高堂水闸拦河闸设计及计算

何艳丽

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635）

拦河闸的主要作用是在枯水期关闭闸门抬高上游水位，以满足航运、灌溉、发电引水和城镇供水的要求；在洪水期开闸泄洪，确保上游供水位不超过防洪限制水位，同时控制下泄流量不超过下游河道的安全泄量。饶平县高堂水闸是潮州市第一大排水闸，50年一遇校核过闸流量为2160 m3/s。本文针对高堂水闸拦河闸进行设计计算。

1 水闸概况

饶平县高堂水闸是一座以灌溉为主、结合供水的大型水闸工程，是潮州市第一大排水闸，50年一遇校核过闸流量为2160 m3/s，最大过闸流量3710 m3/s，工程等别为Ⅱ等大（2）型水闸工程。枢纽布置从左至右依次为左岸对外连接道路段、左岸土堤连接段、拦河闸段、中间土堤连接段、节制闸段、右岸连接土堤段。

2 拦河闸设计及计算

2.1 闸室稳定及基底应力

闸室采用两孔一联的钢筋砼整体结构，地基为中粗砂和砾沙，根据地质资料，地基承载力标准值为230 kPa～280 kPa，闸基底面与地基间的摩擦系数建议为0.4～0.5，计算采用0.40。根据《水闸设计规范》（SL265-2016）闸室的抗滑稳定采用公式（1）计算:

式中:Kc为沿闸室底面的抗滑稳定安全系数；f为闸基底面与地基之间的摩擦系数；∑G为作用在闸室上的全部垂直荷载；∑H为作用在闸室上的全部水平荷载。

闸室基底应力采用公式（2）计算:

作用在闸室上的荷载主要包括自重、水重、静水压力、扬压力、土压力、波浪压力、地震荷载等，据此进行各计算工况的设计。

（1）基本组合

①完建情况:闸上、下游均无水；

②正常蓄水位情况:闸上游正常蓄水位8.715 m，闸下游无水；

③设计洪水位情况:闸上游水位10.32 m；闸下游水位10.20 m。

（2）特殊组合

①检修情况:闸上游正常蓄水位8.715 m，闸下游无水；

②校核洪水位情况:闸上游水位11.64 m，闸下水位11.4 m；

③地震情况:闸上游水位8.715 m，闸下游无水，遇7度地震。

闸室在各种工况下的抗滑稳定安全系数及基底压应力见表1。

表1 闸室基底应力及抗滑稳定计算成果

从表1中可看出，闸室抗滑稳定满足《水闸设计规范》要求，基底应力值较小且分布均匀。闸基上下游应力均小于闸基允许承载力，无拉应力产生，闸室布置比较合理。

2.2 水力设计

2.2.1 泄流能力

根据水闸的运行调度要求，当水闸宣泄洪水时，闸门打开，全部来水由水闸下泄，此时过闸水流为堰流。水闸泄流能力计算根据《水闸设计规范》采用公式:

式中:σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数，采用0.385；B0为闸孔总净宽，m；H0为计入行近流速的堰上水头，m；Q 为过闸流量，m3/s。

在各种泄洪频率下，水闸的泄流能力计算成果见表2。由表2可知，在各种泄洪频率下，上下游水头差均在0.3 m内，水闸的泄流能力满足要求。

表2 水闸泄流能力计算成果表

2.2.2 消能防冲

根据水闸运行调度要求，水闸上游正常运行水位为8.715 m。当上游水位高于8.715 m时，根据上游来水量开闸泄水，保持水闸上游水位处于正常蓄水位8.715 m。拦河闸的运行要按多孔同步、对称分挡的原则启闭，严禁一孔开到顶集中泄流。

（1）在保持闸上正常蓄水位8.715 m的情况下，宣泄上游多余的来水量。此时使用闸门控制泄水量，相应的下游水位根据下游河道的水位流量关系曲线确定。闸门开启按照闸孔同步、分档开启的原则，分档高度按1/10上游水头计算，每档高度取0.4 m。

（2）上游来水量达到设计洪水流量2430 m3/s时，闸门全开宣泄设计洪水。

消能防冲计算采用《水闸设计规范》附录B的有关公式进行计算。水闸最大上下游水位差达9.285 m，为了更好的与下游河床衔接，考虑设二级消力池。宽顶堰、一级消力池和二级消力池之间设置1:4的坡段连接，消力池为钢筋砼结构。

在不同下泄流量、不同闸门开度下对二级消力池进行计算，计算成果见表3。

表3 水闸二级消力池计算成果表

计算结果表明，二级消力池在流量为10780 m3/s时，消力池池深最大，为1.20 m，故二级消力池池深定为1.2 m；流量为2430 m3/s时，消力池池长最大，为41.82 m，故二级消力池池长定为42 m。二级消力池尾槛顶高程为-0.8 m。

2.3 基础处理及防渗

水闸地基为中粗砂和砾沙，承载力较高。考虑到原有水闸已运行多年，沉降基本稳定，基础密实度相对较好，可采用天然基础，不必振冲密实。

根据《水闸设计规范》，拟定的闸基防渗长度应满足下式要求:

式中:△H为上、下游水位差，m；L闸基防渗长度，m；

根据地质报告，闸基②-3层砂卵砾石允许水力比降为0.20。上下游水头差为8.315 m，防渗长度为45.6 m，计算渗流坡降为0.18，基本满足允许水力比降的要求。

由于闸基为中粗砂、砾砂，粗砂、砾砂和砂卵砾石渗透系数为5.75×10-1cm/s～2.13×10-2cm/s，具强透水性。若仅采用水平防渗，无法解决透水地基产生渗漏量过大的问题，因此水闸防渗措施采用砼防渗墙，墙底入全风化层2 m，防渗墙平均深度约10 m。

3 结论

（1）高堂水闸拦河闸设计闸室总净宽125 m，共设10孔，单孔净宽12.5 m，闸室抗滑稳定满足《水闸设计规范》要求，基底应力值较小且分布均匀。闸基上下游应力均小于闸基允许承载力，无拉应力产生，闸室布置比较合理。

（2）在各种泄洪频率下，上下游水头差均在0.3 m内，水闸泄流能力满足要求。

（3）闸底板顺水流方向长16.0 m，底板顶高程△4.8 m，底高程△2.8 m，水闸采用平板钢闸门，闸室采用两孔一联整体式结构，闸室检修平台与闸墩整体浇铸，水闸边墩厚度为2.0 m，中墩厚度为2.0 m，缝墩厚度3.0 m，闸室检修平台高程13.5 m。

（4）闸下游消能防冲采用底流消能方式，设二级消力池。