小山口二级水电站引水闸设计

（广东粤港供水有限公司，深圳市，518021） 闫军南（黄河勘测规划设计有限公司，郑州市，450003） 孙永波

1 工程概况

新疆小山口二级水电站位于巴音郭楞蒙古自治州境内的开都河小山口电站下游7.5km 处，无压引水电站，工程规模为中型。发电引用小山口电站尾水，根据枢纽布置，需在小山口电站尾水渠左侧修建一座引水闸，即为小山口二级水电站引水闸。该引水闸设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准200年一遇，抗震设防烈度为8度。

小山口二级水电站引水闸运行方式一般是全开引水发电。该闸直接从小山口水电站尾水渠取水，其纵向轴线与小山口尾水渠轴线夹角41°，闸后连接小山口二级水电站引水渠。引水闸设计引水流量为196.5m3/s，闸前设计引水位为1 278.62m，闸前设计壅高水位为1 279.11m。为防止泥沙进入渠道，在引水闸前引渠首部设拦沙坎，坎顶高程1 275.10m，高于相应位置退水渠底板0.5m。

为使水流平顺过闸，闸室前布置20m的扭曲面段及10m 的矩形断面段引渠。扭曲面段引渠翼墙由混凝土贴坡翼墙渐变到混凝土半重力式翼墙：贴坡翼墙端部断面的迎水面边坡坡度为1：1.75，底部边坡坡度为1：1.69，翼墙高度为9.60m，齿墙宽度为2.0m，顶部护肩宽度为0.5m；半重力式翼墙高度9.60m，基底宽度为8.60m，立板墙背设有两个转折点，第一转折点在离墙顶5.0m 处，坡度为1：0.2；第一转折点以下2.27m 处设第二转折点，坡度为1：0.8；底板设一个转折点，坡度为1：2。矩形断面引渠采用半重力式翼墙。引渠底板采用0.5m 厚混凝土衬砌，上下游端均设齿墙。

引水闸采用平底闸，三孔一联，单孔净宽为6.0m，中墩宽度为1.2m，边墩宽度为1.5m，闸墩顶高程为1 280.95m，闸室底板高程为1 272.35m，闸室总宽23.4m，闸室长14.5m。为改善闸墩的受力条件，在闸室顶部现浇梁板结构，梁断面为0.30m×0.6m（宽×高），板厚度为0.30m，其中闸室顶部梁板结构上游侧4.5m范围为交通桥，其余的为工作桥。闸室采用C25 混凝土，抗冻、抗渗标号分别为F250、W6；二期混凝土和交通桥、工作桥采用C30混凝土，抗冻标号分别为F250。

工作闸门采用平板钢闸门，启闭设备采用卷扬机型式，启闭机室采用钢筋混凝土框架结构。上、下游侧各设一道检修门，采用钢板叠梁门，启闭设备采用定滑轮起吊型式，该起吊设备布置在工作闸门启闭机室的外悬挑梁上。

闸室后布置长16.4m 深0.7m 的消力池，消力池底板厚0.8m，两边为半重力式翼墙，翼墙高度10.30m，基底宽度为9.30m，立板墙背设有两个转折点，第一转折点在离墙顶5.0m 处，坡度为1：0.2；第一转折点以下3.0m处设第二转折点，坡度为1：0.8；底板设一个转折点，坡度为1：2；消力池后30m的扭曲面渠段，15m设置一道伸缩缝，由半重力式翼墙渐变到渠道贴坡翼墙，与小山口二级水电站引水渠道衔接，挡墙体型同闸前段。

小山口二级电站引水渠为混凝土面板衬砌，底宽为3.80m，渠边坡坡比为1:1.5，纵坡为1/5 000，糙率取0.014。小山口二级水电站引水闸平面布置图见图1。

图1 小山口二级水电站引水闸平面布置图

2 地质条件

小山口电站尾水渠地质条件为砂砾石层、泥岩（微胶结）和砂砾岩（微胶结），基础承载力为425.0kPa，抗剪摩擦系数为0.45。小山口二级电站引水闸即座落该层基础上。

3 引水闸上下游翼墙形式比选

引水闸上游直段翼墙和下游消力池段翼墙高均为9.60m，适合采用半重力式或扶壁式翼墙。

半重力挡土墙主要由立板和底板组成，可采用低标号的混凝土，不用或仅用少量钢筋。它的主要特点是施工简易，并可分期施工；地基应力小而均匀，适用于软弱地基和地下水位较高的情况。

