枣庄市西大楼闸除险加固工程设计研究

张 翔

(枣庄市市中区城乡水务局，山东 枣庄 277100)

0 引 言

水闸作为一种重要的水利建筑，具有十分重要的功能，如防洪、蓄水等。由于我国早年间经济、建设水平较低，导致修建的水闸质量不足，在使用过程中出现了不同程度的损坏；亦有一部分水闸由于环境条件的改变，已经不能满足现状的防洪、蓄水需求，针对这一类水闸采取除险加固工程治理措施是十分必要的[1]。

1 工程概况

西大楼闸原设计为大(2)型水闸，工程等别为Ⅱ等，水闸主要建筑物级别为2级。设计蓄水位47.5m，相应蓄水量25.5万m3。20a一遇水闸过流314m3/s，相应闸上水位49.80m，闸下水位49.50m。西大楼闸为浆砌石墩提升闸，全长23.0m，共8孔，每孔净宽2.0m，原闸过闸水头差为0.3m，闸下水位49.5m，水闸最大过流314m3/s，老闸不满足设计防洪要求。根据水闸安全鉴定结果，西大楼闸建议拆除重建。西大楼闸现状如图1所示。

2 设计洪水确定

2.1 水文资料选取

西大楼闸位于税郭支流，税郭支流及邻近的郭里集支流迄今未治理，仅有峄城大沙河分道治理的相关设计资料。峄城大沙河流域5a一遇设计暴雨为148.84mm，20a一遇设计暴雨为214.52mm。根据流域内多山区、丘陵的自然地理特点和小流域河道暴雨洪水特点，确定设计降雨历时为24h。根据选用流域内各代表站历年最大24h降雨量系列资料，进行频率分析计算。经排序整理和频率分析计算，求得各站年最大暴雨系列的均值和变差系数Cv值。根据统计参数的均值，查P-Ⅲ型频率曲线模比系数Kp值表，可得设计频率的Kp值，据此可求出设计频率的设计暴雨的面雨量[2]。成果见表1。

图1 西大楼闸现状

表1 设计暴雨参数

2.2 设计雨型

1)设计雨型：

设计暴雨的时程分配，采用山东省暴雨洪水查算图表中的泰沂山南区雨型，取计算时段长度为1h。根据设计雨量成果计算相应净雨时程分配过程。

2)产流计算：

设计前期影响雨量Pa取40mm。设计频率净雨成果见表2。根据实测资料情况，净雨计算采用降雨径流相关图法，求得设计频率下的净雨。

表2 设计净雨

2.3 设计洪水推求

流域汇流计算采用瞬时单位线进行计算，计算采用下式：

M1=0.196F0.33J-0.27R-0.2Tc0.17

(1)

式中：F为流域集水面积；J为河道干流平均坡度；R为设计净雨，mm；Tc为有效净雨历时，单位h。

控制断面设计洪水成果见表3。

表3 控制断面设计洪水成果

本次计算控制断面处洪水，按照小水库的消峰情况，已考虑上游小水库的影响。因此，西大楼闸除险加固采用本次计算成果，即20a一遇设计洪水为789m3/s，50a一遇设计洪水为999m3/s。

2.4 特征水位推求

西大楼闸闸址位于峄城大沙河税郭支流下游(桩号2+260)，距离下游峄城大沙河干流裴桥闸3.68km，在峄城大沙河30+850处新建裴桥节制闸，拦蓄水位49.00m，为截污导流工程重要节制建筑物；根据裴桥节制闸运行调度方案，非汛期下闸拦蓄，汛期提闸行洪[3]。根据以上资料，西大楼闸所在河道入峄城大沙河干流口处起推水位综合确定为：非汛期采用49.00m，汛期采用50.25m。

以下游起推水位作为起始水位，采用裴桥节制闸闸址处的实测河道断面进行沿河自下而上逐个断面推算河道水面线，推算至闸址下游处水位。相距△s的两个渐变流断面1和2的能量方程式为：

(2)

式中：z1，v1和z2，v2分别为断面1和2的水位和流速；△hw为断面1和2之间的水头损失，△hw=△hf+△hj，△hf为沿程水头损失；△hj为局部水头损失。

裴桥节制闸至西大楼闸址共3.68km，该段河道尚未治理，本次水面线推算，峄城大沙河段按照底宽80m，税郭段底宽60m，大沙河干流糙率取0.03，税郭支流糙率取0.028。按照规划的税郭支流设计纵断，西大楼闸(桩号2+260)处规划河底高程为47.5m。计算各流量下对应水位，计算成果见表4。

表4 西大楼闸下水位-流量关系表

3 水闸闸孔宽度方案确定

3.1 过闸水头差确定

过闸水头差对水闸的造价和上游淹没影响等关系较大。如果采用较大的过闸水头差，固然可缩减闸孔总净宽，降低水闸工程造价，但却抬高了水闸的上游水位，增加上游淹没风险，同时也增加下游消能布置难度；若采用较小的过闸水头差，则会增加闸孔总净宽，从而增加水闸的工程造价，但是可以降低下游消能布置难度。一般情况下，平原区水闸的过闸水头差可采用10-30cm，山区，丘陵区水闸的过闸水位可适当加大。根据以上原则，结合西大楼闸的功能、特点、运用要求及上游河道地形综合考虑，拟定不同水头差方案进行比较，综合选定过闸水头差。根据选定的过闸水头差计算过水净宽，选定闸孔尺寸[4-6]。

