平原地区天然河道节制闸闸槛高程的选择

李春日

吉林省四平市南崴子灌区管理局

平原地区天然河道节制闸闸槛高程的选择

李春日

吉林省四平市南崴子灌区管理局

本文论述了天然河道节制闸闸槛高程的选择并提出选择方法。

节制闸；闸槛高程；选择

wooden structure；traditional building；fire hazard；fire-retardant coatings

在天然河道上修建拦河节制闸，其运用条件一般比较复杂。闸槛高程的选择需要考虑河道的水文情况，闸址的地形和地质条件等很多因素。当有几种闸槛高程可供选择时，要通过技术、经济的论证和比较，选择技术上可靠，经济上合理的最优方案。

1 闸孔单宽流量的选择

选择闸槛高程时，首先选择合适的最大闸孔单宽流量。它取决于闸下天然河道或人工引渠的水深以及河床的地质情况。根据下游河道通过最大流量时的水深并以河床地质的抗冲流速，求得下游河道的最大允许单宽流量。如果洪水期河道水流的含泥量不大时，河床质的抗冲流速一般可以根据参考书中的建议数据初步选定。必须指出，天然河道含泥量较大时，特别是洪水水流，含泥量增大，就会降低对河床质的冲刷能力。当含泥量超过水流的挟带能力时，河床不仅不会冲刷，反会淤积。因此，对含泥量较大的河流必须从闸址处原河道各个时期的实测水文资料的综合分析中（包括水位、流量、含泥量、流速分布以及相应的河床冲淤变化等）取得河床质抗冲流速的实测数据，来确定下游河床的设计抗冲流速和允许的最大单宽流量；然后考虑水流过闸以后的扩散条件，按下游河床的允许最大单宽流量乘以1.1～1.5的系数，作为允许最大带宽流量的可能采用范围。

当采用上述较小的闸孔单宽流量时，水闸的总宽度比较大，闸下水流的平面扩散角较小，水流不致脱离下游边墙而产生回流。闸后流速的平面分布比较均匀，防冲砌护的长度就可以相应缩短。采用上述较大的闸孔单宽流量时，虽然可以减小水闸的总宽度，但是闸后的导流边墙长度势必增加，下游河床的防冲护砌长度亦要加长，不能达到减少整个节制闸工程量的目的。特别是在总宽度很大的节制闸上，水流的扩散仅限于边孔，中间闸孔的水流是很难扩散的，往往加长边墙，并无显著效果。如果下游流速的平均分布相差过大，很容易引起两侧大范围的回流。回流压消主流，不仅不能扩散，局部的单宽流量反而增大（一般出现在回流和主流的分界部位），常常因此而引起下游河床的严重冲刷。在这种情况下，闸孔单宽流量与下游河床允许的单宽流量的比值应取较小值。

最大闸孔单宽流量选定以后，可根据水闸泄放最大洪水时期相应的上下游水位，按堰流状态计算这时所需要的堰顶高程，这是可能采用的最高闸槛高程。

2 闸槛高程的选择

平原地区的拦河节制闸，在泄洪时期不允许过分壅高上游水位，以免增加上游两岸堤防的负担，设计的过闸落差一般只有0.1m～0.3m。此时闸孔上下游的水位差最小，而要求通过的流量最大，因此按这种条件确定的闸槛高程一般都能满足其他泄水条件的泄量要求。但是当河道的排涝水位与泄洪水位相差过大时，排涝时期的槛上水深过小，可能不足以宣泄排涝流量，就需要降低闸槛高程。槛高降低以后，泄洪时的最大闸孔单宽流量将超过允许值。这时可在闸孔顶部设胸墙挡水，改堰流为孔流，限制空口高度，控制最大闸孔单宽流量不能超过允许值。

如果泄洪时允许的过闸落差比较大，按上述条件确定的闸槛高程有时高出天然河床很多，是否会引起上游河段的淤积，导致上游河段的洪水位抬高，这是个普遍关注和争议的问题。一般地说，在平原河道上，大都没有推移质泥沙活动，只有悬移质含量多少的区别。在节制闸关闭期间或闸上水位壅高的情况下，上游河段的水面升降与原来相比有显著的改变，水面比降减小，降低了水流的流速和挟砂能力，悬移质泥沙就会沉积下来，这种淤积大都出现在节制闸上游回水浅的末端，与闸槛的高低并无直接关系。由于平原河道天然比降小，回水延伸很长，淤积河段远离闸址，而且这种淤积过程相当缓慢。平水时期，上游来水的含泥量较小，虽有沉积，但数量不大，颗粒亦较细。洪水时期，节制闸闸门全部打开，上游的洪水位壅高较小，基本上不改变原河道的水力比降，这时不仅不会淤积，还有可能冲走上游河段平水时期沉积下来的泥沙。因此淤积量并不逐年沉积，往往处于动平衡状态。

