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结合实例探究水库水闸尺寸设计及计算分析
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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:水库水閘;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。
表1工程特征水位及流量表
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。
表2闸顶超高及闸顶高程计算表
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
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