某拦河闸除险加固工程设计方案优化分析

胡　伟

(辽宁省彰武县水库移民工作办公室，辽宁 彰武 123200)



某拦河闸除险加固工程设计方案优化分析

胡伟

(辽宁省彰武县水库移民工作办公室，辽宁 彰武 123200)

沙力土拦河闸主要作用是抬高水位，拦蓄引水，为下游200 hm2水田提供灌溉用水。鉴于沙力土拦河闸结构严重破坏已不能运用，为保证下游农田的引水灌溉及拦河闸的安全运行，需尽早对拦河闸进行除险加固。以沙力土村拦河闸除险加固工程设计作为研究对象，在介绍工程概况的基础上，对除险加固的必要性进行了分析与优选，最终确定除险加固方案。工程结束后的运行结果表明，设计理念与内容具有较强的科学性和合理性，有力保障了水库使用功能的正常发挥，为彰武县水闸除险加固具体实践提供参考。

沙力土拦河闸；分析；除险加固；优化方案；

0　引　言

沙力土拦河闸位于阜新市养息牧河支流地河的中上游，闸址位于彰武县前福兴地乡大沙力土村。地河发源于彰武县章古台镇北马家窝堡村，往南经章古台镇清泉水库、八堆子水库、冯家镇刘家烧锅村、前福兴地乡大沙力土村、兴隆山水库，沿兴隆山乡东侧过黑坨子村和地河闸，在西六家子乡三河岔村入养息牧河。

前福兴地乡位于彰武县城北部，以农业为主。总面积118.5 km2，人口0.87万人，耕地面积0.48 万 hm2，林地面积0.333 hm2。沙力土拦河闸主要作用是抬高水位，拦蓄引水，为下游200 hm2水田提供灌溉用水。该水闸的正常运行，对大沙力土村农民增收乃至前福兴地乡的经济发展起着至关重要的作用。沙力土拦河闸始建于1987年，初始设计为3孔闸门，净宽30 m。1999年对原工程进行了扩建，闸孔数增至5孔，净宽增至50 m。2008年阜新市水利勘测设计研究院在原《沙力土拦河闸现状分析报告》、《沙力土拦河闸质量检测报告》和《阜新市彰武县沙力土拦河闸复核计算分析报告》的基础上编制完成了《阜新市彰武县沙力土拦河闸安全评价报告》和《阜新市彰武县沙力土拦河闸安全鉴定报告书》，该闸被评定为三类水闸，主要建筑物除闸室外其余设施均不满足规范设计要求；2011年4月7日，由于原冻土与建筑物之间裂隙扩张及闸基础渗漏问题，闸室右边墙岸坡大面积塌陷，闸体右侧发生绕闸渗流，致使闸体底部下部土方流失，闸体基础外露、悬空，工作桥、排架和人行桥多处下沉、断裂，闸体结构严重破坏，失去原设计功能，无法运用[1]。

1　拦河闸除险加固的必要性

1.1拦河闸工程兴建过程

沙力土拦河闸主要作用是拦蓄上游来水，抬高水位，为下游200 hm2水田提供灌溉用水。水闸的兴建包括初建、维修加固与扩建过程3个阶段。沙力土拦河闸工程始建于1987年。设计标准为10 a一遇，校核标准为20 a一遇，拦河闸共3孔。1987年建成后，只经历了1次洪水，下游护坦段及石笼海漫段即被洪水冲坏，护坦底板基础被淘空。1988年对下游护坦段及石笼海漫段进行了维修加固。

扩建工程于1999年进行，为确保拦河闸的安全，和提高沙力土拦河闸的抗洪能力，特提出沙力土拦河闸扩建工程设计。确定该拦河闸20 a设计，50 a校核洪水标准，洪水流量按区间洪水和上游两座水库溢洪道泄量之和考虑。扩建后拦河闸净宽50 m，即在原有拦河闸基础上增加20 m宽，增加2孔，每孔净宽10 m(原有拦河闸3孔，每孔净宽10 m)。结构与原当时3孔拦河闸的完全相同。

扩建后5孔拦河闸结构情况如下：

1)上游铺盖：矩形断面，沿水流方向长12 m，过水宽53 m。底板为钢筋混凝土结构，厚0.4 m，上游设置深1.0 m的防渗齿墙；侧墙坐落在底板上，为浆砌石结构，高1.0 m～2.0 m，顶宽0.4 m，底宽1.5 m～1.0 m。上游铺盖底板顶高程47.0 m。

