某灌区总干渠3#退水闸设计研究

田振燕，惠志宾

（河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473000）

1 工程概况

刁河总干渠3#退水闸位于刁河总干渠桩号28+772 处渠尾，采用胸墙式结构，设计过闸流量45 m3/s，闸孔总净宽6 m，单孔宽3 m，共2孔；建筑物等级为3级。刁河总干渠3#退水闸重建后，闸孔总净宽未改变，闸底板控制高程与原闸保持一致135.58 m，上游设计水位未变化，上游衬砌渠深4.60 m。

2 退水闸结构设计

刁河总干渠3#退水闸进口段长17 m，两岸采用圆弧翼墙与上游渠道衔接，底部采用50 cm 厚C25 混凝土铺盖；闸室段长11.20 m，采用C30 钢筋混凝土结构，底板厚100 cm，闸墩厚120 cm。陡坡段长3.20 m，两侧边墙为C25混凝土重力式挡墙结构，底板为50 cm厚C30钢筋混凝土现浇结构；消力池长13 m，两侧挡墙及底板与陡坡段相同；消力池出口采用浆砌石扭面与下游渠道衔接，渠底采用30 cm 厚C25 混凝土护底；扭面后接海漫段，长15 m，渠底及岸坡均采用30 cm厚格宾护砌，海漫末端设抛石防冲槽。

根据需要在闸前设置净宽5 m 交通桥便于交通道路衔接。在上下游翼墙及边墩外侧设高1.10 m不锈钢栏杆。

操作室布置在闸顶，总长4.50 m，总宽8.90 m，共2 间，层高3.30 m，操作室为砖混结构，楼面和屋面为现浇板，板厚0.12 m，操作室外部设挑檐，宽1 m，挑檐外侧设高1.10 m不锈钢栏杆。下部为C30钢筋混凝土立柱，立柱尺寸50 DN 50 cm。于右岸设钢斜梯1座与操作室连接，宽0.80 m，高5.10 m，斜度59h，便于工作人员上下。

3 退水闸水力分析计算

3.1 退水闸闸孔宽度分析计算

平底闸堰流闸孔总净宽计算：

式中：B0为闸孔总净宽（m）；Q 为过闸流量（m3/s）；H0为计入行近流速水头的堰上水深（m）；g 为常数（取9.81 m/s2）；m 为流量系数（取0.385）；ε为堰流侧收缩系数；σ为堰流淹没系数；hs为由堰顶算起的下游水深（m）。

刁河总干渠3#退水闸（桩号28+772）流量45 m3/s，上游水深4 m，闸底板算起的下游水深1.58 m，计算孔宽5.15 m，重建闸孔尺寸2 N 3 N 3 m，出流型式孔流。

3.2 消能防冲计算

3.2.1 消力池过水尺寸计算

消力池型式选用斜坡段下接矩形断面复合结构。经计算退水闸消力池尺寸计算成果见表1。

表1 退水闸消力池过流尺寸计算表

3.2.2 海漫分析计算

3.2.2.1 海漫长度计算

除刁河总干渠3#退水闸外，其余水闸下游渠道均已采用混凝土衬砌，因此仅对刁河总干渠3#退水闸进行海漫长度及冲刷深度计算。

经计算海漫长度为18.80 m。设计中消力池后设5 m 长30 cm 厚混凝土海漫和15 m 长30 cm 厚格宾海漫，海漫长度共计20 m，符合要求。海漫末端冲刷深度计算为2.68 mm。为了保护下游海漫免受冲刷危害，需做防冲处理，根据堆石数量应遵循以能安全覆盖冲刷坑的上游坡面或下游坡面，防止冲坑向上游发展而危及海漫结构安全的原则设置防冲槽。因消力池末端已采用30 cm厚混凝土和格宾石笼护底进行护砌，设计中按一般构造要求结合以往水闸设计经验设置防冲槽，抛石防冲槽深1 m、长5 m。

4 闸基渗流稳定计算

4.1 闸基防渗长度计算

闸底板座于原状粉质粘土上。底板渗流采用以下公式计算。

防渗长度的基本计算公式为：

式中：C—渗径系数，根据《水闸设计规范》中的允许渗径系数值；ΔH—上、下游水位差，按照最大水位差计算，单位m。

刁河总干渠3#退水闸（桩号28+772）流量45 m3/s，上游水位差4.30 m，渗径系数C4需要防渗长度L19.20 m，实际防渗长度27 m。退水闸的实际防渗长度大于最小防渗长度，闸基防渗设计满足稳定要求。

