崔洋

（北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101512）

0 引言

目前灌區(qū)的建設(shè)與灌溉工作離不開水閘，水閘在水利工程都起到防滲排水與防范水流危險(xiǎn)的重要功用，因此做好水閘的設(shè)計(jì)工作十分重要。 在灌區(qū)中，水閘的構(gòu)成較為復(fù)雜，通常包含了防滲漏排水設(shè)施、閘室、消能防沖設(shè)施等。在進(jìn)行水閘設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合項(xiàng)目的具體情況，從水閘的設(shè)計(jì)要點(diǎn)著手分析，針對(duì)性地設(shè)計(jì)水閘，同時(shí)盡可能節(jié)約資源，把不同類型的水閘設(shè)置于同一個(gè)水利樞紐當(dāng)中。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)干渠和支渠總計(jì)長(zhǎng)度44.38 km；渠系建筑物總計(jì)33座，其中干渠上水閘7座、農(nóng)橋4座，一支渠上農(nóng)橋3座，二支渠上農(nóng)橋4座，三支渠上水閘1座、農(nóng)橋7座，四支渠上水閘2座、農(nóng)橋3座，五支渠上農(nóng)橋2座。

2 項(xiàng)目區(qū)地形及氣象

2.1 地形

項(xiàng)目區(qū)地形平坦開闊，地貌單一，地基土分布有規(guī)律，無(wú)其他不良地質(zhì)作用。地勢(shì)西北高東南低，稍有傾斜，地面高程在57～81 m之間，地面坡降1/2 000～1/40 00。

2.2 氣象

項(xiàng)目區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明溫差較大，光照資源豐富。春季降雨較少，夏季雨量集中，秋高氣爽長(zhǎng)日照，冬季氣溫低較干。多年平均氣溫14.30 ℃，極端最高氣溫40.60 ℃，降雨量多集中在6—8月份，占全年降雨量的56.70%左右，年內(nèi)最大月與最小月降水量相差懸殊，多年平均以7月份降水量最多，為160 mm；最小月降水量多發(fā)生在1月份，多年平均約9.20 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 018.80 mm。

1956—2016年縣多年平均年降水量667 mm，CV值為0.24，降水總量7.40億m3。P=20%保證率降雨量為794 mm，P=50%保證率降雨量為654 mm，P=75%保證率降雨量為554 mm，P=95%保證率降雨量為427 mm。見表1。

表1 蘭考縣分區(qū)年降水量特征值表

3 水閘工程設(shè)計(jì)

3.1 水閘工程

節(jié)制閘：為控制渠道水位、調(diào)節(jié)流量，保證灌溉期用水，在渠首無(wú)節(jié)制閘或節(jié)制閘已損壞的渠道渠首配套節(jié)制閘。

分水閘：分水閘主要布置在上級(jí)渠道向下級(jí)渠道分水處，其作用是控制和調(diào)節(jié)向下級(jí)渠道的配水流量，在渠道上合理設(shè)置分水閘。

退水閘：退水閘位于渠道末端、重要渠系建筑物或險(xiǎn)工渠段上游，作用是限制排水，控制排水流量，在無(wú)退水閘的渠道上配套退水閘，退水閘下設(shè)退水溝，為自然排水溝。

新建水閘10座（其中渠首2座，一支渠1座，二支渠1座，三支渠3 座，四支渠1 座，五支渠2 座），重建水閘2 座（三支渠1座，四支渠1座）。

新建水閘的必要性：新建水閘一部分起到從干渠引水，并控制流量的作用，另一部分起到退水的作用。其余拆除重建的老閘均位于原來(lái)的位置，灌溉時(shí)起到控制流量，輪灌農(nóng)田作用。節(jié)制閘及進(jìn)水閘閘室結(jié)構(gòu)采用開敞式，上、下游為現(xiàn)澆混凝土重力式墩墻與護(hù)坡相結(jié)合的聯(lián)結(jié)形式，出口為底流式消能，并設(shè)有防沖海漫?，F(xiàn)以三干渠渠首0+118處節(jié)制閘為例簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.2 工程設(shè)計(jì)

3.2.1 渠道設(shè)計(jì)