3 工程实例

公主岭市卡伦河是一条含泥量较大的河流，1970年在距卡伦水库25km韩家店处建深浅孔结合的拦河节制闸，共7孔，闸门为平板混凝土闸门，闸孔净宽4m，孔高6m，浅孔闸槛高程高出原河床3m，只是在中间3个深孔中设置了排砂底孔，底孔的槛高亦高出河床1m左右。根据该闸40年来的运用情况我们进行了实地踏查，对上游河段的河床断面与建闸以前的实测断面进行比较分析：

3.1 河底高程的变化情况

在节制闸至卡伦水库出口（长25km），河底高程有的淤高，有的刷深，明显淤高地段是在卡伦水库出口以下14km的范围内，河底高程逐渐淤高1m左右。在距离节制闸4km～6km处，河底最深点的高程低于深水闸槛3m～4m。河底刷深的断面，多位于河道急转弯处。河底淤高的断面，则多位于平直的河段，而且原来的断面形状多是单一的宽浅梯形断面，既有深沟，又有浅滩的断面一般都比较稳定，没有显著的冲淤变化。

3.2 河道淤积的变化

卡伦水库出口以下14km范围内淤积比较明显，淤积量为全河段累计淤积量的1/2,达1503m3，平均1km淤积113m3，节制闸以上4m～6km淤冲基本平衡。全河段的累计淤积量不变，仍为80万m3。从淤泥的堆积形状观测，非左即右，自然形成一条左右摆动的主流河道。这亦是宽浅河道显现的一般性规律。

3.3 比较分析得出几点规律性认识

节制闸上游的经常蓄水位控制在186m～188m高程范围内，且淤积在回水或长度大致在4km～6km范围内变动，而且也是蓄水期上游回水路的末端，符合一般性规律。卡伦水库出口以下14km的河段内淤积是明显的。其原因是支流来水干扰主流，引起水流折冲偏转甚至回流，导致淤积。具有深槽和滩地的复式断面河槽，比单一的梯形断面稳定。复式断面在平水期，水流集中深槽，洪水期才漫滩。过水断面的水力半径在各个时期都比较合适，使受水力半径影响的水流流速与含泥量相适应，因而冲淤变化不大，相对稳定；单一梯形断面则不然，洪、枯水位时的水面宽度相差不大，往往在平水期，水面过宽，水深过浅，水力半径和水流流速偏小，含泥量与水流的挟带能力不相适应，因此容易淤积。

综上所述，平原河道上的拦河节制闸即使闸槛高程高于原河道，只要设计合理，不会导致上游紧邻河段的淤积。但是在节制闸关闭或在闸上水位壅高的情况下控制泄放上游来水时，上游回水路末端河段的淤积是难免的。淤积是取决于该时期上游来水的含泥量及泥沙颗粒大小，与闸槛高程高低无关。因此，平原河道上的拦河节制闸，其闸槛高程可以在高出原河床的一定范围内拟选几个方案，然后根据各方案的技术经济论证和比较，选择最优方案。

如果拦河节制闸是引水枢纽的壅水建筑物，为了使上游河床以及水流稳定，保证附近的进水闸引水通畅，节制闸闸槛亦不宜过分抬高，至少不宜高于进水闸闸槛高程。

4 单孔闸深浅孔的选择方法

4.1 深浅闸孔布置的基本要求

一般来说单孔节制闸的闸槛高程通常用同一个高程。这对于设计和施工，相对地都比较简单，但往往不一定是最合适的。当闸址附近的天然河道是复式断面，既有深槽又有浅滩时，如果节制闸各孔采用同一个闸槛高程，就与原河槽的断面不相适应，势必导致水流分布状态的改变，容易引起原河槽新的冲淤变化。在这种情况下，节制闸采用高低槛相结合的方式比较合适。相应与深槽部位采用较低的闸槛，浅滩部位采用较高闸槛，平水时期利用深孔放水，洪水时才深浅孔同时打开。在各种不同的放水条件下，均不显著改变水闸上下游原有的流态，使其断面保持稳定，创造有利的引水条件。卡伦水库下游韩家店闸就是比较成功的一例。运用40年，河床很稳定，取得了预期的设计效果。

节制闸的深浅闸孔可以分开布置，如果闸址位于略微弯曲的河段上，宜略偏一侧，深孔位于凹岸，浅孔位于凸岸。如果闸址附近的河段比较顺直，深孔可以位于中间，两侧分布浅孔。其优点是两侧边墙均较低，可以显著减小边墙的工程量。