扶壁式挡土墙是一种钢筋混凝土薄壁式挡土墙，由立板（立壁）、底板及扶壁组成。扶肋把立壁同底板连接起来，起加劲的作用，以改善立壁和墙踵板的受力条件，提高结构的刚度和整体性，减小立壁的变形。它的主要特点是构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好地发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的地基。

通过做两种挡土墙的结构设计，采用单宽1.0m挡土墙计算工程量，见表1。

经比较，半重力式翼墙投资造价比扶壁式翼墙要略低一点。同时半重力式翼墙则具有立模较为简单、施工简易的优点，本工程选半重力式翼墙为推荐方案。

4 引水闸水力计算

引水闸过闸水位差取0.18m。引水闸处于高淹没度（hs/H0≥0.9），闸孔总净宽按《水闸设计规范》SL265-2001附录A公式（A.0.2-1）、（A.0.2-2）计算：闸孔总净宽：

淹没堰流的综合流量系数：

其中，设计引水流量为196.5m3/s，闸前水深为H=6.26m，闸后水深hs=6.09m。引水闸过流能力计算成果见表2。

根据计算结果，选定闸孔宽度为3×6m（孔数×单孔宽）。

5 引水闸消能设计

表1 挡土墙工程量比较

表2 闸孔总净宽计算成果表

当引水闸在引水渠道检修完成后开闸泄水时，为保护渠道衬砌结构，考虑在引水闸后设置一消力池。根据《水闸设计规范》SL265-2001 附录B 公式（B.1.1-1）～（B.1.1-4）计算消力池深度，闸前水深取H=6.27m，渠道下游水深取闸门不同开度下对应流量的临界水深。根据经验，当闸门为小开度0.2时，消力池深度为0.67m，长度为16.34m。计算成果表见表3。

表3 小山口二级引水闸消力池计算成果表

表4 闸室稳定计算工况及荷载组合表

根据计算结果，小山口二级引水闸消力池长度取16.4m，深度为0.70m，消力池段总长度18.0m。由《水闸设计规范》SL265-2001 附录B.1.3 条，对消力池抗冲抗浮计算，消力池底板厚度取0.80m，满足要求。引水闸纵剖面图见图2。

图2 引水闸纵剖面图

6 引水闸稳定、结构计算

6.1 闸室稳定计算

引水闸三孔一联。闸室总宽23.4m，闸室长14.5m。闸墩顶高程为1 280.95m，启闭机房顶高1 294.00m，闸基高程1 270.85m，闸室总高23.15m。闸基座落在泥质粉砂岩基础上，计算工况及荷载组合见表4。

由于闸基基础为泥质粉砂岩基础，属于极软岩，类似半岩半土，为确保引水闸稳定安全，对引水闸稳定进行抗剪计算。其抗滑稳定及基底应力根据《水闸设计规范》SL265-2001计算：

①闸室基地应力计算公式

②抗滑稳定安全系数计算公式

式中：f——闸室基底面与地基之间的抗剪摩擦系数，根据地质报告取0.4；引水闸抗滑稳定安全系数及基底应力核算成果见表5。

由水闸设计规范可知，对于地震工况的水闸，闸室基底应力最大值与最小值之比的允许值可适当增大。综合分析，引水闸抗滑稳定及地基应力均满足规范要求。

6.2 闸室结构计算

表5 抗滑稳定安全系数及基底应力汇总表

表6 引水闸结构计算配筋表

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)，对闸墩的结构计算按照偏心受压计算；对闸室底板的结构计算采用《水利水电工程设计计算程序集》中《G-2弹性地基梁计算程序》计算，结构裂缝限裂宽度为0.30mm，计算成果见下表6。

7 引水闸上下游挡土墙设计

为使水流平顺过闸，闸室上游布置20m的扭曲面挡墙段及10m的矩形断面挡墙段引渠，矩形断面引渠段挡墙为半重力式挡墙。闸室后消力池段总长16.8m。消力池两侧为半重力式翼墙，并顺流向向两侧扩散，扩散角为7°。消力池后设20m 的扭曲面挡墙渠段，从矩形过流断面渐变到底宽为3.80m边坡1：1.5的梯形断面渠道。

8 结论

小山口二级水电站引水闸位于引水渠首端，闸室为三孔结构，每孔宽度为6m，共一联。闸室结构布置简单实用，紧凑合理，功能齐全，运行简便。小山口二级水电站引水闸已投入运行多年，总结该引水闸平面布置、水力学计算、稳定及结构计算等设计思路及方法，实践证明，本闸各项参数取值合适，闸室安全，达到了设计要求。