2)闸室：水平总长5.0 m，堰顶高程47.5 m，墩顶高程49.0 m，由底板、闸墩、支墩、工作桥和人行桥组成，均为钢筋混凝土结构。闸室总宽53 m，溢流净宽50 m，分5孔，单孔净宽10 m；闸底板厚1.1 m～0.6 m，原三孔闸底板地基为井柱基础，井柱直径为0.6 m，长12.0 m，共12个，每个闸墩与支墩下分别设置两个，两井柱之间的距离为3.4 m；闸墩高1.5 m～2.0 m，厚06 m；每两个闸墩之间有一个支墩，支墩高2.0 m～1.5 m，厚0.3 m，从距闸室段上游1.5 m处开始；工作桥为T型梁结构，梁高0.6 m，厚0.25 m，板厚0.15 m；人行桥为板式连续梁，桥面宽2.0 m，厚0.25 m。5孔闸均设置双吊点平板钢闸门，闸门规格宽×高=10.0 m×1.2 m，配置手摇螺杆式启闭机，启门力2×5.0t。

3)护坦：水平总长10.0 m，过水宽53.0 m。底板为钢筋混凝土结构，厚0.4 m，下游设置深3.0 m厚1.5 m的沉箱；侧墙坐落在底板上，为浆砌石结构，侧墙高1.7 m～1.0 m，顶宽0.4 m,底宽1.5 m。护坦底板顶高程47.0 m。

4)石笼海漫：水平总长10 m，底宽53.0 m。侧墙及底板均为石笼结构。底板石笼厚0.5 m，石笼下铺设400g/m2土工布；侧墙高1.0～0.5 m，石笼厚0.5 m。海漫底板顶高程47.0 m[2]。

1.2拦河闸工程现状

2009年阜新市水利勘测设计研究院在原《沙力土拦河闸现状分析报告》、《沙力土拦河闸质量检测报告》和《阜新市彰武县沙力土拦河闸复核计算分析报告》的基础上编制完成了《阜新市彰武县沙力土拦河闸安全评价报告》和《阜新市彰武县沙力土拦河闸安全鉴定报告书》[3]，该闸被鉴定为Ⅲ类水闸，鉴定主要结论，其结果简述如下：

1)拦河闸泄流能力不满足规范要求；

2)拦河闸下游消能防冲设施不满足规范要求；

3)拦河土坝坝顶高程不满足防洪安全要求；

4)拦河闸抗渗稳定性满足规范要求；

5)正常高水位及设计水位工况下拦河土坝的渗透稳定满足规范要求。

6)拦河闸闸室的整体稳定性满足规范要求；

7)拦河闸进出口翼墙的整体稳定性满足规范要求；

8)拦河土坝在正常蓄水位及设计水位工况下土坝上下游坡的整体抗滑稳定满足规范要求。

9)拦河闸工作桥、排架混凝土结构强度均不满足规范要求；

10)拦河闸及进水闸金属及机电设备老化和破坏严重，钢闸门强度和刚度不满足规范要求，启闭机启闭能力满足规范要求；

11)进水闸过水能力满足规范要求。

2011年4月，由于冻土与建筑物之间缝隙加之原来闸基础渗漏，致使右侧侧墙外岸坡出现多处塌坑。上午7时，沙力土拦河闸闸体右侧出现绕闸渗流，大量渗流使闸体底部土方流失，上部冻土壳坍塌，在闸的右侧形成长35 m、宽3 m、高1.5 m的深沟，使其侧墙及右侧闸体基础外露、悬空。同时拦河闸底板、右侧侧墙、工作桥、排架和人行桥多处下沉、断裂。目前，拦河闸结构严重破坏已不能运用。

2011年6月，阜新市水利水电勘测设计研究院、彰武县水利技术推广中心站编制了《沙力土拦河闸补充安全评价报告》[4]，工程补充评价如下：

1)拦河闸泄流能力不满足规范要求；

拦河闸设计洪水位48.84 m，实际安全超高0.16 m，规范安全超高0.7 m，在设计洪水标准时拦河闸安全超高不满足规范要求；拦河闸校核洪水位49.25 m，墩顶高低于校核洪水位0.25 m，拦河闸不能满足校核洪水标准时泄洪要求。

