某水庫引水渠首工程設計

王 波

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

1 工程概況

某水庫引水渠首工程始建于1987年，為混凝土溢流壩，壩長40m，順水流長6.2m，堰頂高程為200.6m，主要功能是抬高河道水位，保證水庫通過引渠蓄水，為下游的灌區(qū)供水。2019年渠首所在區(qū)域多次發(fā)生局地強降雨，致使攔河壩壩體兩側(cè)混凝土與河岸連接處長時間受洪水持續(xù)強烈沖刷，右岸連接位置水毀嚴重，由于堰體年久失修，多年未進行維修，結(jié)構(gòu)破壞嚴重，保留現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的意義不大，為保證以后洪水期間工程安全運行并對洪水進行有效控制，對渠首進行除險加固工程設計。除險加固后渠首工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時性建筑物級別為5級。設計洪水標準取20a一遇，校核標準取50a一遇。

2 閘址選擇

本次設計選四個方案進行定性分析，分別為上游閘址(方案一)、原位閘址(方案二)、選定閘址(方案三)、下游閘址(方案四)，具體位置見圖1(閘址比選示意圖)。對定性比選選定的方案再進行定量分析，最后確定閘址。

圖1 某水庫引渠渠首閘址比選示意圖

2.1 定性分析

1)建設規(guī)模：4個方案所選閘址相距比較近，水力要素幾乎不變，所以攔河閘規(guī)模基本一致。

2)工程地質(zhì)：地質(zhì)條件基本一致。

3)主要建設內(nèi)容：方案一需要改變原有水庫引水渠位置，建設攔河閘一座，封堵沖毀導流堤。方案二原閘址拆除原攔河壩后需要對基礎(chǔ)進行處理，建設攔河閘一座，封堵沖毀導流堤。方案三建設攔河閘一座，封堵沖毀導流堤，左側(cè)需要連接閘與提防交通，距離較短。方案四建設攔河閘一座，左側(cè)需要連接閘與提防交通，距離較長，右側(cè)需要修建固灘。

4)導流條件：從導流條件來看，四個閘址均可通過開挖導流明渠泄流，導流方案基本相同。

不同方案具體的導流條件為：

方案一開挖導流明渠半徑曲率較大，水流條件差，明渠出口正對原溢流壩沖坑位置，可能繼續(xù)濤刷沖坑，對工程安全造成一定影響。

方案二開挖導流明渠工程量相對較大。此外，相對其他方案來說，此方案工程開工前需要先將溢流壩拆除，不能合理安排枯水期拆除溢流壩，工程難度增大。

方案三明渠開挖工程量相對較小，水流進口與出口銜接平順，施工相對容易。

方案四可利用原河道開挖明渠，明渠開挖工程量相對小，但是此閘址處于河道拐彎處，水流條件復雜，且閘址位置高程較低，圍堰工程量偏大。

綜上所述：4個方案所選閘址相距比較近，建設規(guī)模與工程地質(zhì)條件基本一致，建設內(nèi)容和導流件存在差異，方案一需要新建引水渠，現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)引渠上游位置為凹岸，沖刷較嚴重，不利于引渠穩(wěn)定；方案二需要對原攔河壩拆除，拆除過程中會破壞現(xiàn)有基礎(chǔ)，需要處理，新建閘不能落在原狀地基上，增加投資且增加不利于建筑物穩(wěn)定的風險；方案三對現(xiàn)有工程影響較小，且河道比較順直。方案四需要新建固灘，將來運行管理比較麻煩，并且改變現(xiàn)有河道走向，水流條件復雜，不利于河道穩(wěn)定。經(jīng)過分析，方案二和方案三對原有河道和現(xiàn)有布局影響比較小，導流條件相對合理，所以選擇方案二和方案三進一步比選[1]。

2.2 定量比選

通過定性分析選方案二和方案三進行定量比選，投資見表1。

表1 不同閘址投資比選表 萬元

經(jīng)過比選，方案三投資比較省，故選擇方案三為渠首除險加固閘址，即在原攔河壩的下游110m處。

3 渠首工程設計計算

水文水利計算專業(yè)提供的水力要素見表2，依據(jù)水力要素成果按《水閘設計規(guī)范》SL265-2016中過流能力、閘墩頂高程、消能防沖、滲流穩(wěn)定和閘室穩(wěn)定的相關(guān)規(guī)定進行計算。

表2 渠首水力要素

3.1 過流能力計算

對于平底閘，水閘過流能力采用寬頂堰公式計算：

(1)

(2)

(3)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，m；m為堰流流量系數(shù)，采用0.385；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；N為閘孔數(shù)；εz為中閘孔側(cè)收縮系數(shù)；εb為邊閘孔側(cè)收縮系數(shù)；σ為堰流淹沒系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深，m。

根據(jù)上述公式對過流能力進行驗算，計算結(jié)果見表3，計算流量均>設計流量，故攔河閘總凈寬擬定合理。

表3 渠首過流能力計算成果表

3.2 閘墩頂高程確定

閘墩頂高程應根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況確定。

1)擋水時，閘頂高程不應低于水閘正常蓄水位或最高擋水位加波浪計算高度與相應安全加高值之和。

2)泄水時，閘頂高程不應低于設計洪水位或校核洪水位與相應安全加高值之和。

根據(jù)上述不同運行工況分別計算閘墩頂高程，取不同工況下的大值，計算結(jié)果見表4。通過計算，取三種工況中的大值，即閘墩頂高程為203.52m。

表4 渠首閘墩頂高程計算成果表 m

3.3 消能防沖計算

結(jié)合閘門運行調(diào)度，將閘門開度分成幾個檔次，消能計算時取用與上一檔次泄量相應的水位為下游水位來確定消力池深度。消力池池長取決于水躍的深度，水躍深度與下游水深關(guān)系不大，因此，消力池長度按攔河閘通過的最大泄量確定。