三支渠渠首節(jié)制閘位于樁號(hào)0+118 處，設(shè)計(jì)流量Q=4.26 m3/s，設(shè)計(jì)水頭0.10 m。設(shè)計(jì)渠道底寬：上游2.50 m，下游2 m；渠底比降：1/10 000；邊坡：上游1:1.50，下游1:1.50。

3.2.2 建筑物等級(jí)

三支渠渠首節(jié)制閘設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為4.26 m3/s，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.0.6條，此水閘按4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

3.2.3 閘孔尺寸選定

閘孔寬度。根據(jù)該處的河底高程，結(jié)合原閘的運(yùn)行情況和渠道水面線計(jì)算，進(jìn)水閘設(shè)計(jì)閘底板高程為支渠渠首渠底高程，節(jié)制閘底板為所在渠（溝）道渠底高程一致，過(guò)閘水位差0.10 m。

水閘上下游水頭差較小，過(guò)流時(shí)處于淹沒(méi)狀態(tài)，對(duì)平底堰流式水閘，閘孔總凈寬由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A公式（A.0.2）計(jì)算。

式中：μ0——淹沒(méi)堰流的綜合流量系數(shù)；B0——閘孔總凈寬（m）；H0——計(jì)入行近流速水頭的堰上水深（m）；hs——下游水深（m）。

根據(jù)上式進(jìn)行計(jì)算，所需閘孔寬度為1.90 m。擬定節(jié)制閘為單孔，閘孔凈寬2 m。

3.2.4 消能設(shè)計(jì)

消力池長(zhǎng)度計(jì)算如下：

式中：Lsj—消力池長(zhǎng)度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度，m；β—水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，采用0.75；Lj—水躍長(zhǎng)度，m。

水閘常用的消能方式為底流消能和挑流消能，平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流式消能。此工程均采用深挖式消力池。

3.2.5 防滲設(shè)計(jì)

初擬防滲長(zhǎng)度應(yīng)滿足式

式中：L—閘基防滲長(zhǎng)度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長(zhǎng)度的總和（m）；C—允許滲徑系數(shù)值。由于此工程為含細(xì)粒土砂地基，取9；H—上，下游最大水頭差（m）。

則，L=9 m×1.70 m=15.30 m

防滲設(shè)備尺寸及構(gòu)造：閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度據(jù)閘基土質(zhì)，系數(shù)A 取2.5；L=2.50 m×1.70 m=4.25 m。①經(jīng)綜合考慮上部結(jié)構(gòu)布置及地基承載力等要求，確定閘底板長(zhǎng)度為7 m。②閘底板厚度取0.80 m。③閘底板齒墻厚度取為0.50 m。④鋪蓋長(zhǎng)度3～5倍上下游水頭差；取6 m。⑤上游連接段與鋪蓋之間也設(shè)有止水。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)有長(zhǎng)度L=21.41 m ＞CH=15.30 m安全。

3.2.5.1 上游連接段

連接渠長(zhǎng)6 m 采用厚0.15 m 的現(xiàn)澆C25 混凝土護(hù)坡和厚0.20 m 的混凝土護(hù)底；上游鋪蓋為0.40 m 的現(xiàn)澆C30 混凝土，長(zhǎng)6 m，護(hù)坡為混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2.5.2 閘室段

該段為新建閘室段，閘室開敞式混凝土結(jié)構(gòu)，凈寬2 m，1孔。底板為平板式，閘底板長(zhǎng)度為7 m，厚度d=0.80 m，C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。底板上下游均設(shè)置齒槽，齒槽深0.50 m。閘墩為實(shí)體式，閘墩長(zhǎng)7 m。工作閘門為鑄鐵閘門，門寬2 m，高2 m，采用QL-8 t螺桿式啟閉機(jī)。

3.2.5.3 消能防沖段

消力池陡坡連接段，長(zhǎng)2.40 m，坡度為1：4，其下設(shè)5～20 mm小石子墊層0.20 m 厚，設(shè)1～5 mm 礫石墊層0.20 m 厚，設(shè)0.50～1 mm粗砂墊層0.20 m厚。消力池段，為深挖式消力池，池長(zhǎng)10 m，池深0.60 m，底板厚0.40 m，消力池底部設(shè)排水孔，排水孔間距1 m，呈梅花狀布置。

