结合实例探究水库水闸尺寸设计及计算分析

结合实例探究水库水闸尺寸设计及计算分析

崔志鹏夏江

金华市水利水电勘测设计院有限公司

摘要：本文结合工程实例，着重从几个方面探讨了现代水库水闸基本尺寸的设计工作，旨在选择最优的尺寸设计方案，保证工程建设的质量。

关键词：水库水闸；基本尺寸；堰型选择；设计

1.工程概况

某水库工程由于建设年代久远，在水利主管部门对该水库水闸进行安全鉴定审核时，鉴定结论确定水闸为四类闸，安全性能存在着隐患，根据要求需要拆除重建，水闸重建工程的流量及特征水位详见表1。该水库水闸闸室为开敞式宽顶堰型浆砌石结构，共设14孔，闸孔总净宽35m，其中中间6孔净宽均为2.30m，其余8孔净宽均为2.65m，闸墩厚0.90m。闸底板高程5.90m，闸孔高度中间12孔均为4.50m，两端边孔为3.55m。闸墩上游侧设闸门启闭机室，下游侧设人行便桥。进水闸设于河道右岸闸轴线上游15m处，为开敞式浆砌石结构，闸孔净宽2.8m、高1.5m，设计引水流量2.0m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）、《水闸设计规范》（SL265-2001），该水闸工程的过闸流量为661.66m3/s，该水闸过闸流量介于100～1000m3/s，确定本工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，相应主要建筑物等级为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

2.水闸基本尺寸设计及相关计算

（1）闸顶高程

该工程为Ⅲ等中型工程，主要建筑级别为3级，根据《水闸设计规范》（SL265-2001）第4.2.4条规定，水闸闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况来确定。

①挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和。安全超高下限值，正常蓄水位时为0.4m，最高挡水位时为0.3m。

②泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。安全超高下限值，设计洪水位时为0.7m，校核洪水位时为0.5m。且闸顶桥梁底高程应高出最高洪水位不小于0.5m。

注：桥梁底高程控制要求情况下，安全超高1.2m为最低净空0.5m与桥梁高0.7m之和。闸顶高程确定，主要是根据挡水和泄水两种运用情况并结合闸前水深、吹程以及设计风速计算波浪爬高进行确定的，经计算闸顶超高及闸顶高程计算结果列于表2，计算闸顶高程最高为10.95m，该工程取11.00m。

（2）堰型确定

堰型选择的主要考虑因素：①运用灵活安全可靠、泄流能力稳定；②有利于排砂防淤积，尽量降低泄洪时闸前水位的壅高程；③施工方便、结构安全可靠。综合以上因素并结合工程本地区特点，该水闸选择开敞式平底宽顶堰为堰型。

（3）闸室底板高程

根据《水闸设计规范》条文说明4.2.5条，“一般情况下，为了多泄（引）水，多冲砂，节制闸、泄洪闸、进水闸或冲砂闸闸槛高程宜于河底齐平”，同时结合类似工程经验，水闸闸槛高程与河底齐平，有利于泄水冲沙和减小工程投资。该工程原旧水闸底板由于经多次加固后，现状高程为5.90m，旧水闸闸室上下游河床高程约为4.50～5.85m，为了寻找一个满足泄流、满足防洪标准同时经济指标又合理的底板高程，该工程初选定该水闸底板高程4.50m、5.00m、5.50m三个方案进行比较。

根据相关数据对3个方案进行比较结果可知，不同闸底板高程对水闸泄流能力影响不大，闸上水头壅高值均在规范允许范围内。根据水闸调度原则，采用水力计算方法确定消能方式，当闸底板在高程5.5m，下游消能效果开始变差，需要消力池降低30cm以满足消能要求，伴随底板不断抬高，闸室部分工程量不断减少，但下游消能部分和水闸基础的处理不断加大，其中以闸底板在高程5.0m工程直接投资最小，经综合考虑，本阶段拟定重建闸室底板高程为5.00m，基本与上下游河床持平，且略低于旧闸底板高程，有利于增大水闸的过流能力，减少工程投资。

（4）水闸总净宽

根据地形、地质钻探资料，该水闸闸址河道宽49.50m，下游河床为中、粗砂层，按照《水闸设计规范》（SL265-2001）有关内容，水闸总宽度按以下3个因素控制。

（1）过闸水位差0.1～0.3m。

（2）过闸单宽流量10m3/s•m～15m3/s•m。

（3）与河道总宽度的比值不小于0.85。

闸孔总净宽按《水闸设计规范》（SL265-2001）推荐公式（A.0.2-1）计算。

根据以上公式计算并考虑水闸总宽度控制的3个因素，该水闸过闸水位差0.30m时，闸室总净宽40m，闸室总宽度48.50m（与河道宽度比值0.98），最大泄流量为671.40m3/s，校核洪水时下游海漫出口处单宽流量13.84m3/s，符合规范要求，综上所述本阶段水闸总净宽选定为40m。

（5）单孔净宽选择

闸孔的孔口尺寸与工程地基条件、运用要求、闸门结构型式、启闭机容量等因素相关，对于总净宽为40m的水闸，单孔净宽一般为6～12m。在总净宽一定的条件下，孔口尺寸过小，增大了闸墩数量，从而加大了工程量。若孔口尺寸过大，虽可减小闸墩数量，但增大了上部桥梁、启闭机房及闸门等的跨度，尤其增大了底板跨度，为保证闸室有足够的刚度和强度，闸室各部分的结构尺寸亦需相应增大；而且根据《水闸设计规范》第4.2.7条的要求：闸孔孔数少于8孔时，宜采用单数孔。该工程试用了几种不同的单孔净宽对闸室结构、工程量和工程投资进行比较，发现当孔口尺寸采用8m时，闸室底板及各部分结构尺寸适中、工程量最省、总投资最少，经综合考虑本阶段拟定孔口宽度为8m，闸孔数为5个。

（6）水闸过流能力复核

（1）计算公式

该水闸泄流能力计算采用《水闸设计规范》附录A的有关公式进行计算。计算采用水力学堰流计算公式：

3.结束语

综上所述，水库水闸基本尺寸的确定是影响水利工程建设规模及经济效益的重要因素。在设计工作中，需结合工程特点，选择一个满足泄流、满足防洪标准同时经济指标又合理的基本尺寸，从而确保水利工程整体效益的发挥。

参考文献：

[1]冯庆刚节制闸闸孔总净宽的计算与研究[J].水利科技与经济.2012年第04期.

[2]程芳浅析水闸的类型及特点[J].科技致富向导.2010年第35期.