水闸除险加固中堰型的选择

刘 娟，赵晓军

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，乌鲁木齐 830002)

水闸除险加固中堰型的选择

刘 娟，赵晓军

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，乌鲁木齐 830002)

本文结合工程实例及分析计算，综合比较了梯形堰、WES曲线堰、宽顶堰三种堰型的优劣。过流能力比较得出：梯形堰与WES曲线堰侧收缩系数相同，比宽顶堰略大;WES曲线堰流量系数最大，梯形堰与宽顶堰相近。投资比较：WES曲线堰比梯形堰更经济。因此，WES曲线堰为最优堰型。

过流能力;堰型;比选标准

1 枢纽概况

一干渠引水枢纽位于阿勒泰地区福海县境内，该工程建于1992年，该枢纽以引水灌溉闸为主，兼顾防洪。引水流量60m3/s，设计洪水标准30年一遇(P=3.33%)，相应洪峰流量Q设=1750m3/s，校核洪水标准为100年一遇(P=1%)，相应洪峰流量 Q校=2785m3/s。

目前工程由进水闸、冲砂泄洪闸、拦河溢流堰和非常溢洪堰等四部分组成。

进水闸布置在河道左岸，轴线与河道主流向夹角成7.5°，共2孔，每孔净宽6m，闸前设铺盖，闸后有消力池、海漫等设施。

冲砂泄洪闸位于进水闸右侧并与进水闸夹角30°，共3孔，每孔净宽10m，闸前设束水攻砂导流墙，闸后有消能裙板、防冲块石笼。

溢流堰位于冲砂泄洪闸右侧，为砌石折线型实用堰，长70m，其轴线与冲砂泄洪闸轴线正交。

非常溢洪道位于溢流堰的右侧，大致分为三部分：非常溢洪堰、溢洪道直线段、溢洪道尾端曲线段。非常溢洪堰长40m，梯形结构，溢洪道直线段长75.5m，溢洪道曲线段长44.2m。

对枢纽进行过流能力复核，溢流堰过流能力不足需对堰体在原址拆除重建，选取梯形堰、WES曲线堰、宽顶堰三种堰型进行比较，选取最优的堰型。

2 地质情况

闸址区地貌属于U形，两侧均有台地发育，闸址南侧以南为中泥盆统北塔山组(D2b)：石英岩、粉砂岩、凝灰质砂岩等，闸址区基岩为上石炭系喀喇额尔齐斯组(C3k)。

闸址左岸基岩出露部位，为石炭系地层，以砂岩、碎屑岩为主。自右岸至左岸基岩埋深增大，上覆第四系河床冲洪积卵砾石层，主河床段卵砾石层厚度最大，厚度20～25m。闸体溢洪堰基础位于河床卵砾石层上，卵砾石层不均匀系数Cu=137.8，曲率系数Cc=5.82。渗透系数为3.7×10－2cm/s，该层承载力标准值350kPa，变形模量35MPa。右岸为一台地，表层岩性以卵砾石为主，厚度20～25m，下伏石炭系地层。溢洪堰及防浪墙基础位于卵砾石层上。

3 溢流堰现状

溢流堰长70m，堰前铺盖顶高程587m，堰顶高程590.65m，堰高3.65m。

堰呈折线型实用堰，上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶3，顶宽 1.5m。上游齿墙埋深 3.5m，基础底高程583.5m，下游防冲护坡深7.5m，水平距离为5.5m，基础底高程579.5m，基础上设砂砾石防冲层。堰表层为浆砌条石，条石下层为“651”止水橡皮，止水橡皮内部为浆砌石结构。

堰前设沥青玻璃丝布防渗，长10m，沥青玻璃丝布上、下层铺砂砾土，表层采用干砌石防冲。堰北岸上、下游采用悬臂式挡土墙结构。

溢流堰设计工况下堰前水位为595.65m，河道水流流速2.74m/s，溢流堰过流流量为Q=819.3m3/s，下游水面高程592.82m;校核工况下堰前水位为595.65m，河道水流流速3.15m/s，溢流堰过流流量为Q=1520m3/s，下游水面高程594.59m。

4 堰型比选

4.1 过流能力比选

过流计算采用堰流计算公式

式中 B——闸孔总净宽，m;

Q——过闸流量，m3/s;

H0——计入行进流速水头的堰上水深，m;

g——重力加速度，可采用9.81(m3/s);

σ——淹没系数;

ε——侧收缩系数;

m——流量系数。

4.1.1 流态判断

当≤0.8时，经判断堰体在设计和校核工况下的自由出流淹没系数均为1。

4.1.2 收缩系数计算

a.实用堰(这里指梯形堰和WES堰)的侧收缩系数采用以下公式：

式中 ξk——边墩形状系数;

