关于河道除险加固工程中水闸的设计及运用分析

陈敏

摘 要：河道工程建设中，常因水闸年久失修而导致病害产生。基于此，从水闸安全隐患出发，强化对水闸的设计和运用进行分析，对整体解决水利工程病害具有重要的意义。本文结合《临泉县焦桥闸除险加固工程初步设计》方案，就水闸在河道除险加固工程后的设计和运用进行分析，以为类似工程建设提供可行性借鉴。

关键词：河道;除险加固;工程;水闸;设计;运用

中图分类号：TV222           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0136-03

在水利工程整体建设中，水闸作为防洪排涝、满足工农业用水需求的基本点，受运行时间、人为因素及自然环境等影响，在运行中遇到了诸多问题。水闸隐患的产生，因临泉县境内的整个谷河流域地形、财力不足，排涝水位高程定位较高等问题，对工农业生产造成了极为不利的影响[1-2]。由此，强化在水闸除险加固处理上的设计运用，可整体上实现防洪排涝，为工农业生产创造有利条件。现就河道除险加固工程中水闸的设计及运用分析总结如下。

1 工程概括

焦桥闸位于临泉县宋集镇谷河本干上，控制流域面积314km?，排涝流量192m3/s，蓄水库容270 万m3。预计灌溉面积2.7万亩，农田防旱改善31.4万亩。原焦桥闸因启闭机房及上、下游护坡、闸门、交通桥等均存在老化、破损，已影响闸身安全及正常运行。本次设计治理标准按5年一遇除涝标准，共疏浚河道长度45km，但受财力不足，排涝水位高程定位较高，断面设计标准低，部分桥梁建筑物未能改造，仍存在较严重阻水、壅水现象。该闸经专家鉴定为四类闸，应拆除重建。

河道中存在的安全隐患因素诸多，水利工程自身功用需要发挥到极致，尤其像2020年夏季这样的季节影响，长期阴雨连天，洪水四处泛滥，淹没了不少家园。水闸在此发挥着不可替代的作用，也因此需要更加重视水利工程建设。本水利工程中水闸设计拟选用两种设计方案。通过技术论证和实证分析，提出两种设计方案进行比选，最终设计出符合河道工程正常运行的水闸。

2水闸设计细则

2.1设计方案

水闸除险加固包括水闸等级、洪水标准设计、水闸规模合理度、水闸实际运用情况、流域防洪规划、水文系列、水闸原规模复核等内容[3]。重建水闸为钢筋砼开敞式水闸，5 年一遇设计排涝流量为233m?/s， 20年一遇设计排洪流量为375m?/s。具体结构设计方案选型如下：

从以上比较结果看，方案一比方案二投资少，且运行管理方便，综合考虑选择方案一，即5孔闸室方案。

2.2加固设计内涵

2.2.1 设计内容

根据规范规定，焦桥闸主要建筑物为Ⅲ等中型水闸。拟重建闸室底板高程、总孔数、单孔宽分别为29.50m、5 孔、6.0m，闸室为开敞式结构。闸墩顶部上游侧交通桥，桥面净宽设置为7.0m，桥面高程设定为37.0m;闸室总宽36.0m，上部设钢筋砼排架、启闭台及启闭机房。闸室上游侧布置 16.0m长钢筋砼防渗铺盖，下游设17.0m长钢筋砼挖深式消力池，池深0.90m。在消力池后布置砌石海漫，长30m，后接8m长防冲槽，建筑物总长106m。

2.2.2水力设计

（1）过流能力验算

根据《安徽省淮北地区除涝水文计算办法》，流域面积在 50～5000km2时，排水模数计算采用公式：M=0.026RF-0.25。

流量采用公式：Q=MF=KRF0.75（m3/s），流域面积在 50～5000km2。

式中：M——排水模数（m3/s/km2）;F——焦桥闸控制流域面积;R——三日设计暴雨相应的净雨深，单位：mm;K——峰量关系系数，采用日平均值，根据对口水文成果，K=0.026。

（2）水闸选址

闸址位置选择宜在地质条件良好的天然地基上，以减少基础处理费用，节约工程投资。拆除重建涵闸与设计相匹配，并尽量选择原闸址，以利供电系统、交通条件和管理设施，减少工程投资和工程占地，综合考虑原址拆除重建，重建焦桥闸在原闸下游位移20m以减少路桥影响。闸室底板高程选择谷河本干，闸址处河底设计高程29.50m，与河底平齐。

（3）消能防冲设計计算

公式为：d=σoh"c-h's-ΔZ

式中：d——消力池深度（m）;σo——水跃淹没系数;hc" ——跃后水深（m）;hc——收缩水深（m）;α——水流动能校正系数;q——过闸单宽流量（m2/s）;b1——消力池首端宽度（m）;b2——消力池末端宽度（m）;To——由消力池底板顶面算起的总势能（m）;ΔZ——出池落差（m）;hs'——出池河床水深（m）。