2)拦河闸下游消能防冲设施不满足规范要求；

3)拦河闸抗渗稳定性不满足规范要求；

4)拦河闸闸室的整体稳定性不满足规范要求；

5)拦河闸进出口翼墙的整体稳定性不满足规范要求；

6)拦河闸工作桥、排架混凝土结构强度均不满足规范要求；

7)拦河土坝坝顶高程不满足防洪安全要求；

8)拦河闸及进水闸金属及机电设备老化和破坏严重，钢闸门强度和刚度不满足规范要求。

补充安全评价结论：沙力土拦河闸的各项运用指标与规范要求相差甚远，工程渗漏损毁严重，以达到无法修复的程度；故评定该闸为四类水闸。为保证沙力土拦河闸继续发挥灌溉、涵养水源、防止水土流失等经济和生态效益，建议按照本次水闸安全鉴定的基本要求，尽快将沙力土拦河闸拆除重建。

1.3重建工程建设的必要性

沙力土拦河闸主要作用是抬高水位，拦蓄引水，为下游200 hm2水田提供灌溉用水。该水闸的正常运行，对大沙力土村农民增收乃至前福兴地乡的国民经济发展起着至关重要的作用。鉴于沙力土拦河闸目前状况，拦河闸结构严重破坏已不能运用。为保证对下游农田的引水灌溉及拦河闸的安全运行，需尽早对拦河闸进行除险加固。考虑到目前拦河闸结构破坏的严重程度，对原拦河闸进行除险加固已不能恢复拦河闸的正常运行功能。因此，本工程拟在原拦河闸位置上重建一道拦河闸，起到拦河蓄水作用，确保对下游农田灌溉的正常引水。沙力土拦河闸重建工程的建设已成为当地经济建设的当务之急[5]。

2　设计任务与规模

2.1工程任务

原沙力土拦河闸主要建筑物为5孔拦河闸。1999年进行扩建工程，在原有3孔的基础上增加2孔。水闸过水净宽50 m。拦河闸由上游铺盖段、闸室段、出口护坦段和石笼海漫段组成，总长37 m。

沙力土拦河闸主要作用是拦截上游来水，抬高水位，为沙力土水库引水并为下游200 hm2农田提供灌溉用水。

2.2工程级别、建筑物标准及洪水标准

根据《防洪标准》GB 50201—94 及《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000及《水闸设计规范》SL265—2001中的规定，平原区水闸枢纽工程应根据水闸最大过闸流量及其防护对象的重要性划分等别。沙力土拦河闸地处平原区，最大过闸流量为165 m3/s，其规模应为中型工程，工程等别为Ⅲ等工程，设计洪水标准为20～30 a一遇洪水，校核洪水标准为50～100 a一遇洪水。根据沙力土拦河闸的综合利用情况，确定拦河闸工程设计洪水标准为20 a一遇，校核洪水标准为50 a一遇。拦河闸工程建筑物等级为3级建筑物，护岸及进水闸工程建筑物等级为5级建筑物，临时建筑物为5级建筑物。

2.3水量平衡计算

2.3.1多年平均来水量推求

沙力土拦河闸来水量推求：

多年平均年径流深Y=40 mm

多年平均来水量为W=0.1FY=102.8×104m3；

灌溉保证率采用75%，CV=0.8，CS=2CV,查KP=0.42；

W拦河闸来75%=KP×W=43.2×104m3。

沙力土拦河闸为下游沙力土拦河闸引水，根据《彰武县沙力土水库除险加固工程初步设计报告》得出W水库来75%=76.4×104m3。

因此，W总来75%=119.6×104m3。

2.3.2灌溉用水量计算

水田(水稻)灌溉定额为465m3/666.7m2，灌溉面积为133 hm2。

W水田用=93×104m3。

旱田(水稻)灌溉定额为125m3/666.7m2，灌溉面积为66.7 hm2，

W旱田用=12.5104m3。

W旱田用=105.5×104m3。

W来75%>W用，水量满足灌溉要求。

2.4水闸运行调度方式

沙力土拦河闸工程由拦河闸和进水闸组成，工程主要作用是以灌溉为主水利枢纽工程。沙力土拦河闸的科学合理的运行调度，对于改进水闸控制运用技术，延长工程使用年限，充分发挥工程综合效益，具有重要作用。水闸的运行调度方式如下：

1)汛期当预报有灾害性天气及暴雨时，应当按有关规定上报工程主管部门并全部开启拦河闸门，及时降低河道运行水位，减少暴雨产生洪水对闸址下游的影响以及对上游的淹没损失。同时关闭进水闸门，避免洪水冲毁灌渠。