4.2 深浅孔闸布置时应考虑的几个问题

如果闸址的地质条件和高程变化不大，而且闸槛高程允许在一定范围内选定，在流量以及过闸落差相同的情况下，在工程量和投资方面进行比较，应考虑的几个问题：

1）浅孔闸所承受的总水平推力比深孔闸小。

试以开敞式平底闸为例，设通过最大泄洪流量时闸上水深为H，过水总宽度为B,过闸流速为V，蓄水时期闸上水深为H1，相应的闸下水深为H2（均以闸底板高程为基准线）,则洪水水位与蓄水水位只差为：

蓄水时期闸上闸下的水位差为：

泄洪流量为：Q=VBH

蓄水时期水闸承受的最大水平推力为：

在过闸落差一定的情况下，过闸水流的流速是一定。无论水闸深度H与水闸总宽度B如何变化，两者乘积BH是不变的。因此(1)式中的第一项是固定值，第二项括号中的数值仍是不变的，只随着B值的增大而增大，P值则随着B值的增大而减小。水闸闸室是依靠自身的重量维持抗滑稳定的。闸室重量与水流的水平推力成正比，因而浅孔闸闸室的工程量比深孔闸小。

深孔闸的基底单位荷载一般比浅水闸大。如果基底单位荷载超过地基的承载力，不仅地基处理技术复杂性显著增加，地基处理的工程量亦必然增加。

2）水闸的边墙（包括上下游翼墙），无论其长度和高度，均随着闸底提高而减小。单位长度边墙的工程量与墙高的二次方成正比。因而浅孔闸的边墙工程量小于深孔闸的边墙工程量。

3）水闸上游的工程量包括铺盖和防冲砌护两部分，铺盖长度与厚度虽与闸上水深无关。如果是刚性铺盖，闸本身就是防冲护砌的一部分；如果是黏土铺盖，铺盖表面亦需要护砌，同样是属于防冲护砌的一部分。护砌的总长度一般不受防渗铺盖长度控制，只与闸上水深、单宽流量以及河道流速有关。深孔闸虽然由于总宽度减小，底部护砌的平均厚度亦随之减小。但是由于水深和单宽流量增加，上游引河宽度与闸室前水面宽度比值增加，发挥导流作用的上游边墙，其长度亦然增加，河底护砌工程的长度和厚度亦相应增加。因而深孔和浅孔的上游护砌工程总工程量不会相差太大。

4）水闸下游的工程量包括消力池和防冲砌护两部分。它们的长度和厚度在闸下水流连接平顺的情况下，均与闸孔单宽流量的1/2次方成正比。如果下游引河宽度与闸室后水面宽度比值过大，则下游引河中将出现回流流态，流速分布不均匀。下游护砌物厚度和结构强度受较大流速的控制，必须加厚或加强。护砌范围亦必须延伸至回流区域以外，其长度也不再是闸孔单宽流量的1/2次方的估算长度所能控制。闸孔宽度与闸孔单宽流量的一次方成反比，但下游引河的宽度不变，因此下游护砌的平均宽度并不因闸孔加深而明显增加。所以深孔和浅孔的下游护砌工程量也不会相差太大，常常是深孔闸大于浅孔闸。

水闸的总工程量主要由上述四部分组成。闸室、边墙以及下游护砌工程更是最主要的部分。它们都是随着闸孔的加深而增大，因而浅孔闸的总工程量和总投资均小于具有同样泄流能力的深孔闸。

5 结语

1）在闸址地质条件满足各项设计要求的情况下，拦河节制闸采用较高的闸槛高程使闸室宽度接近天然河道比较适宜；不仅技术上比较简单，工程量和投资都比较节约，闸槛前发生大量淤积的顾虑也是不必要的。

2）如果洪水期水流含泥量过大，有推移质泥沙活动，或者泄洪水位与排涝水位相差过大，宜采用高低闸槛相结合的分布。

3）低槛高程与天然河道深槽部分的底高程相适应。高槛高程则与浅滩高程相适应。

4）上下游新开挖的引渠亦采用复式断面，与高低闸槛相结合，这样既可以利用深孔排砂，防止闸槛前泥沙淤积；不至于过分壅高闸前的排涝水位，经济上亦是比较合理的。深浅闸孔的联接在技术上是可以解决的，只要缜密的进行设计，水闸安全性是有把握的。

Chinese traditional structure is the world's most ancient building system，it has a long history of tradition and glorious achievements，also have an important and far-reaching impact to our modern building technology and the arts.This paper studies the analyses the shortcomings in the protection of ancient buildings.Then introduce the classification and fire-retardant principles of the fire-retardant coatings.Current status was analyzed and the development trends of fire-retardant coatings were introduced too.Exploration of fire-retardant coatings apply in the ancient architecture.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.018