赣东大堤溪源节制闸设计分析

李 蔚

（樟树市水利工程服务中心,江西 樟树 331200）

1 工程概况

赣东大堤位于赣江下游右岸,上起新干县,止于南昌市区新洲闸,跨经新干县、樟树市、丰城市、南昌县、南昌市区,全长137.14 km。赣东大堤樟树市段保护着樟树市的防洪安全,保护面积203 km2,保护耕地16.74×104亩,保护人口14.71×104人,全长28.73 km。

赣东大堤是樟树市规模最大的一座堤防工程。樟树市市区位于横穿江西的浙赣铁路和纵贯江西的赣江交叉点上,市域东邻丰城、南接新干、西毗新余、北连高安,为江西交通的枢纽。

2 溪源节制闸建设的必要性

樟树市赣东大堤涝区项目任务主要是通过对赣东大堤涝区现有排水渠进行清淤加固,自排闸、电排站拆除重建,解决永泰防洪治涝区、城西防洪治涝区、主城区防洪治涝区的内涝问题。

草溪河樟树市主城区到草溪河河口段河底高程为22.03 m~25.18 m,根据水文计算草溪河河口十年一遇设计水位27.41 m,由于草溪河流域地势平缓,汇流时间较长,存在芗水倒灌的情况, 2019 年7 月樟树市出现连续降雨,芗水水位升高,倒灌草溪河,造成浙赣铁路上游湾里居委会附近大片农田被淹,因此,新建溪源节制闸是十分必要的。本次设计拟在大桥西堤桩号10+800~10+875.68 处新建溪源节制闸,以解决芗水倒灌问题,减少老城区排涝压力。

3 工程布置

3.1 闸室型式

新建节制闸主要功能是防洪兼泄洪,闸槛高程较低、防洪水位较高,同时结合建筑物的布置,结合防洪,交通及投资,新建节制闸采用胸墙式。闸门尺寸为B×H=5.0 m×4.0 m,本次设计采用平板式钢闸门。

3.2 闸室底板型式

闸室底板一般根据地基、泄流条件选用平底板、低堰底板和折线底板。由于本工程无拦沙要求,且闸址河床上下游较平整平顺,不适合低堰底板和折线底板型式。因此,水闸闸室采用平底板型式。

节制闸闸室为五孔并联,即闸室选用一联的整体式结构。整体式平底板结构整体性好,对于地基的不均匀沉降有很强的适应性,同时具有较好的抗震性能。考虑地基基础条件一般,闸室底板采用等厚度,底板厚度取1.5 m。

3.3 闸底板高程确定

一般情况下闸底板高程宜于河底齐平或略高一些,为保证闸底板和上下游河道的顺接,增加过流能力,闸底板高程确定基本与邻水侧堤脚高程一致。

根据实测闸址地形,根据实测闸址地形，节制闸闸室底板顶高程为22.40 m。

闸墩顶部高程确定

根据《水闸设计规范》4.2.4 规定,节制闸永久建筑物级别为3级,闸顶高程计算考虑以下工况：

①防洪情况：防洪水位+波浪高+相应安全超高,即26.4+0.5+0.2=27.10 m。

②泄水情况：设计洪水位+相应安全超高,即28.02+0.5=28.52 m；考虑到水闸两岸堤顶高程为29.25 m,综合比较后确定节制闸闸墩顶高取28.75 m。