采用宽顶堰淹没公式计算：

(3)

式中：Q为过闸流量，m3/s；B0为过水总净宽，m；σ为堰流淹没系数；H0为包括行近流速水头的闸上堰上水头，m；ξ为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数。

1)方案一、低水头差方案(0.15m)。

根据闸下20a一遇设计洪水位51.92m，选定的闸底板高程47.50m，计算在水头差为0.15m的情况下，过流789m3/s时所需要的闸孔总净宽为54m。20a一遇相应闸上设计洪水位52.07m。

2)方案二、中水头差方案(0.30m)。

根据闸下20a一遇设计洪水位51.92m，选定的闸底板高程47.50m，计算在水头差为0.30m的情况下，过流789m3/s时所需要的闸孔总净宽为50m。20a一遇相应闸上设计洪水位52.22m。

3)方案三、高水头差方案(0.45m)。

根据闸下20a一遇设计洪水位51.92m，选定的闸底板高程47.50m，计算在水头差为0.45m的情况下，过流789m3/s时所需要的闸孔总净宽为46m。20a一遇相应闸上设计洪水位53.0m。

不同水头跌差对应的闸孔总净宽计算成果见表5。

表5 闸孔总净宽计算表

根据过闸水头差方案比较后，由表5可以看出，从水闸可比投资角度看：方案一最大，方案二最小；方案一，各频率闸前水位最低，但闸室宽度最大，增加了河道石方开挖量，金属结构投资增加，工程投资较大。方案二，充分利用了现有河口范围内河道，不需新增占地，且对两侧交通可以平顺连接。方案三占用河道断面最小，但壅高上游水位最大，且两侧回填量及两侧引路较方案二增大。经综合考虑，推荐方案二0.30m的过闸水头差。综合考虑基础类型、闸前水位、过闸单宽流量、闸门选型(闸门设计及制造水平)、闸室总宽度与河道总宽的关系及水闸的调度运用等因素，选用方案二为推荐方案。过闸水头差方案比选，见表6。

表6 过闸水头差方案比选

3.2 单孔净宽方案比选

对西大楼闸单孔净宽进行方案比选。选定以下二个方案进行比选。以下二个方案，均用平底板平板闸的方案，闸底板高程均采用47.50m，拦蓄水位均为52.00m，双吊点卷扬式启闭机启闭。

1)方案一：10孔闸，单孔净宽5m。

该方案共设10孔闸，单孔净宽5m，闸孔总净宽为50.0m。闸底板高程47.50m，闸前拦蓄水位为52.00m，中墩厚1.4m，底板厚1.35m，闸室顺水流方向长16.00m，垂直水流方向总宽度48.0m，闸室采用第三孔底板中间分缝形式。排架高7.0m，机架桥高1.0m，左右岸设桥头堡。工作闸门采用平板钢闸门，闸门尺寸5.0×4.8m，2×160kN双吊点卷扬式启闭机。闸后附生产桥，桥宽5.0+2×0.5=6.0m。

2)方案二：5孔闸，单孔净宽10m。

该方案共设5孔闸，单孔净宽10m，闸孔总净宽为50.0m。闸底板高程47.50m，闸前拦蓄水位为52.00m，中墩厚1.4m，底板最大厚1.5m，闸室顺水流方向长14.00m，垂直水流方向总宽度58.0m。排架高7.0m，机架桥高1.0m，左右岸设桥头堡。工作闸门采用平板钢闸门，闸门尺寸10.0×4.8m，2×250kN双吊点卷扬式启闭机。闸后附生产桥，桥宽5.0+2×0.5=6.0m。单孔净宽方案比选，见表7。

表7 单孔净宽方案比选

由以上二个方案比较可知，方案一闸孔数量较多，闸墩占河道过水面积较多，投资较大；方案二闸孔数量适中，闸墩占河道过水面积较少，投资较小，两个方案均能满足设计要求。经综合分析，本次设计认为方案二投资最小，占用河道过水面积少；同时孔数相对较少，更方便水闸洪水调节和长期运行管理，故选定方案二为推荐方案。

4 结 论

枣庄西大楼闸建设时期较早，受限于当时的经济、科技水平，水闸建设质量较低、缺乏必要的监测、辅助设施，已难以满足现状防洪、蓄水的需求，因此，水闸采用重建的方式进行处理。结合当地水文资料，确定20a一遇、50a一遇设计洪水为789m3/s、999m3/s。通过方案比选，过闸水头差为0.30m，水闸闸孔采用5孔闸，单孔净宽10m的水闸方案，有利于降低工程投资、缓解消能防冲压力，降低上游洪水风险等优势。