陽谷縣壽張鎮辛莊溝段節制閘的工程設計

2023-04-15 09:34:06楊紅娟

中國科技縱橫 2023年2期

楊紅娟

（陽谷縣水利局，山東聊城 252300）

壽張鎮位于陽谷縣城南部，地處山東、河南兩省交界處，與河南省臺前縣僅一堤之隔，是山東省通往中原腹地的重要通道之一。壽張鎮位于金堤以北，屬于海河流域徒駭河水系，境內河流主要有趙王河、陶城鋪南干渠和辛莊溝[1]。

1.工程地質

據《山東省地貌分區圖》，場區地貌上屬魯西北堆積平原區（Ⅰ）—黃河沖積平原亞區（Ⅰ2）。該區地域廣闊，地勢低平，海拔一般在50m 以下，場區位于崗地上，地下水徑流滯緩，易受澇、堿威脅。勘探控制深度內，場區地層主要為第四系松散堆積層，受黃河擺動和泛濫影響，巖性相變較為頻繁，多呈透鏡體狀交替分布，巖性主要有砂壤土、黏土、壤土、粉砂等。低洼處及河道兩側分布少量人工填土。

場區地下水主要為第四系孔隙潛水，主要埋藏于第四系地層中，含水層巖性主要為壤土、中粗砂，滲透系數一般為0.26m/d ～5.19m/d，屬中等透水層。地下水主要接受河流側滲、大氣降水的補給，以植物蒸騰、人工開采和地下水徑流為主要排泄方式。

2.節制閘設計

2.1 節制閘級別

辛莊溝河段設置郭莊節制閘1 座。節制閘為4 級建筑物，設計地震烈度為Ⅶ度。該閘位于辛莊溝樁號12+675處，辛莊溝排澇流量16.00m3/s，場址處排澇水位38.22m，渠底寬度4.50m，渠底高程35.42m，地面高程40.20m，邊坡系數1:2.0。節制閘設計擋水位38.22m。

2.2 水力計算

2.2.1 孔口計算

節制閘為無壓淹沒出流，水閘孔口計算可采用如下公式：

式中：μ0為淹沒堰流的綜合流量系數；B0為過流斷面計算寬度（m），對矩形斷面即為洞寬；H0為上游總水頭（m）；hs為下游水深。

節制閘計算結果詳見表1。

表1 節制閘計算結果

2.2.2 閘基防滲長度計算

初步擬定閘基防滲長度可采用滲徑系數法：L=CΔH

式中：L為閘基防滲長度，m；ΔH為上下游水位差，m；C為允許滲徑系數，根據土質情況查表選用。

經計算，節制閘計算滲徑長度25.20m，設計采用30.00m。

2.2.3 消能計算

節制閘采用挖深式消力池形式，計算公式如下：

（1）消力池深度，采用公式：

式中：d為消力池深度（m）；0σ為水躍淹沒系數，取1.05；為躍后水深（m）；hc為收縮水深（m）；α為水流動能校正系數，取1.05；q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為由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；ΔZ為出池落差（m）；為出池河床水深（m）。

（2）消力池長度，采用公式如下：

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）。

式中：Lp為海漫長度（m）；qs為消力池末端單寬流量（m2/s）；Ks為海漫長度計算系數，取11；ΔH′為閘孔泄水時的上、下游水位差（m）。

消力池的深度及長度受上游水頭、單寬流量、下游水深聯合控制，為安全起見，初始開啟應控制閘門開度，多孔節制閘同時應控制開啟孔數。消能計算按閘前設計水深、閘后無水的情況考慮，閘門首次開啟高度0.20m，以后逐級提閘[2]。

閘門控制運用方式：開啟閘門時，應分幾檔開度，嚴禁一次開啟到頂。開啟每檔后，等下游水位趨于穩定時，再開啟下一檔。第一檔開度不得大于0.2m，以后每檔開度不得大于0.3m。郭莊節制閘采用底流式消能工，根據計算結果，確定消力池深0.60m，消力池長12.00m，海漫長15.00m，海漫末端設防沖槽，槽長5.00m，深1.50m。

2.3 工程布置

節制閘由上游連接段、閘室段及下游連接段組成，工程全長58.50m，由上游段20.00m，閘室段6.50m 和下游段32.00m 3 部分組成。

（1）上游段：閘室上游段長20.00m，包括翼墻、護砌等部分。翼墻由直線段和圓弧段兩部分組成，翼墻均采用C30 鋼筋混凝土結構；護砌包括護底及護坡，均采用M10 漿砌塊石結構，護底總長20.00m，護坡總長15.00m，砌石厚0.30m，下鋪M10 砂漿墊層及復合土工膜（200g/0.30mm/200g）。