ξ0——闸墩形状系数;

b——闸孔净宽;

n——闸孔数。

b.宽顶堰的侧收缩系数采用以下公式：

式中 b0——闸孔净宽;

bs——上游河道一半水深处的宽度。

经计算得出：在设计工况下梯形堰、WES堰、宽顶堰侧收缩系数为 0.99、0.99、0.94，校核工况下为0.99、0.98、0.94。

4.1.3 流量系数

a.WES曲线堰流量系数

ⓐ参数确定

依据《溢洪道设计规范》(SL—2000)堰面曲线设计中，对于堰高P1＜1.33Hd的低堰，取Hd=(0.65－0.85)Hmax，最终确定Hd=6m。

ⓑ流量系数确定

依据上述规范 WES曲线堰可根据P1/Hd与H0/Hd，查表1确定，由此得出流量系数为0.5。

表1 WES曲线堰流量系数

b.梯形实用堰流量系数

梯形实用堰的流量系数可按表2查取，当上游边坡为1∶0.5时，其流量系数的值要较所查得的流量系数加大2%。其中δ为堰顶宽度，H为堰顶水深。由此得出流量系数为0.367。

表2 梯形剖面堰流量系数

c.宽顶堰流量系数

直坎：

圆坎：

本次比选在同等优的水流条件下，取宽顶堰上游为圆弧形，半径r为1.5m。由此计算得出流量系数为0.370。

4.1.4 各堰形宽度计算

经计算得出：在设计工况下梯形堰、WES堰、宽顶堰计算宽度为70m、55m、74m，校核工况下为 72m、58m、75m。

由计算可见WES堰形宽度最小，但WES曲线堰堰型比梯形堰体积小，与上游铺盖相接时需要在堰前新增加一段铺盖长7.7m，曲线堰采用钢筋混凝土，梯形堰采用现浇混凝土。因此须对这两种堰形作近一步综合比较。

4.2 投资比选

4.2.1 方案一：WES曲线堰

溢流堰断面为WES曲线堰，堰顶高程591.1，堰宽69m，净宽65m，堰高3.65m。堰面曲线采用三圆弧曲线，下游堰头曲线采用y=0.201703377 x1.85幂曲线，堰面曲线后接1∶0.75的直线段，深入现状冲坑，底部高程为579.5m，与原溢流堰后冲坑底高程一致。堰体内部为C25钢筋混凝土，表面采用40cm厚C40钢筋混凝土。前齿墙深3.5m。堰左侧接原泄洪闸边墙，右侧为重力式现浇C25混凝土挡土墙。堰体每10m设一道伸缩缝，采用高压闭孔板填缝，聚氨酯闭缝，缝宽2cm。

堰前钢筋混凝土铺盖高程为587.45m，采用C25现浇混凝土，铺盖长7.7m。垂直水流方向每10m设一道伸缩缝，与堰体错缝布置，填缝止水材料与堰体一致。新增钢筋混凝土铺盖上游与原堰前铺盖相接，中间缝采用P651止水橡皮止水，高压闭孔板填缝，聚氨酯闭缝，缝宽2cm。

堰后冲坑上口宽18m，边坡1∶1.75，顶高程为587.45m。冲坑底部填d10～d20砾石120cm，顶部为100cm厚格宾。

WES曲线堰堰体、堰前铺盖设施总投资581.01万元。

4.2.2 方案二：梯形实用堰

堰总宽77m，净宽72m，堰高3.65m。堰体上游坡1∶0.5，堰顶宽度4.1m，下游坡1∶3，堰长 14.8m。堰体内部为C25现浇混凝土，表面采用40cm厚C40混凝土。堰前齿墙底高程583.95m。堰体每10m设一道伸缩缝，采用高压闭孔板填缝，聚氨酯闭缝。

堰体后齿墙深7m，坡度1∶0.75，深入现状冲坑，底高程579.5m，与原溢流堰后冲坑底高程一致。采用C25现浇混凝土。每10m设一道伸缩缝，与堰体错缝布置，止水设置与堰体一致。堰后冲坑上口宽18m，边坡1∶1.75，顶高程为587.45m。冲坑底部填d10～d20砾石120cm，顶部为100cm厚格宾。

梯形实用堰体总投资784.02万元。

4.3 堰型确定

WES曲线堰与梯形堰在过流能力上相比，WES曲线堰过流能力较大，堰宽减少7m，节省投资203.01万元，WES曲线堰在形体上轻巧、混凝土量较少，比梯形堰更易施工。因此推荐WES曲线堰。曲线堰与梯形堰结构见图1～图2。

图1 曲线堰结构

图2 梯形堰结构

5 结语

对水闸除险加固中的堰体改建需要从以下方面综合选择堰型：

a.选择同等条件下过流能力较大的堰型。

b.选择堰型应与原枢纽建筑物平顺相接。

c.综合比较各堰型选择更经济堰型。

1 SL 265—2001水闸设计规范［S］.

2 李炜.水力计算手册［M］.第二版.北京：中国水利水电出版社，2006

Selection of Weir Form in Sluice Danger Removal and Reinforcement

LIU Juan，ZHAO Xiao-jun
(Xinjiang Production and Construction Corps Survey Planning and Design Institute，Urumqi830002，China)

Engineering examples and analysis calculations are combined for comprehensive comparison of advantages and disadvantages in trapezoidal weir，WES curve weir and broad-top weir in the paper．Flow capacity comparison showed that trapezoidal weir has the same lateral contraction coefficient as WES curve weir，which is slightly higher than the broad-top weir．WES curve weir has the maximum flow coefficient，and broad-top weir has similar flow coefficient with trapezoidal weir．Investment comparison showed that:WES curve weir is more economical than the trapezoidal weir．Therefore，WES curve weir is the optimal weir form．

flow capacity;weir form;required standard

TV66

A

1005-4774(2013)09-0033-04