張 巍

（遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110003）

0 引言

根據(jù)水利部全國水閘安全情況普查資料[1]顯示，我國病險水閘共有2.97萬座，約占全國水閘總數(shù)的72%，其中遼寧省大中型病險水閘163座，占全省大中型水閘的40.8%。遼寧省中部平原河流水閘普遍存在著上游泥沙淤積、下游河道違法超量濫采河砂現(xiàn)象，導(dǎo)致水閘上下游河道落差較大，形成較為特殊的高落差病險水閘[2]。在對此類水閘的除險加固過程中，遼寧地區(qū)逐步總結(jié)出普遍適用的跌坎式消能工方案[2～3]。

1 工程概況

清河攔河閘樞紐工程位于清河水庫下游20 km處河道干流，為開西灌區(qū)渠首樞紐工程，主要功能為灌溉、防洪。主體工程包括自動翻板閘27孔、調(diào)節(jié)閘8孔、進(jìn)水閘8孔、消力池和海漫等，工程建筑物級別為3級，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，閘址控制流域面積5192 km2。由于歷史條件所限，水閘設(shè)計(jì)和施工存在一定缺陷，長期帶病運(yùn)行。2010年7月20日，開原市遭遇100年一遇的特大暴雨，最大過閘流量超過2000 m3/s，攔河閘下游消力池、海漫及兩側(cè)翼墻全部沖毀，閘體全部沖毀，閘室整體向下游嚴(yán)重傾斜扭曲，為保證安全和下游農(nóng)業(yè)灌溉用水，需對清河閘進(jìn)行除險加固。

2 除險加固方案

2.1 工程規(guī)模及標(biāo)準(zhǔn)

該閘為開西灌區(qū)渠首樞紐工程，灌溉引水流量為30 m3/s，P=2%時過閘流量為4690 m3/s，工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大（2）型。清河閘下游河道寬淺，失事后造成損失較小，因此建筑物級別降一級，按3級確定，防洪標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)20年一遇，校核50年一遇。

2.2 除險加固方案

攔河閘在原址重建，結(jié)構(gòu)為無坎式平底寬頂堰，共設(shè)36孔，每孔凈寬8.00 m，閘下游設(shè)消力池與護(hù)坦，消力池后設(shè)長25 m的海漫段。除險加固采用全河閘方案，過流能力增強(qiáng)，設(shè)計(jì)流量Q5%=3320 m3/s時，水位為79.69 m，比原閘降低1.11 m，過閘流量3320 m3/s，比原閘增大76.7%；校核流量Q2%=4690 m3/s時，水位為80.64 m，比原閘降低1.08 m，過閘流量為4690 m3/s，比原閘增大51.6%。

3 高落差水閘消能防沖設(shè)計(jì)

清河閘設(shè)計(jì)閘底板高程為76 m，下游河底高程為72 m，工程總寬度344.14 m。根據(jù)水閘的運(yùn)用要求，其上下游水位、過閘流量以及泄流方式等復(fù)雜多變，為滿足多種水力條件下消散動能與均勻擴(kuò)散水流要求，與下游河道良好銜接，現(xiàn)就三種方案進(jìn)行比選。

3.1 單級消力池方案

單級消力池的消能計(jì)算采用挖深式消力池算法，計(jì)算簡圖見圖1。

圖1 單級消力池計(jì)算示意圖

由表1可知，該方案在20年一遇設(shè)計(jì)流量下，單級消力池總長度為32.56 m，50年一遇設(shè)計(jì)流量下總長度為37.03 m。

表1 單級消力池尺寸計(jì)算結(jié)果

3.2 多級消力池方案

多級消力池設(shè)計(jì)多用于平原地區(qū)攔河閘加固，清河閘上下游河底高程相差4 m，是典型的高落差水閘，故考慮用多級消力池進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)對已建多級消力池的工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)用情況進(jìn)行分析可知，多級消力池具有減少開挖量、閘門調(diào)度管理方便、便于檢修、沖刷坑較一級消力池淺等優(yōu)點(diǎn)，但多級消力池的總長度常大于單級消力池，工程量有所增加。本工程采用二級消力池方案，計(jì)算簡圖見圖2。

圖2 二級消力池計(jì)算示意圖

先假定一級消力池的深度和坎的高度，根據(jù)上游水位和閘底板高程計(jì)算一級消力池的躍后水深hc1'，通過試算得出一級消力池尾坎頂水頭H1；以此水頭作為二級消力池的上游水深，進(jìn)行二級消力池的設(shè)計(jì)，方法同挖深式消力池設(shè)計(jì)。H1=二級消力池的計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，該方案下在20年一遇設(shè)計(jì)流量下二級消力池總長度為43.06 m，50年一遇設(shè)計(jì)流量下總長度為47.94 m。

表2 二級消力池尺寸計(jì)算結(jié)果

3.3 單級跌水方案

單級跌水消能方案采用單級高跌坎式渠槽進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算簡圖見圖3。

圖3 單級跌水計(jì)算示意圖

采用下式進(jìn)行計(jì)算，跌落水舌長度ld=4.30D0.27P，水舌后水深hp=D0.22P，收縮水深hc=0.54D0.425P，躍后水深hc'=1.66D0.27P，水躍長度 lj=6.9（hc'-hc），池深 S=hc'-ht，池長 ls=ld+0.8lj。式中為單寬流量。計(jì)算時首先假定池深，結(jié)合上下游河底高程差確定跌差P，進(jìn)而得出消力池深的計(jì)算值，再與假定值比對，經(jīng)試算確定消力池深度。消力池長度按校核流量計(jì)算成果最大，水舌長度l1=10.59 m，水躍長度l2=17.75 m，總長度L=24.79 m。