防沖槽長(zhǎng)度4 m，為現(xiàn)澆0.60 m厚的C30混凝土。

3.2.6 閘室穩(wěn)定計(jì)算

3.2.6.1 計(jì)算工況

節(jié)制閘1 孔，孔凈寬2 m，閘室長(zhǎng)度2 m，閘室穩(wěn)定計(jì)算考慮以下兩種工況：

①完建工況（竣工期）：閘室上、下游均無(wú)水，僅考慮永久荷載及可變作用中的風(fēng)荷載和人群荷載。②設(shè)計(jì)工況1（關(guān)門擋水）：閘上為設(shè)計(jì)水位，閘下無(wú)水。③設(shè)計(jì)工況2：上游設(shè)計(jì)水深1.98 m，下游水深1.84 m。

3.2.6.2 抗滑、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

3.2.6.2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘探資料和閘室布置情況，閘基坐落在粉質(zhì)壤土層上，其地質(zhì)參數(shù)建議值為混凝土與地基摩擦系數(shù)f=0.30，C=15 kPa、φ=21°，承載力特征值為120 kPa；墻后回填土料選用中粉質(zhì)壤土φ=25°，C=0 kPa，飽和容重取19.39 kN/m3，浮容重取10 kN/m3。

3.2.6.2.2 荷載組合

依據(jù)規(guī)范要求計(jì)算荷載組合包括基本荷載組合和特殊荷載組合，穩(wěn)定計(jì)算工況荷載組合見表2。

表2 閘室穩(wěn)定計(jì)算荷載組合表

3.2.6.2.3 閘室抗滑、抗傾穩(wěn)定計(jì)算及閘基應(yīng)力計(jì)算

閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算閘基面上的抗滑安全系數(shù)，采用抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f—閘室與閘基接觸面抗剪摩擦系數(shù)；∑G—作用在閘室上全部豎向荷載；∑P—作用在閘室上全部水平荷載。

3.2.6.3 閘室穩(wěn)定計(jì)算

閘室穩(wěn)定計(jì)算采用三種工況：完建期、閘門正常擋水位1.984 m，閘下無(wú)水（工況1）；上游設(shè)計(jì)水位1.984 m，下游水位1.844 m（工況2）。計(jì)算成果見表3。

表3 2閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

閘門啟閉設(shè)備應(yīng)根據(jù)運(yùn)用要求、孔口布置、閘孔數(shù)、工作級(jí)別、啟門力大小，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選定，此工程涵閘均為螺桿式啟閉機(jī)，一機(jī)對(duì)一門。啟門力按下列公式計(jì)算：

式中：ηT——摩擦阻力安全系數(shù)，可采用1.20；n′G—計(jì)算啟門力用的閘門自重修正系數(shù)，可采用1.00～1.10；G—閘門自重，kN，當(dāng)有拉桿時(shí)應(yīng)計(jì)入拉桿重量；計(jì)算閉門力時(shí)選用浮重，kN；WS—作用在閘門上的水柱壓力，kN；Gj—加重塊重量，kN；Px—下吸力，kN；Tzd=f2P—滑動(dòng)支承摩阻力，kN；TZS=f3PZS—止水摩阻力，kN。

經(jīng)計(jì)算，典型設(shè)計(jì)中（三支渠渠首節(jié)制閘），閘門選用PZM鑄鐵閘門2.00 m×2.00 m（寬×高），啟閉機(jī)為單吊點(diǎn)螺桿式，80 kN。

4 結(jié)語(yǔ)

在水利工程中，水閘是非常重要的組成部分，水閘設(shè)計(jì)在整個(gè)水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工中占據(jù)重要地位，因此，需要對(duì)水閘設(shè)計(jì)工作予以高度重視。每個(gè)水利工程的水閘建設(shè)條件與環(huán)境各不相同，對(duì)水閘的設(shè)計(jì)需求也大為迥異，這需要工程設(shè)計(jì)人員從灌區(qū)水閘的建設(shè)實(shí)際條件與影響因素出發(fā)。文章根據(jù)項(xiàng)目區(qū)概況有針對(duì)性對(duì)水閘進(jìn)行設(shè)計(jì)，就設(shè)計(jì)中防滲、消能、閘室穩(wěn)定等問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，為水閘有效地發(fā)揮作用提供保障，也為灌區(qū)水利工程的建設(shè)安全與區(qū)域水利危險(xiǎn)控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。