漫長度計算系數，閘址處為粉質粘土，Ks取9；ΔH'—上、下游水頭差，2.71 m。

代入上式得Lp=18.80 m。

海漫一、二段均采用漿砌塊石護砌分別長12.00 m 與12.00 m。

4.3 閘室穩定驗算

4.3.1 閘室基底應力計算公式

A—底板底面面積（m2）；∑M—作用于閘室的全部荷載對底板底面垂直于水流方向的形心軸的力矩之和（kN·m）；W—底板底面對底板底面垂直于水流方向的形心軸的截面矩（m3）。

4.3.2 基底應力分布不均勻系數計算公式：

式中字母含義同上。

4.3.3 閘室沿基面的抗滑穩定計算公式：

式中：Kc—抗滑穩定安全系數；f—閘基底面與地基之間的摩擦系數；∑H—作用于閘室上的全部水平向荷載之和（kN）。

閘室穩定復核成果見表1。

表1 閘室穩定計算成果表

由計算成果可知：閘室抗滑穩定安全系數和地基應力不均勻系數均滿足《水閘設計規范》（SL265-2001）要求。地基應力小于該層地基承載力。

4.4 結構設計

退水閘進口段為6.80 m長M7.5漿砌石八字墻，護底為C20混凝土，厚0.40 m。閘室段長6.00 m，寬3.00 m，高3.40m，閘墩為C20鋼筋混凝土結構，底板為厚0.60 m的C20鋼筋混凝土結構。閘室上部為排架和閘房，閘門采用平板鋼閘門，配套LQD—（Ⅰ）—8t啟閉機1臺。閘室前設一交通橋，橋寬3.00 m，橋板厚0.16 m。閘后接陡坡及消力池段，陡坡段水平投影長10.20 m，消力池段長10.00 m，深為0.85 m，底部為厚0.40 m 的C20 混凝土護底。海漫兩段均長12.00 m，護坡厚0.40 m，護底厚0.40 m，均為M7.5漿砌石結構重建退水閘。

5 結 語

通過對梅山灌區的續建配套及節水改造，發展先進的灌水方式，灌區土壤、水、熱、氣狀況得到改善，糧食產量將大幅度提高，經濟作物、畜牧業及水產養殖業也將得到相應發展，從而增加經濟收入，改善梅山灌區人民生活，有利于社會的穩定發展。