高 洋

（遼寧省清原滿族自治縣小孤家水庫(kù)管理所，遼寧 撫順 113300）

進(jìn)水閘運(yùn)行時(shí)間久，進(jìn)口段干砌石護(hù)砌已沖毀，木板閘門(mén)及螺桿式啟閉機(jī)損毀嚴(yán)重，現(xiàn)狀的進(jìn)水閘進(jìn)口較小，引水能力不能滿足要求。現(xiàn)狀的進(jìn)水閘建基高程較高，當(dāng)開(kāi)挖泄洪沖沙閘基礎(chǔ)時(shí)，勢(shì)必?cái)_動(dòng)邊墻基礎(chǔ)[1]?；谏鲜鲈?，對(duì)進(jìn)水閘進(jìn)行拆除加固重建。

1 工程概況

1.1 工程概況

撫順市清原縣松樹(shù)嘴攔河閘位于清原縣大孤家鎮(zhèn)松樹(shù)嘴村東北500 m處，清河上游，由清原縣大孤家鎮(zhèn)水利站管理。清河是遼河一級(jí)支流，發(fā)源于撫順市清原縣北英門(mén)鄉(xiāng)三道溝廟嶺，流經(jīng)清原縣。清河全長(zhǎng)217.1 km，流域面積5674.3 km2。

松樹(shù)嘴攔河閘建于1991年，位于清河干流，主要擔(dān)負(fù)著閘址以下3000畝農(nóng)田灌溉任務(wù)。閘址以上集雨面積為701 km2，河長(zhǎng)45 km，河道平均比降為4.20‰，現(xiàn)狀水閘設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為668 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)過(guò)閘流量為1033 m3/s。

1.2 水文條件

清河流域?qū)贉貛О霛駶?rùn)季風(fēng)型大陸性氣候，春季多風(fēng)少雨，夏季高溫濕熱，降雨集中，秋季涼爽，冬季嚴(yán)寒干燥。多年平均降水量為810.9 mm，降水量年內(nèi)分配不均勻，降水主要集中在6月～9月，占全年降水量71.2%。多年平均蒸發(fā)量（20 cm蒸發(fā)皿）為1317.1 mm。清河流域洪水主要由暴雨形成，其洪水發(fā)生的時(shí)間和暴雨出現(xiàn)的時(shí)間較一致，清河洪水大多發(fā)生在七八月，尤其集中于7月下旬至8月上旬，占全部洪水出現(xiàn)次數(shù)的80%以上。

2 進(jìn)水閘存在的主要問(wèn)題

（1）松樹(shù)嘴進(jìn)水閘左邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，墻頂與墻面塊石已塌落，水位變化區(qū)部分墻體抹縫砂漿脫落，孔洞較多，右邊墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，斷裂嚴(yán)重，殘余2.7 m，已基本被水沖毀。

（2）進(jìn)口段干砌石護(hù)砌已沖毀，木板閘門(mén)及螺桿式啟閉機(jī)損毀嚴(yán)重，已不存在。

（3）由于取消了下游的泉眼頭水閘，該水閘的灌溉任務(wù)由松樹(shù)嘴水閘承擔(dān)，松樹(shù)嘴水閘擔(dān)負(fù)的灌溉面積增加到667 hm2畝，灌溉引用流量為1.38 m3/s?，F(xiàn)狀的進(jìn)水閘進(jìn)口尺寸為2 m×1.2 m（寬×高），引水能力不能滿足要求[2]。

3 進(jìn)水閘加固設(shè)計(jì)

3.1 進(jìn)水閘水力設(shè)計(jì)

3.1.1 進(jìn)水閘過(guò)流能力計(jì)算

（1）渠道水深按渠道明渠均勻流公式計(jì)算

式中：n為渠道糙率系數(shù)，0.025；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑；J為渠道比降，1/10000；b為渠道底寬，3.5 m；h為水深，m；m為渠道邊坡坡比，1.5；計(jì)算渠道水位～流量關(guān)系值，見(jiàn)表1。

