抚顺市清原县松树嘴进水闸加固设计分析

高 洋

（辽宁省清原满族自治县小孤家水库管理所，辽宁 抚顺 113300）

进水闸运行时间久，进口段干砌石护砌已冲毁，木板闸门及螺杆式启闭机损毁严重，现状的进水闸进口较小，引水能力不能满足要求。现状的进水闸建基高程较高，当开挖泄洪冲沙闸基础时，势必扰动边墙基础[1]。基于上述原因，对进水闸进行拆除加固重建。

1 工程概况

1.1 工程概况

抚顺市清原县松树嘴拦河闸位于清原县大孤家镇松树嘴村东北500 m处，清河上游，由清原县大孤家镇水利站管理。清河是辽河一级支流，发源于抚顺市清原县北英门乡三道沟庙岭，流经清原县。清河全长217.1 km，流域面积5674.3 km2。

松树嘴拦河闸建于1991年，位于清河干流，主要担负着闸址以下3000亩农田灌溉任务。闸址以上集雨面积为701 km2，河长45 km，河道平均比降为4.20‰，现状水闸设计洪水标准为10年一遇，设计过闸流量为668 m3/s，校核洪水标准为20年一遇，相应过闸流量为1033 m3/s。

1.2 水文条件

清河流域属温带半湿润季风型大陆性气候，春季多风少雨，夏季高温湿热，降雨集中，秋季凉爽，冬季严寒干燥。多年平均降水量为810.9 mm，降水量年内分配不均匀，降水主要集中在6月～9月，占全年降水量71.2%。多年平均蒸发量（20 cm蒸发皿）为1317.1 mm。清河流域洪水主要由暴雨形成，其洪水发生的时间和暴雨出现的时间较一致，清河洪水大多发生在七八月，尤其集中于7月下旬至8月上旬，占全部洪水出现次数的80%以上。

2 进水闸存在的主要问题

（1）松树嘴进水闸左边墙为浆砌石结构，墙顶与墙面块石已塌落，水位变化区部分墙体抹缝砂浆脱落，孔洞较多，右边墙为浆砌石结构，断裂严重，残余2.7 m，已基本被水冲毁。

（2）进口段干砌石护砌已冲毁，木板闸门及螺杆式启闭机损毁严重，已不存在。

（3）由于取消了下游的泉眼头水闸，该水闸的灌溉任务由松树嘴水闸承担，松树嘴水闸担负的灌溉面积增加到667 hm2亩，灌溉引用流量为1.38 m3/s。现状的进水闸进口尺寸为2 m×1.2 m（宽×高），引水能力不能满足要求[2]。

3 进水闸加固设计

3.1 进水闸水力设计

3.1.1 进水闸过流能力计算

（1）渠道水深按渠道明渠均匀流公式计算

式中：n为渠道糙率系数，0.025；A为过水断面面积；R为水力半径；J为渠道比降，1/10000；b为渠道底宽，3.5 m；h为水深，m；m为渠道边坡坡比，1.5；计算渠道水位～流量关系值，见表1。

表1 渠道水位～流量关系表

（2）进水闸过流能力计算

本次除险加固按恢复原有工程的任务和运行使用功能，进水闸渠首最大引水流量按灌溉引用流量设计值进行设计，即设计最大引水流量为1.38 m3/s。

堰流流量的计算公式：

式中：H0为堰上总水头；σ为淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为流量系数，m=0.385；B为总净宽，B=3.0 m。

闸孔出流孔流流量的计算公式：

式中：e为闸门开启高度；b为每孔净宽，3.0 m；n为闸孔孔数；ε为孔流垂直收缩系数；H0为包括行进流速水头的闸前水头；μ0为闸孔出流的流量系数，适用范围0.1＜e/H≤0.65；e/H≤0.65为孔流。

当进水闸闸门完全开启时，按照不同水位时闸门完全开启，采用堰流公式计算，进水闸水位～流量关系值，见表2。

表2 进水闸水位～流量关系表（堰流）

由表2可知,如进水闸门全部开启，上游水位为238.83 m时，流量Q=1.43 m3/s，即可满足渠道灌溉要求Q=1.38 m3/s。

3.1.2 进水闸下游消能防冲设计

当上游达到正常蓄水位时，消力池不需要下挖，主要原因是上下游水位差小（仅0.01 m），过坝单宽流量不大（0.48 m3/s），下游形成淹没水跃。松树嘴拦河闸下游河床为圆砾，抗冲能力低，为了防止洪水冲刷河床，避免回淘消力池基础，从抵御冲刷破坏角度出发，布置一定下挖深度的消能很有必要。确定取消力池深0.5 m，池长10 m，消力池底板顶高程237.43 m。