4.2 闸基渗流稳定计算

刁河总干渠3#退水闸建筑物级别为3级，除防渗长度复核外，对其闸基渗流进行计算，根据《水闸设计规范》附录C，土基上水闸渗流稳定计算方法采用改进阻尼系数法。计算结果见表2。

表2 闸基渗流稳定计算成果表（改进阻尼系数法）

根据上表及工程地质情况，最不利工况下水平段、出口段渗透坡降分别小于闸基水平段允许渗流坡降、出口段允许渗流坡降，说明闸基防渗效果良好，不会发生渗透破坏、渗透稳定满足规范要求。

5 退水闸闸室稳定应力分析计算

5.1 确定计算工况

由《水闸设计规范》可知，分析计算闸室稳定和应力荷载组合分基本组合和特殊组合两种。基本组合采用完建工况、设计挡水工况2种工况计算。特殊组合采用设计挡水+7度地震计算。计算工况及荷载组合详见表3。

表3 退水闸闸室稳定计算工况表

5.2 闸室沿基础底面的抗滑稳定计算

由《水闸设计规范》可知：KC＝f∑G/∑H。在各种荷载组合工况下，闸室基底面抗滑稳定安全系数应满足Kc＞［KC］。

5.3 闸室基底应力计算

式中：η—不均匀系数；σmax、σmin—最大及最小应力值。

地震惯性力：地震惯性力代表值根据《水工建筑物抗震设计标准》规定，采用进行拟静力法计算。

沿建筑物高度作用于各质点的水平向地震惯性力代表值：F=ahξGEiai/g。动水压力作用在水面以下0.54 H0处，其代表值F0按下式计算：F0=0.65 ahξpw。作用于水闸上的地震动水压力：F3=0.65 ahξpw

刁河总干渠3#退水闸（桩号28+772）闸室稳定计算成果，工况1完建期抗滑稳定安全系数kc大于［Kc］=1.2，σmax29.35（kPa）和σmin26.11（kPa），不均匀系数1.12 小于不均匀系数允许值2.00，地基容许承载力（kPa）120；工况2设计挡水抗滑稳定安全系数kc6.89 大于［Kc］=1.2，σmax31.43（kPa）和σmin28.88（kPa），不均匀系数1.09 小于不均匀系数允许值2.00，地基容许承载力（kPa）120；工况3（挡水+地震）抗滑稳定安全系数kc1.95 大于［Kc］=1.05，σmax101.2（kPa）和σmin90.3（kPa），不均匀系数1.12 小于不均匀系数允许值2.50，地基容许承载力（kPa）180。

5.4 挡墙稳定计算

计算内容有：挡墙的基底应力、抗滑稳定性、抗倾覆稳定性。

挡墙地基承载力验算，选取单位长度墙体，在垂直压力ΣG作用下，墙体前后缘的地基应力为：

最大地基应力不大于地基容许承载力，最小应力不小于零，即地基全部受压。

挡墙抗滑稳定计算公式：

式中：KC—抗滑安全系数；［KC］—允许抗滑安全系数；f—墙底与地基间摩擦系数，取f=0.30；ΣW—墙基面所受垂直力之和，kN；ΣP—墙体所受水平力之和，kN。

抗倾稳定计算公式：

式中：K0—抗倾安全系数；［K0］—允许抗倾安全系数；ΣMy—抗倾力矩，kN/m。

挡墙稳定计算成果：工况1正常状态下基底应力88.35 kPa，容许承载力［σ］180 kPa，抗滑Kc 为1.28 大于［Kc］=1.25，抗倾Kf为2.19 大于［Kf］=1.5；工况2（正常+地震）状态下基底应力93.21 kPa，容许承载力［σ］为180 kPa，抗滑Kc为1.13大于［Kc］=1.05，抗倾Kf为1.65 大于［Kf］=1.30。挡墙稳定计算满足规范要求。

6 结语

综上所述，对某灌区干渠大型退水闸从水闸结构设计、水力计算、闸基渗流稳定计算及闸室稳定应力计算等主要部分完成退水闸设计基本内容，获得相应成果，可为同类工程建设提供参考。