表1 渠道水位～流量關(guān)系表

（2）進(jìn)水閘過(guò)流能力計(jì)算

本次除險(xiǎn)加固按恢復(fù)原有工程的任務(wù)和運(yùn)行使用功能，進(jìn)水閘渠首最大引水流量按灌溉引用流量設(shè)計(jì)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)最大引水流量為1.38 m3/s。

堰流流量的計(jì)算公式：

式中：H0為堰上總水頭；σ為淹沒(méi)系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為流量系數(shù)，m=0.385；B為總凈寬，B=3.0 m。

閘孔出流孔流流量的計(jì)算公式：

式中：e為閘門(mén)開(kāi)啟高度；b為每孔凈寬，3.0 m；n為閘孔孔數(shù)；ε為孔流垂直收縮系數(shù)；H0為包括行進(jìn)流速水頭的閘前水頭；μ0為閘孔出流的流量系數(shù)，適用范圍0.1＜e/H≤0.65；e/H≤0.65為孔流。

當(dāng)進(jìn)水閘閘門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)，按照不同水位時(shí)閘門(mén)完全開(kāi)啟，采用堰流公式計(jì)算，進(jìn)水閘水位～流量關(guān)系值，見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)水閘水位～流量關(guān)系表（堰流）

由表2可知,如進(jìn)水閘門(mén)全部開(kāi)啟，上游水位為238.83 m時(shí)，流量Q=1.43 m3/s，即可滿足渠道灌溉要求Q=1.38 m3/s。

3.1.2 進(jìn)水閘下游消能防沖設(shè)計(jì)

當(dāng)上游達(dá)到正常蓄水位時(shí)，消力池不需要下挖，主要原因是上下游水位差?。▋H0.01 m），過(guò)壩單寬流量不大（0.48 m3/s），下游形成淹沒(méi)水躍。松樹(shù)嘴攔河閘下游河床為圓礫，抗沖能力低，為了防止洪水沖刷河床，避免回淘消力池基礎(chǔ)，從抵御沖刷破壞角度出發(fā)，布置一定下挖深度的消能很有必要。確定取消力池深0.5 m，池長(zhǎng)10 m，消力池底板頂高程237.43 m。

進(jìn)水閘為整體式混凝土結(jié)構(gòu)，所以不需要單獨(dú)考慮消力池底板的抗浮穩(wěn)定。確定消力池底板厚度為0.8 m。

3.1.3 進(jìn)水閘滲流穩(wěn)定計(jì)算

（1）計(jì)算軟件及方法

采用河海大學(xué)autobank 6.1電腦程序計(jì)算本工程的滲流穩(wěn)定問(wèn)題。

按平面有限單元法進(jìn)行分析，三角形單元，由軟件自動(dòng)剖分?；炷灵l體按不透水處理，基礎(chǔ)分層模擬其透水性能。為了較真實(shí)反映實(shí)際情況，取上下游及地基深度不小于3倍計(jì)算水深作為計(jì)算邊界。

（2）工況計(jì)算和參數(shù)確定

當(dāng)不需要引水灌溉或遇洪水時(shí)，一般情況下都要關(guān)閉閘門(mén)，以免沖壞渠道，此時(shí)的工作水頭為最大，是進(jìn)水閘基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定的控制工況。計(jì)算3個(gè)工況：工況一，正常蓄水位238.83 m，下游無(wú)水。工況二：設(shè)計(jì)水位241.10 m，下游無(wú)水。工況三：校核水位242.30 m，下游無(wú)水。

根據(jù)地質(zhì)資料，地基分層僅圓礫一層，厚度2.20 m～5.40 m。雜色、粒徑大于20 mm的含量占20.7%，20 mm～2 mm含量占30.5%、呈稍密狀態(tài)。屬級(jí)配不良土。渾圓狀。巖性以花崗巖，石英巖等為主。局部分布薄層礫砂，觸探擊數(shù)平均值8.5擊，稍密狀。砂粒以石英顆粒為主。攔河閘建基在此圓礫層上。圓礫土的滲透變形類(lèi)型屬流土型。