2)要及时清理闸前区域河道杂草树木等漂浮物，以减少对闸坝的撞击影响，保持河道畅通，减少河道行洪阻力。

3)每年汛前要检查闸门有无卡阻，检查机电启闭设备是否符合运转要求。汛期要观察内外河水位、流态，过闸水流应当平稳，避免发生集中水流、折冲水流、回流、漩涡等不良流态。

4)定期开启拦河闸门排沙。

5)灌溉期开启进水闸，非灌溉期关闭进水闸门。

6)非灌溉期，建议开启拦河闸门，以延长闸门使用年限。

2.5主要特征水位

沙力土拦河闸工程主要是抬高河道水位灌溉引水，为了满足灌区供水的水位要求，结合河道水位流量关系，确定闸门正常的挡水高度，本工程正常挡水位为48.50 m。设计洪水标准为20 a一遇(P=5%)，相应洪峰流量121 m3/s，设计洪水位：48.21 m；闸下水位47.20 m。校核洪水标准为50 a一遇(P=2%)，相应洪峰流量165 m3/s，校核洪水位：45.48 m。闸下水位47.35 m。

3　方案优化

拦河枢纽布置对河段冲淤特性有一定的影响。根据引水枢纽修建前和枢纽修建后在拦河闸全开敞泄条件下的水沙特性和河段冲淤情况，工程所在河段建闸后河道变得易淤难冲。

地河为内陆河，泥沙含量较高且集中。因此，修建拦河闸工程要掌握该河段的冲淤特性，尽量不要过多改变其天然水位～流量关系，不可为了减少工程量和施工难度，过多束窄原河道过水断面和提高拦河闸底板高程，以免在宣泄大洪水时，造成过度壅水和上游淤积。

根据一般经验，拦河闸底板顶高程宜于河底齐平，同时结合类似工程经验，水闸底板高程与河底齐平有利于泄水冲砂和减小工程投资。沙力土拦河闸工程原旧水闸底板高程为47.5 m，旧水闸闸室上、下游河床高程约为46.5～47.0 m，为了寻找一个满足泄流、满足防洪标准同时经济指标有合理的底板高程，该工程初选定水闸底板高程46.5 m、47.0 m、47.5 m，3个方案进行比较：

方案1：底板高程46.5 m，底板高程略小增大了闸身和两岸结构的高度，反而增加工程投资，同时增加闸下消能防冲布置上的困难，还可能带来严重的泥沙淤积；

方案2：底板高程47.5 m，底板高程过高，使得闸孔总净宽度增大，泄水闸闸室向河道两岸延伸，不利于保持原有水流流态，同时消能效果开始变差，增加了工程量和成本，不经济；

方案3：底板高程47.0 m，底板高程适中，接近原河床高程，泄水闸段宽度与河道闸址处宽度相近，不破坏原有的河道水流流态，同时也给施工带来方便，节约成本。

根据以上3个方案比较结果，不同闸底板高程对水闸泄流能力影响不大，闸上水头壅高值均在规范允许范围内。根据水闸调度原则，当闸底板过高时，下游消能效果开始变差，需要消力池降低来满足消能要求，伴随底板不断抬高，闸室部分工程量减少，但下游消能部分和水闸基础的处理不断加大，方案2拟定重建闸室底板高程为47.0 m，基本与上下游河床持平，基本不破坏原有的河道水流流态见图1，且略低于旧闸底板高程，有利于增大水闸的过流能力及冲砂能力，减少工程投资。

最后选定方案2闸底板高程为47.0 m。现状河床纵向走势图见图1，

图1　现状河床纵向走势图

4　结　语

通过这次设计方案比选，了解了水闸的功能，对水闸的设计有了一定程度的掌握，水闸的应用比较广泛，其原因是造价低，节省三材，施工工期短，结构简单，不险水和止水效果好。虽然优点很多，但在实际设计中，还有好多问题需要解决，如上下游翼墙和原河道水流的连接，水闸的自动控制等。它将随着科学技术的发展，从设计和管理方面得到进一步的发展和完善。

[1]张俊,李长斌,孙同领.淮河下游区治理重点工程——洪泽湖大堤加固[J].水利规划与设计,2004(02):42-47.

[2]马海燕,陈小琼.棺材沟水库除险加固工程的设计[J].水利科技与经济,2013(07):19-20.

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[5]王培寿,惠帅先.海南水库除险加固设计方案优化措施[J].水利规划与设计,2015(12):103-105.

1007-7596(2016)05-0080-04

2016-03-20

胡伟(1979-)，男，辽宁彰武人，工程师，从事水利水电工程设计工作。

TV698.23

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