进水闸为整体式混凝土结构，所以不需要单独考虑消力池底板的抗浮稳定。确定消力池底板厚度为0.8 m。

3.1.3 进水闸渗流稳定计算

（1）计算软件及方法

采用河海大学autobank 6.1电脑程序计算本工程的渗流稳定问题。

按平面有限单元法进行分析，三角形单元，由软件自动剖分。混凝土闸体按不透水处理，基础分层模拟其透水性能。为了较真实反映实际情况，取上下游及地基深度不小于3倍计算水深作为计算边界。

（2）工况计算和参数确定

当不需要引水灌溉或遇洪水时，一般情况下都要关闭闸门，以免冲坏渠道，此时的工作水头为最大，是进水闸基础渗流稳定的控制工况。计算3个工况：工况一，正常蓄水位238.83 m，下游无水。工况二：设计水位241.10 m，下游无水。工况三：校核水位242.30 m，下游无水。

根据地质资料，地基分层仅圆砾一层，厚度2.20 m～5.40 m。杂色、粒径大于20 mm的含量占20.7%，20 mm～2 mm含量占30.5%、呈稍密状态。属级配不良土。浑圆状。岩性以花岗岩，石英岩等为主。局部分布薄层砾砂，触探击数平均值8.5击，稍密状。砂粒以石英颗粒为主。拦河闸建基在此圆砾层上。圆砾土的渗透变形类型属流土型。

基础圆砾渗透系数采用地质建议值6.9×10-2cm/s，基础岩石渗透系数参考同类岩石值6.0×10-7cm/s。允许渗流坡降按《水闸设计规范》（SL 265-2016）表6.0.4的地基类别为中砾取值，即水平段0.22，出口段0.5。

（3）进水闸渗流稳定计算结果

计算表明，各工况最大水力坡降均满足要求。工况三校核洪水工况（P=2%）是最危险工况，上下游水位差5.67 m，水平段水力坡降值0.217，出口段垂直坡降值0.276。单宽渗流量为3.43×10-4m3/s。进水闸单宽渗流量为6.89×10-5m3/s，进水闸全闸渗流量0.00034 m3/s，漏水量很小。

3.2 进水闸稳定分析

3.2.1 进水闸抗滑稳定计算

进水闸室与消力池为一体式结构，两侧边墙墙后均匀回填圆砾石，在垂直水流向不可能产生滑动，只有顺水流向在上游水压力作用下有滑动的趋势，故仅计算水流向的抗滑稳定和基底应力。

取进水闸整体作为计算单元，进水闸抗滑稳定安全系数与溢流坝计算公式相同。当农田不需要灌溉，或者遭遇洪水时，闸门要关闭挡水，不允许河水流入渠内，此时应为不安全工况。摩擦系数采用地质建议值，闸基坐落于圆砾地层上，该层地基允许承载力为300 kPa，闸基与圆砾摩擦系数为0.48。

扬压力按全水头无灌浆帷幕情况计算。按《水闸设计规范》（SL 265-2016）规定，3级建筑物的抗滑稳定安全系数基本组合不小于1.25，特殊组合不小于1.10，按此原则判别溢流坝稳定情况。

由计算结果得知，沿基底面的抗滑稳定安全系数满足规范要求。校核洪水工况（P=2%）是最危险工况，抗滑稳定安全系数Kc为2.51，满足《水闸设计规范》（SL 265-2016）要求。

3.2.2 进水闸基底应力计算

进水闸的基底应力与抗滑稳定计算相同，即取进水闸整体作为计算单元，最不利运行工况也与抗滑稳定计算工况相同。正常蓄水位工况是最危险工况，基底应力的最大值与最小值之比为1.60，满足《水闸设计规范》（SL 265-2016）要求。计算结果，见表3。

表3 进水闸基底应力计算结果

4 结论

（1）重建的进水闸基本保持原来的结构形式。布置一孔有胸墙的进水口，进口尺寸为3.0 m×1.07 m（宽×高），闸室底板高程237.93 m（原高程10.10 m），胸墙底部高程239.0 m（原高程11.17 m）。进水闸在水流方向总长为15.65 m，其中闸门室长3 m。为满足进水闸的抗滑稳定和基底应力需要，闸室与消力池之间不设分缝，按整体结构设计，全部为混凝土结构。

（2）通过水力计算，进水闸下游消力池不需要下挖，为了安全起见，布置一定下挖深度的消能措施，采用底流消能，消力池深0.5 m，池长10 m。为了便于运行操作，243.10 m(原高程15.27 m)高程布置检修平台，在混凝土排架顶部245.50 m(原高程17.67 m)高程布置工作平台。

（3）闸室和消力池横断面均为整体式“U”形结构，两侧边墙厚1.0 m，墙顶高程243.10 m，闸室底板厚1.3 m，消力池底板厚0.8 m。进水闸采用平板式闸门，手动螺杆启闭机操纵。根据计算，本工程灌溉流量为1.38 m3/s，当上游水位238.83 m时（即正常蓄水位），进水闸下泄流量即达到该流量要求。