3.4 闸室型式比选

结合节制闸总体布置,地形地质条件,考虑节制闸主要功能,本次设计有两个方案,两个方案除闸室结构布置外,其余部分结构布置两个方案均相同。两个方案分别是：

方案一：节制闸采用胸墙式水闸（孔径B×H=5 m×4 m）；

方案二：节制闸采用涵洞式（孔径B×H=5 m×4 m）。

（1）方案一：新建胸墙式水闸

为了防止芗水倒灌草溪河的要求,节制闸采用胸墙式水闸结构布置,闸门采用平面钢闸门,新建节制闸位于大桥西堤桩号10+800~10+875.68 处,由上游铺盖、闸室段、消力池、海曼漫组成。上游铺盖范围为闸Z0+000.00~闸Z0+020.00,为C25 钢筋混凝土结构,底板高程为22.40 m；闸室上下游为闸Z0+020.00~闸Z0+032.68,为C25 钢筋混凝土结构；均采用平面钢闸门,共5 孔,闸门高4.0 m,宽5.0 m,闸室底板高程22.40 m,闸墩顶部高程28.75 m,边墩厚1.20 m,中墩厚1.20 m,缝墩厚1.40 m；闸室上部设启闭机框架与启闭机房,为保证两岸人员交通,启闭机框架下游设置人行桥。消力池范围为闸Z0+032.68~闸Z0+047.68,为C25 钢筋混凝土结构,斜坡段长5.6 m,坡比为1∶4.0,水平段9.6 m,池深0.9 m,池底高程21.50 m；海曼上下游范围为Z0+047.68~闸Z0+075.68,分为两部,前20.00 m为干砌石护底结构,后8.00 m为干砌石防冲槽,底板高程为22.40 m。为了方便闸门运行管理,在节制闸的右侧设有1.5 m宽楼梯。

（2）方案二：新建涵洞式水闸

方案二工程总体布置方案于与方案一大致相同,但水闸结构形式变化为箱涵式水闸布置,其余工程布置与方案一相同。节制闸进口处布置泄洪闸,出口布置防洪闸,水闸采用五孔布置,箱涵孔径B×H=5 m×4 m,泄洪闸及防洪闸闸室结构尺寸相同,闸室垂直水流方向长为30 m,闸墩顶高程28.75 m,中墩厚1.20 m,边墩厚1.20 m,闸室底板高程22.40 m,底板厚1.50 m,箱涵顶高程26.80 m,启闭机排架柱,顺水流方向宽3.35 m,启闭机房顶高程为m。为了方便闸门运行管理,在节制闸的右侧设有1.5 m宽楼梯。

根据以上两种方案的布置,经计算,各方案主要工程量、投资及优缺点比较见表1。

表1 节制闸方案比较表

续表1

根据以上两种方案的布置,经比较,两种方案泄流能力一致,方案二施工工序较复杂,且稳定性比方案一差,方案一运行方便,解决了混凝土质量及构建尺寸问题,稳定性比方案二更高。故本阶段设计推荐方案一。

4 水力设计

4.1 溪源节制闸下游断面水位流量关系

本设计拟新建溪源节制闸,需要计算闸址下游水位流量关系,草溪河上无水文测站,属无实测水文资料地区。其水位流量关系采用曼宁公式,由起始断面水力要素推算[1]。起始断面横断面资料采用本阶段实测成果。糙率的选取根据河槽地形地貌、河床质的组成综合分析选定,n 值取0.020~0.040,比降根据本阶段河道纵断面、实测该河段同时水面线综合确定,水闸下游水位流量关系计算成果见表2。

表2 溪源节制闸址下游水位流量关系成果表

4.2 过流能力计算

水闸过流能力计算目的是计算在各种水头和水闸开启情况下水闸的泄流能力,并由此推出设计洪水[2]。

节制闸闸孔共5 孔,节制闸有多种闸门开启调度方案可供选择,现计算闸前正常蓄水位为26.40 m,闸门挡水高度为4.0 m,不同孔数及不同开度下,孔口出流情况见表。

节制闸闸不同水位闸门不同开度时对应泄流能力计算结果见表3~表6。

表3 节制闸水位-开度-流量关系表

表6 节制闸水位-开度-流量关系表

续表3

表4 节制闸水位-开度-流量关系表

表5 节制闸水位-开度-流量关系表

4.3 消能防冲设计

（1）消能形式

节制闸闸址位置,河床及岸坡抗冲能力较低,且承受水头不高,闸下跃前水流佛劳德数较低,宜采用底流式水跃消能,消能形式选用底流式消能[3]。

（2）工况确定

节制闸仅在上游水位高于下游水位时过流,消能防冲的设计标准与水闸下泄流量标准一致,并考虑闸孔出流的时候能可能出现最不利情况。

在节制闸流量下泄工况下,淹没出流时,下游水深较大,水闸出口水跃为淹没水跃,无需设置消力设施；因此,节制闸消能工况应考虑水位较低时的闸孔出流工况,节制闸自由出流可能出现的最不利情况。

（3）消能计算成果

结合表7 计算结果,并参考相关规范,防冲槽设计深度取1.5 m。

表7 消能计算成果表

5 结语

新建溪源节制闸工程的实施,解决了芗水倒灌草溪河的问题,减少了主城区的排涝压力,节制闸上游段的草溪河水可通过拟建的新梨园湾电排站进行排涝。本文经过方案比选,最终确定节制闸采用胸墙式水闸,通过过流能力复核计算以及消能防冲计算,均满足规范要求,设计方案可行。