基礎(chǔ)圓礫滲透系數(shù)采用地質(zhì)建議值6.9×10-2cm/s，基礎(chǔ)巖石滲透系數(shù)參考同類(lèi)巖石值6.0×10-7cm/s。允許滲流坡降按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）表6.0.4的地基類(lèi)別為中礫取值，即水平段0.22，出口段0.5。

（3）進(jìn)水閘滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

計(jì)算表明，各工況最大水力坡降均滿足要求。工況三校核洪水工況（P=2%）是最危險(xiǎn)工況，上下游水位差5.67 m，水平段水力坡降值0.217，出口段垂直坡降值0.276。單寬滲流量為3.43×10-4m3/s。進(jìn)水閘單寬滲流量為6.89×10-5m3/s，進(jìn)水閘全閘滲流量0.00034 m3/s，漏水量很小。

3.2 進(jìn)水閘穩(wěn)定分析

3.2.1 進(jìn)水閘抗滑穩(wěn)定計(jì)算

進(jìn)水閘室與消力池為一體式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墻墻后均勻回填圓礫石，在垂直水流向不可能產(chǎn)生滑動(dòng)，只有順?biāo)飨蛟谏嫌嗡畨毫ψ饔孟掠谢瑒?dòng)的趨勢(shì)，故僅計(jì)算水流向的抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力。

取進(jìn)水閘整體作為計(jì)算單元，進(jìn)水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與溢流壩計(jì)算公式相同。當(dāng)農(nóng)田不需要灌溉，或者遭遇洪水時(shí)，閘門(mén)要關(guān)閉擋水，不允許河水流入渠內(nèi)，此時(shí)應(yīng)為不安全工況。摩擦系數(shù)采用地質(zhì)建議值，閘基坐落于圓礫地層上，該層地基允許承載力為300 kPa，閘基與圓礫摩擦系數(shù)為0.48。

揚(yáng)壓力按全水頭無(wú)灌漿帷幕情況計(jì)算。按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）規(guī)定，3級(jí)建筑物的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合不小于1.25，特殊組合不小于1.10，按此原則判別溢流壩穩(wěn)定情況。

由計(jì)算結(jié)果得知，沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。校核洪水工況（P=2%）是最危險(xiǎn)工況，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc為2.51，滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）要求。

3.2.2 進(jìn)水閘基底應(yīng)力計(jì)算

進(jìn)水閘的基底應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定計(jì)算相同，即取進(jìn)水閘整體作為計(jì)算單元，最不利運(yùn)行工況也與抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況相同。正常蓄水位工況是最危險(xiǎn)工況，基底應(yīng)力的最大值與最小值之比為1.60，滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）要求。計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 進(jìn)水閘基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）重建的進(jìn)水閘基本保持原來(lái)的結(jié)構(gòu)形式。布置一孔有胸墻的進(jìn)水口，進(jìn)口尺寸為3.0 m×1.07 m（寬×高），閘室底板高程237.93 m（原高程10.10 m），胸墻底部高程239.0 m（原高程11.17 m）。進(jìn)水閘在水流方向總長(zhǎng)為15.65 m，其中閘門(mén)室長(zhǎng)3 m。為滿足進(jìn)水閘的抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力需要，閘室與消力池之間不設(shè)分縫，按整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全部為混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）通過(guò)水力計(jì)算，進(jìn)水閘下游消力池不需要下挖，為了安全起見(jiàn)，布置一定下挖深度的消能措施，采用底流消能，消力池深0.5 m，池長(zhǎng)10 m。為了便于運(yùn)行操作，243.10 m(原高程15.27 m)高程布置檢修平臺(tái)，在混凝土排架頂部245.50 m(原高程17.67 m)高程布置工作平臺(tái)。

（3）閘室和消力池橫斷面均為整體式“U”形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墻厚1.0 m，墻頂高程243.10 m，閘室底板厚1.3 m，消力池底板厚0.8 m。進(jìn)水閘采用平板式閘門(mén)，手動(dòng)螺桿啟閉機(jī)操縱。根據(jù)計(jì)算，本工程灌溉流量為1.38 m3/s，當(dāng)上游水位238.83 m時(shí)（即正常蓄水位），進(jìn)水閘下泄流量即達(dá)到該流量要求。