（2）閘室段：開敞式閘室結構，共設兩個孔，單孔凈寬2.50m，閘室順水流方向長6.50m。采用C30 鋼筋混凝土大底板結構，底板厚0.70m。邊閘墩厚0.70m，中閘墩厚0.80m。閘上設啟閉機房，并設檢修便橋，橋面總寬1.50m。采用PGZ2.5×3.0m 平面鑄鐵閘門，配套QL-120-SD 螺桿式啟閉機，共兩套。

（3）下游段：下游連接段總長32.00m，包括消力池、海漫、防沖槽以及兩岸刺墻、護坡等部分。消力池采用下挖式消能，長12.00m，其中上游端平臺整流段2.00m，設反濾層，斜坡段2.40m，水平段7.60m，消力池及刺墻均采用C30 鋼筋混凝土結構。海漫長15.00m，護砌厚度0.30m；防沖槽長5.00m，深度1.50m，槽內拋亂石；護坡總長32.00m。海漫及護坡均采用M10 漿砌塊石結構，砌石下設碎石墊層厚100mm。

2.4 穩定計算

2.4.1 閘室穩定計算

（1）計算工況擬定：1）施工完建期：回填土完畢，閘室內外均無水；2）正常運行期：閘室上游為設計水位，下游無水；3）校核運行期：正常運用期+Ⅶ度地震荷載。

（2）穩定計算公式。

式中：η為地基應力不均勻系數；σmax為閘室基底應力最大值（kPa）；σmin為閘室基底應力最小值（kPa）。

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f為閘室基底與地基之間的摩擦系數，取0.35；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（包括底板底面上的揚壓力在內）之和（kN）；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載之和（kN）。

閘室穩定計算成果詳見表2。

表2 閘室穩定計算成果

由上表可知，各種計算工況下，閘室平均基底應力均不大于地基承載力允許值[σ]＝120kPa，最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2 倍，滿足地基承載要求；地基應力不均勻系數η均小于相應工況的允許值（施工完建期及正常運用期均為2，校核運行期為2.5），滿足地基穩定要求；抗滑安全系數kc均大于相應工況允許值（施工完建期及正常運用期均為1.25，校核運行期為1.05），滿足抗滑穩定要求。

2.4.2 懸臂擋土墻穩定計算

（1）計算工況擬定：1）施工完建期：回填土完畢，墻前后均無水；2）檢修期：墻前無水，墻后地下水位；3）校核運行期：墻前擋水+Ⅶ度地震。

（2）穩定計算公式：計算公式同閘室穩定計算公式。

（3）回填土指標要求：回填應采用壤土，要求分層碾壓、夯實，壓實度不小于0.96。

（4）擋土墻穩定計算成果表。

懸臂擋土墻穩定計算成果如表3 所示。

表3 懸臂擋土墻穩定計算成果

由上表可知，各種計算工況下，閘室平均基底應力均不大于地基承載力允許值[ ]σ＝120kPa，最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2 倍，滿足地基承載要求；地基應力不均勻系數η均小于相應工況的允許值（施工完建期及正常運用期均為2），滿足地基穩定要求；抗滑安全系數kc均大于相應工況允許值（施工完建期及正常運用期均為1.25），滿足抗滑穩定要求。

2.4.3 護坡穩定分析

（1）計算斷面和計算方法：根據地勘資料，并結合河道橫斷面尺寸選擇水閘下游護坡進行穩定分析。

邊坡穩定計算采用河海大學《水工結構分析系統》（Auto Bank6.0）軟件，應用簡化畢肖普法計算。根據有關規定，穩定滲流工況下采用有效應力法，施工期和設計水位降落工況下均采用總應力法。

（2）主要物理力學指標。根據地勘報告，經分析確定計算斷面各土料的物理學指標。

（3）計算工況。

正常運用條件：設計擋水位穩定滲流期臨水側邊坡；設計擋水位驟降期臨水側邊坡。

非常運用條件Ⅰ：施工完建期臨水側邊坡。

非常運用條件Ⅱ：設計洪水位遇Ⅶ度地震臨水側邊坡。

（4）安全系數。郭莊節制閘為4 級建筑物，坡應為5 級建筑物，相應的邊坡抗滑穩定最小允許安全系數如表4 所示。