消力池深度d按下列公式計算：

(4)

消力池長度Lsj計算:

(5)

式中：Lj為水躍長度，m；Ls為消力池斜坡段投影長度，m；Lsj為消力池長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，取0.75。

海漫長度Lp計算：

(6)

式中：Lp為海漫長度，m；qs為消力池末端單寬流量，m2/s；Ks為海漫長度系數(shù)；△H′為上、下游水位差，m。

攔河閘消力池設計深度計算成果見表5，池長及海漫計算成果見表6。通過計算成果表可見，試算深度最大值為1.20m，根據(jù)計算成果并參照同類工程經(jīng)驗，設計消力池深度為1.2m，池長為21.0m，海漫長35.0m。

表5 攔河閘消力池池深計算表

表6 渠首消力池池長及海漫計算成果表

3.4 滲流穩(wěn)定計算

滲流穩(wěn)定計算采用改進阻力系數(shù)法進行計算，由于設計洪水位及校核洪水位工況上、下游水頭差較小，因此，本次設計僅對攔河閘經(jīng)常運行工況進行復核，即上游為正常引用水位，下游無水情況。滲流穩(wěn)定計算成果見表7，水平段及出口段滲流坡降值均<允許坡降值，建筑滲透穩(wěn)定[2]。

表7 滲流穩(wěn)定計算成果表

3.5 閘室段穩(wěn)定計算

荷載組合：基本荷載組合，主要計算完建情況、正常引水水位、設計洪水位情況。特殊荷載組合，主要計算校核洪水位情況。

閘室段基底應力按下面公式計算：

(7)

(8)

(9)

式中：B為閘室段順水流方向的長度,m；e為相對閘室段垂直水流方向中心線偏心距，m；Pmax為閘室基底應力的最大值，kPa；Pmin為閘室基底應力的最小值，kPa；∑M為作用在閘室上的全部豎向荷載和水平向荷載對基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚壓力在內(nèi)，kN)；A為閘室基底面的面積(m2)；W為閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m2；η為不均勻系數(shù)。

土基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應按下列公式計算：

(10)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；φ0為閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角。°；C0為閘室基底面與土質(zhì)地基之間的黏結(jié)力，kPa。

當閘室設有兩道檢修閘門或只設一道檢修閘門，利用工作閘門與修閘門進行檢修時，應按下列公式進行抗浮穩(wěn)定計算。

(11)

式中：Kf為閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑V為作用于閘室上全部向下的鉛直力之和，kN；∑U為作用于閘室基礎(chǔ)底面上的揚壓力，kN。

閘室段穩(wěn)定計算結(jié)果見表8，閘室段應力計算成果見表9。

表8 渠首閘室段穩(wěn)定計算成果表

表9 渠首閘室段應力計算成果表

通過計算結(jié)果表可以看出：閘室抗滑、抗浮安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，閘室基底應力均為壓應力且<地基允許承載力，即P允許=165kPa。

4 渠首工程布置

攔河閘采用平底板開敞式型式，堰型為寬頂堰，采用平板鋼閘門控制水位。由進口護砌段、鋪蓋段、閘室段、消力池段和海漫段組成。

進口護砌段長10.0m，底部護砌型式采用0.3m厚格賓石籠，下設砂礫石墊層20cm及無紡布一層，兩側(cè)采用圓弧鋼筋混凝土懸臂式擋土墻上游河道相接。

鋼筋混凝土鋪蓋段長8.0m，厚1.0m，采用分離式分三塊布置。兩側(cè)采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻。

鋼筋混凝土閘室段長12m，底板頂高程為197.00m，厚2.0m，三孔布置，每孔凈寬11.0m，總凈寬33.0m，閘墩頂高程203.52m，邊墩頂寬1.0m，底寬1.5m，設置兩個縫墩，縫墩寬2.0m。閘室段設置一扇檢修閘門和三扇工作閘門，閘室段上游上部設置啟閉排架，閘室段下游上部設置交通橋，連接兩岸的交通，凈寬5.0m。在閘室段上游側(cè)設置高噴防滲墻。

鋼筋混凝土消力池總長21.0m，采用底流消能型式，消力池深1.2m，池寬37m，底板厚1.2m，分上、下游兩段布置，上游段為斜坡段，長6.0m，坡比為1∶5，下游段長15.0m，底板頂高程為195.8m，底板與邊墻采用分離式結(jié)構(gòu)，底板采用分離式分3塊布置。兩側(cè)邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，在閘室段下游側(cè)設置高噴防滲墻，深入泥巖1.0m，兩側(cè)與出口擋土墻外緣齊平。

海漫段總長35m，采用格賓石籠護底，厚0.6m，下設砂礫石墊層20cm及無紡布一層，兩側(cè)導流堤邊坡為1∶2.0，采用格賓石籠護坡，厚0.3m，下設砂礫石墊層20cm及無紡布一層，海漫末端設深度2.0m的拋石結(jié)構(gòu)防沖槽，底寬2.0m，上、下游坡比為1∶2.0。海漫段末段接下游河道。

5 小 結(jié)

通過上述的數(shù)據(jù)分析，計算流量均>設計流量，攔河閘總凈寬擬定合理，渠首結(jié)構(gòu)水平段及出口段滲流坡降值均<允許坡降值，建筑滲透穩(wěn)定，閘室抗滑、抗浮安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，閘室基底應力均為壓應力且<地基允許承載力，通過計算說明，渠首的設計合理，符合規(guī)范要求。