2.2.3 防渗排水设计

初拟闸基防渗长度按下式计算：

L=C×ΔH

式中：ΔH——上、下游水位差，检修时期水位差最大;C——渗径系数;L——闸基防渗长度，计算值为20.50m。

闸基渗透计算采用《水闸设计规范》推荐的改进阻力系数法计算：

式中：ξo——进、出口段的阻力系数;S——齿墙的入土深度（m）;T——地基透水层深度（m）。

内部垂直段的阻力系数：

式中：ξy——内部垂直段的阻力系数;水平段的阻力系数。

式中：ξx——水平段的阻力系数;S1、S2——水平段首、末齿墙的入土深度（m）。

由此，做好消力池下部排水孔的设计，面对减少护坦基部渗透压，在水平护坦后侧安排垂直型排水孔，在孔下部铺设反滤层。通过消力池后部设计垂直型排水孔以达到降低池底板渗压的效果。

2.2.4 闸室结构布置及稳定性分析

按水闸设计规范，土基上闸室基底面的抗滑安全系数，按下式计算：

其中：Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数;f——闸基基底面与地基之间的摩擦系数;∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）;Φ0——闸室基础底面与土质地基之间的摩擦角（o）;C0——闸室基础底面与土质地基之间的粘结力（kPa）。

2.2.5闸室基底应力

按下式计算：

其中，ΣG——作用在闸室上的全部竖向荷载;ΣMx、ΣMy——作用在闸室上的全部垂直荷载和水平荷载对基础底面垂直水流方向和顺水流方向的形心轴的力矩（kN.m）;A——闸室基础底面面积（m2）;Wx、Wy——闸室基底面对于该底面垂直水流方向和顺水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

经分析计算可得，焦桥闸闸室为开敞式钢筋砼结构，共分5 孔，单孔宽度 6.0m，闸底板采用整体式平底板，厚1. 0m，闸墩为实体墩，厚1.10m。闸室顺水流方向15.0m，垂直水流方向36.0m。闸墩顶部下游设置检修工作便桥、钢筋砼排架、启闭台及启闭房等，上游设置预制公路桥。桥头堡设置在空箱式岸墙上。

闸室设计，要保证闸基和两岸连接建筑物的稳定性，增加土的抗渗稳定性，避免在水位差较大时水闸因渗透变形，而危及水闸主体工程建设安全性。本次闸址选择综合考虑了水文地质条件、上下游水位差、闸室和两岸连接建筑物分布特点等，并综合考虑了闸室防渗设计、排水系统、闸基处理、两岸抗渗稳定等。还通过控制闸室总净宽度设计流量、闸孔径使用要求、水闸闸门形式等因素，整体解决了闸室安全问题。

通过设计闸室、翼墙结构形式、尺寸设计和结构布置，在地基条件、地基承载力控制、地基妥善处理中，综合考虑了水闸设计结构强度、刚度。综合设计层面，出于环境保护、造型设计美观度、水闸服务河道水利建设和综合效益，全面发展了我国的河道水利工程。

2.2.6工作闸门设计

闸门设计需综合考虑抗滑稳定性和抗渗稳定性，以确保闸室能承受上下游水位差造成的水平推力，避免闸室向下游滑动，导致水闸稳定性失衡问题。依照方案比选结果，焦桥闸闸门设计门型为露顶式平面定轮钢闸门，门体为实腹式等截面主横梁焊接构件，主材为Q235B，面板布置在闸上游侧。

3结语

综上所述，本次水闸设计，立足既定水利工程建设和设计的基本要求，详细分析了水闸周围的水环境，并严格按照相关规范要求进行设计。与此同时，水闸的运用问题作为河道水利工程施工中的关键问题，必须采取有效的措施加以预防和处理，且还需将理论与实践相结合，最大限度地提高水闸设计质量和运用。

参考文献：

[1]刘晓旭.清河闸除险加固设计中的洪水计算及合理性分析[J].陜西水利，2019，（8）：58-59.

[2]康慷，李敏.浅谈水闸除险加固设计及研究[J].建筑工程技术与设计，2016，（32）：1065.

[3]何化文.水闸除险加固的必要性和综合方法策略[J].大科技，2016，（9）：92-92，93.

[4]丛日凡.西五关拦河闸除险加固工程设计综述[J].黑龙江水利科技，2019，47（6）：96-98.

[5]谢雨轩.水闸除险加固方案的决策研究[D].天津：天津大学，2016.

[6]郑春锋，迮振荣，李超，等.太浦闸除险加固工程施工导流工作实践[J].中国防汛抗旱，2018，28（7）：51-54.

[7]田凯，修德禄，史晓东， 等.凌源市虎头石拦河闸除险加固设计[J].东北水利水电，2015，33（12）：4-5.