友谊灌区黄旗闸工程改造总布置及计算

薛 丽

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

1 工程建筑物现状

黄旗闸位于东港市黄土坎镇大洋河左岸大堤与串心沟交叉处，是一座集防洪、排涝、灌溉等功能为一体的综合性建筑物。修建于1983—1984年，为涵洞式，由进口段、涵洞闸体、出口段组成，全长66.80m。

进口段由黏土铺盖和干砌石护坡组成，全长18.00m，底宽22.00m。黏土铺盖全长12.00m，铺盖厚为0.80～1.35m，铺盖上设粗砂垫层厚200mm，表层150mm厚C15素混凝土防冲层，末端设浆砌石齿墙一道。铺盖两侧为重力式浆砌石挡土墙，墙体外侧设有200mm厚C15素混凝土防渗层，基础为C10素混凝土结构。铺盖前为防止河道被冲刷，设梯形干砌石护坡段长6.00m，底宽22.00m，边坡坡比1∶2.50，干砌石层厚300mm，干砌石层下为三级反滤层，总厚350mm，末端设浆砌石齿墙一道。

涵洞及闸台全长20.80m，共分5孔，每孔为4.00m(宽)×5.50m(高)，中墩厚0.50m，总宽22.00m。采用铸铁闸门，2×12t双吊点螺杆式启闭机。

出口段由消力池及海漫组成，全长28.00m，底宽22.00m。消力池深0.50m，全长15.00m，底板宽22.00m，两侧为重力式浆砌石挡土墙，消力池末端设C10素混凝土齿墙一道。消力池底板厚800mm，底层为600mm厚浆砌石，上层为200mm厚C15素混凝土防冲层；外为浆砌石，基础为C10素混凝土；消力池后为干砌石海漫，全长13.00m，底宽22.00m，梯形断面，边坡坡比为1∶2.50。干砌石厚500mm，干砌石层下为三级反滤层总厚为400mm，末端为抛石防冲槽。

2 基本资料

2.1 水文资料

闸址处上游串心沟集雨面积为59.80km2，由丹东市水利设计研究院编制的《大洋河流域规划》得知大洋河位于串心沟位置处的设计洪水标准为20年一遇。串心沟的防洪标准为10年一遇，闸址处的洪峰流量按无资料法求得，10年一遇洪峰流量为276m3/s。20年一遇洪峰流量为328.37m3/s。串心沟沟底宽22.00m，边坡坡比1∶2.50，河道平均比降为2/5000，闸址处沟底高程为-1.00m，20年一遇洪水位3.24m，水深4.24m。

《大洋河流域规划》中大洋河串心沟位置处20年一遇洪峰流量为10100m3/s，相应洪水位为5.85m，20年一遇潮水位4.10m。大洋河防洪堤原堤顶高程为8.20m，顶宽3.00m，内外边坡坡比各为1∶3.50，1∶3.00，维持原状不变。

2.2 地质资料

由勘察资料知该闸址处堤基坐落在轻粉质黏土层，含水量25.5%，湿容重1.54×103kg/m3，孔隙比1.15，比重2.64，内摩擦角10°，摩擦系数取为0.3，黏结力为25kN/m2，地基允许承载力设计值采用100kN/m2。该区地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组的第一组。场地类型为中软场地土，场地类别为Ⅱ类。场地标准冻深为1.00m。

3 工程设计依据及参数

黄旗闸是一座集防洪、排涝、灌溉为一体的综合性建筑物，是东港市友谊灌区骨干工程。其串心沟排涝10年一遇洪峰流量为276m3/s。根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)规定最大过闸流量1000～100m3/s为中型水闸；《大洋河流域规划》中该处堤防防洪标准为20年一遇；综合分析确定该闸为洪水标准采用20年一遇，但根据过闸流量确定为中型水闸，工程等别为Ⅲ等工程。该次需改造的主要建筑物：涵闸、管理房相应级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

3.1 洪水标准

根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)的有关规定，黄旗闸为Ⅲ等水闸，对应的设计洪水标准及设计潮水位重现期均应采用大洋河20年一遇标准。

3.2 设计依据及参数选取

设计依据《水闸设计规范》(SL 265—2016)。沿闸基底面的抗滑稳定安全系数基本组合不小于1.25，地震情况不小于1.05,，其他特殊组合不小于1.10。消力池护坦抗浮稳定安全系数1.00；闸基底应力最大值与最小值比基本组合允许值1.50，特殊组合允许值2.00。翼墙基底面抗滑稳定安全系数同闸基底面抗滑稳定安全系数。

3.3 工程建筑物存在的主要问题

黄旗闸修建于1983—1984年，运行年久。原有干砌石护坡年久损毁严重；原有混凝土强度较低，加之运行年久，碳化严重；闸门锈蚀严重；启闭设备露天布置，锈蚀严重；无水闸观测设施及自动化控制设施。

