某河道钢坝闸水力学计算分析

张 宏，苏平磊

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程概况

北方某河道设计过程中拟采用钢坝闸挡水，形成景观水面。

在水利水电建设上，随着我国城市用水、景观建设及环境整治和灌溉、发电的需要，钢坝闸得到了广泛的应用，钢坝闸是一种可调控溢流闸门，它由土建结构、带固定轴的钢闸门门体、液压启闭设备等组成。钢坝闸建筑物适应闸孔较宽（10～100m），可以省去数孔闸墩，结构简单，可以节省土建投资。钢坝闸可以立门蓄水，卧门行洪排涝，利用闸门门顶过水，可以形成人工瀑布效果。钢坝闸门使用寿命长，运行速度快，可靠性高，泄洪时门体在闸底板高程以下，不会形成阻水现象。

2 工程等级

参照SL252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》及SL265-2016《水闸设计规范》，位于防洪堤上的水闸，其级别不得低于防洪堤的级别，确定景观闸主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。

3 景观闸布置

钢坝闸净宽为16m，挡水高度为1.5m。钢坝闸边墩后填土至分别与两侧河岸、堤防形成平台。景观闸管理房均布置在河岸上。

景观闸顺水流方向布置有上游铺盖、闸室、消力池、海漫等四部分。

4 钢坝闸设计计算

4.1 泄流能力计算

景观闸泄流能力计算考虑两种运行工况：

工况一：闸门正常运行时，门顶自由溢流，上部水头为0.25m。

工况二：发生设计频率洪水时，闸门全开。

工况一计算已知上游水深，采用矩形薄壁堰无侧收缩过流量计算公式计算过闸流量，为景观闸开合控制提供依据。

工况二计算已知洪水来流量，采用高淹没度、平底闸闸孔过流公式计算堰上水深，为河道两岸堤顶高程设计提供依据。

工况一计算参考《水工设计手册》（第二版第9卷）矩形薄壁堰无侧收缩的流量公式：

流量系数用雷卜克公式计算：

式中：H——堰上水头，m；P——堰高，m；b——堰宽，m。

经计算，工况一时闸顶过流量为3.6m3/s，即当来流量大于3.6m3/s时，应考虑开启钢坝闸。

工况二计算公式采用SL265-2016中附录A规定：

式中：μ0——淹没堰流综合流量系数，按公式计算；B0——闸孔总净宽，m；Q——过闸流量，m3/s；H0——计入行近流速水头的堰上水深，m；g——重力加速度，采用9.81m/s2；hs——由堰顶算起的下游水深，m。

断面频率洪水流量为47.9m3/s，水深hs为2.65m，经计算，不计入行近流速的堰上水深为2.69m，壅高了0.04m。

4.2 消能防冲设计

消能设计需考虑各种运行工况，选取最不利工况进行设计。此次计算只计算上节所述两种工况：

工况一消力池采用《水力学手册》（第二版）单级跌水消力池计算公式计算：

经计算，消力池计算结果见表1。

工况二计算公式采用SL265-2016中附录B规定：

表1 消力池计算结果

式中：d——消力池深度，m；σ0——水跃淹没系数，取值范围1.05～1.10，此次设计取1.10；——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；T0——由消力池底板顶面算起的总势能，m；△Z——出池落差，m；hs′——出池河床水深，m；φ——流速系数，可取值范围0.95～1.0，此次设计取1.0。

经计算，收缩水深hc得0.47m；跃后水深hc″得0.08m。计算结果跃后水深0.08m小于下游渠道水深2.65m，可不设置消力池。

5 结论

河道中设置建筑物使得水流局部流动结构急剧调整，流体内摩擦作用加剧，产生较大的机械能消耗，直观表现为水面线的雍高，通过水力学计算可以求出雍高数值，作为建筑物设计依据。该工程通过计算结论可以看出钢坝闸对天然水面线影响较小，作为景观壅水建筑物比较适合。