從消力池的消能效率的角度分析，消能效率Kj是躍前斷面弗勞德數(shù)Fr1的函數(shù)，可以表示為經(jīng)核算，校核水位時躍前弗勞德數(shù)Fr1為2.91，相應(yīng)的消能效率Kj為13.2%，因此若根據(jù)校核洪水水躍長度確定消力池長度，其消能效果并不理想，而工程投資增大很多。考慮到水閘下游無重要的防護(hù)對象，因此本工程按小流量閘孔出流確定消力池的長度與深度[4～5]，計(jì)算結(jié)果見表 3。

表3 消力池長度和深度計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)不同的開孔數(shù)與閘孔開度時，消力池的長度和深度計(jì)算結(jié)果不同，當(dāng)開兩孔、開孔高度e=1 m時，消力池的深度最深為1.632 m，同時消力池長度最長為20.982 m，因此取力池深度d=1.6 m，消力池長度L=20.5 m。

3.4 三種方案對比分析

根據(jù)3.1～3.3結(jié)果可知，在20年一遇設(shè)計(jì)流量下，單級消力池總長度為32.56 m；二級消力池總長度為43.06 m；單級跌坎式消能工其消力池長度為20.5 m。工程造價與消力池尺寸直接相關(guān)，故對于上下游落差較大的河道水閘，采用單級跌坎式消能工方案可明顯降低消能設(shè)施必需尺寸，節(jié)約工程造價。

4 高落差水閘穩(wěn)定性研究

閘室穩(wěn)定計(jì)算取相鄰順?biāo)飨蛴谰每p之間的閘段作為計(jì)算單元。地震與設(shè)計(jì)洪水或校核洪水同時遭遇的幾率極小，因此在計(jì)入地震荷載時，只與正常蓄水位情況下的相應(yīng)荷載進(jìn)行組合[4～5]。單位寬度閘門的總地震動水壓力作用在水面以下0.54 H0處。

4.1 基底應(yīng)力計(jì)算

4.1.1 閘室段基底應(yīng)力計(jì)算

閘室段的穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖4。分四種工況進(jìn)行計(jì)算:工況一，施工完建期，計(jì)入自重荷載；工況二，正常擋水位，計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+靜水壓力+風(fēng)荷載；工況三，校核洪水位，計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+靜水壓力+風(fēng)荷載；工況四，正常擋水位考慮地震荷載，計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+靜水壓力+風(fēng)荷載+地震動水壓力，為最不利工況。閘室段荷載統(tǒng)計(jì)表及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4～表5。

圖4 閘室穩(wěn)定計(jì)算簡圖

表4 閘室段荷載統(tǒng)計(jì)表

表5 閘室段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4～表5可知，各工況下各個閘段均滿足地基應(yīng)力的要求，閘基基底應(yīng)力最大值與最小值之比均小于容許值，滿足規(guī)范要求。各工況閘基底壓應(yīng)力均未超過地質(zhì)報告建議的允許值 392 kN/m2～490 kN/m2。

4.1.2 消力池應(yīng)力計(jì)算

消力池的穩(wěn)定計(jì)算簡圖見圖5。

圖5 消力池穩(wěn)定計(jì)算簡圖

分兩種工況進(jìn)行計(jì)算，兩種工況為:工況一，施工完建期，計(jì)入自重荷載+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力；工況二，正常擋水位，即計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+防沖槽內(nèi)的靜水壓力+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力。正常擋水位時期，下游防沖槽內(nèi)可能有水，其對齒墻可以產(chǎn)生向上游方向的推力，此推力具有阻止消力池滑動的有利作用，因此在消力池的基底應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定計(jì)算時，不考慮此靜水壓力的影響。計(jì)算方法同閘室段，結(jié)果見表6。

表6 消力池應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算可知，基底應(yīng)力滿足地基承載力要求，基底不均勻系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

4.2.1 閘室段抗滑穩(wěn)定計(jì)算

閘室段在完建期不受靜水壓力的影響，考慮三種工況:工況一，正常擋水位，計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+靜水壓力；工況二，校核洪水位，計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+靜水壓力；工況三，正常擋水位（地震荷載），計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+靜水壓力+地震動水壓力。計(jì)算采用摩擦公式，壩體與粗砂間摩擦系數(shù)取為0.45，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 閘室段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值

計(jì)算結(jié)果表明，在各種工況下，水閘各段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。校核洪水位下的閘室抗滑安全系數(shù)大于正常擋水位，是由于校核洪水時，閘門打開，水平向只有作用在閘墩上的力，故校核洪水時抗滑安全系數(shù)較正常擋水時大。

4.2.2 消力池抗滑穩(wěn)定計(jì)算

消力池在完建期不受靜水壓力，但上游閘室段底部土對消力池產(chǎn)生主動土壓力的作用，共計(jì)算兩種工況:工況一，施工完建期，計(jì)入自重荷載+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力；工況二，正常擋水位，計(jì)入荷載為自重+揚(yáng)壓力+防沖槽內(nèi)的靜水壓力+上游閘室段附加荷載+閘室段底部主動土壓力。計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 消力池抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值

由表8可知，各工況抗滑安全系數(shù)均大于允許抗滑安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

高落差跌坎式消能工是針對下游河道沖刷和采砂嚴(yán)重、上游河道淤積而形成的上下游具有較大河道落差的消能工方案。通過方案比選，提出跌坎式消能工具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、消能效果好、造價節(jié)約等特點(diǎn)；對閘室和消力池的基底應(yīng)力、不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，得出其基底應(yīng)力、消力池應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，證實(shí)清河閘采取的高落差跌坎式消能工方案是安全有效的。