4 工程改造总布置

该次改造内容包括：ⓐ水闸全部拆除重建；ⓑ更换闸门、启闭设备及电气设备；ⓒ重建管理房；ⓓ增设观测及自动化控制设施。

a. 重建水闸由进口段、涵洞闸体、出口段组成，全长66.80m。进口段由钢筋混凝土铺盖和干砌石护坡组成，全长18.00m，底宽22.00m。铺盖全长12.00m。铺盖两侧为重力式素混凝土挡土墙。铺盖前设梯形干砌石护坡段长6.00m，底宽22.00m，边坡坡比1∶2.50。涵洞及闸台全长20.80m，共分5孔，每孔为4.00m(宽)×5.50m(高)，中墩厚0.50m，总宽22.00m。启闭平台高程12.50m，宽5.00m，长24.70m，采用彩钢板启闭机房，平台与堤顶采用900mm宽钢楼梯连接。出口段由消力池及海漫组成，全长55.00m，底宽22.00m。消力池深1.05m，全长18.00m，底板宽22.00m，两侧为重力式素混凝土挡土墙；消力池后为干砌石海漫，全长36.00m，底宽22.00m，梯形断面，边坡坡比1∶2.50。

b. 采用双面挡水铸铁闸门，孔口为4.00m(宽)×5.50m(高)，2×12t双吊点手电两用螺杆式启闭机。

c. 重建管理房位于原有管理房边，单层，面积65.74m2。

d. 新增控制测量仪器、水下测量仪器、水文观测仪器、自动控制系统。更换动力配电系统。

5 设计计算

5.1 水力计算

a. 串心沟涵闸进口水位计算。计算情况串心沟P=10%洪水与大洋河10%潮水位遭遇。P=10%时，串心沟洪峰流量276m3/s，大洋河相应潮水位3.09m。P=20%时，串心沟洪峰流量328.37m3/s，大洋河相应潮水位4.10m。

按无压短洞计算：

式中Q——流量，Q=328.37m3/s；m——流量系数，m=0.32；B——短洞宽，B=20m。

计算得

H0=4.24m

再按《水力计算手册》中短洞计算公式最后计算得：涵闸进口断面水位4.24m，涵内收缩断面水位1.24m，出口断面水位1.35m。

b. 涵闸出口消能计算。消力池深度计算：

计算得消力池深1.05m，水跃长度20.93m，消力池长度17.80m，海漫长度35.66m；采用消力池长度18.00m，海漫长度采用36.00m。

5.2 地下轮廓线计算

按照直线比例法的勃来法求渗径长度，计算公式：

L理=C×H

式中C——地基土的渗径系数(轻粉质黏土取c=8)；

H——最大作用水头(5.85-3.24=2.61m)。

经计算L理=20.88m。实际L=53.60m>L理。

5.3 涵闸稳定计算

基底应力按下式计算：

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载,N；

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩,N·m。

抗滑稳定安全系数按下式计算：

式中f——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.3；

Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载,N；

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载,N。

计算工况：ⓐ设计工况(大洋河水位7.00m，串心沟水位3.24m)；ⓑ刚建成(上下游无水)；ⓒ设计工况加地震。

闸体稳定计算成果见表1。

表1 闸体稳定计算成果

闸体稳定计算成果满足《水闸设计规范》要求。

5.4 翼墙稳定计算

翼墙为素混凝土重力式挡土墙结构，按墙高7.73m、7.30m、5.80m三种墙高断面分别计算。

计算工况：ⓐ设计工况(墙前无水)、刚建成(墙前无水)；ⓑ设计工况加地震。

边墙沿建基面的抗滑稳定按抗剪强度公式计算：

式中f——边墙与地基接触面的抗剪摩擦系数； ∑W——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量，N；

∑P——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量，N；

翼墙稳定计算成果见表2。

表2 边墙稳定计算成果

边墙稳定计算成果满足《水闸设计规范》要求。

5.5 工程观测及控制自动化

沉降位移观测，一般埋设沉降标点进行观测。沉降标点可布置在闸室和岸墙、翼墙底板的端点和中点。施工期可埋设在底板上，后期引接至上部结构。水位、潮位观测设备的选型，布置及水尺零点高程的校测，改正等技术要求，应按照《水位观测标准》(GB/T 50138—2010)的有关规定执行。测压断面布置两个，分别位于涵洞的两端，且在翼墙后。地下轮廓线每个断面布置3个测点，侧向绕渗每个断面布置2个测点。为了便于管理增设自动化控制系统，用于该闸防洪、排涝、灌溉的运行管理。

6 结 语

黄旗闸工程始建于1983～1984年，于2014年对该次改造进行了设计，从2015年年初开始按照该设计进行改造，并于当年年底结束，在设计过程中根据《水闸设计规范》(SL265-2001)规定最大过闸流量1000～100m3/s为中型水闸及《大洋河流域规划》中该处堤防防洪标准为二十年一遇；综合分析确定该闸洪水标准采用二十年一遇，通过此次总体布置及计算，极大地改善灌区的工程条件、农业生产条件和生态环境条件，对发展节水灌溉技术，提高水的有效利用率，促进节水高效农业发展，确保农业增产、农民增收起到了重要作用，同时对防洪、排涝、灌溉、治污等方面起到了积极的作用。

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