袁克光

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

基于张当堡排水闸消能设计综述

袁克光

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

为了适应浑河大堤扩建工程的要求，在原涵洞处，即张当堡地区重建一座排水闸。在洪水期，当流量大于2 000 m3/s，水流有可能通过排水闸排出。排水闸用来排除内河或低洼地区对农作物有害的渍水，当外河水位上涨时，可以关闸，防止外水倒灌。当洼地有蓄水、灌溉要求时，可以关门蓄水或从江河引水具有双向挡水，有时还有双向过流的特点。排水闸根据水工建筑物设计要求和设计原理进行设计。闸门设计成整体式平板单孔闸门。同时考虑到水流特征，在涵洞出口即闸后设挖深式消力池，后半部分设置排水孔。消力池与涵洞间设跌水。为满足与下游河道水流情况相同并且减少对河岸的冲刷要求,在消力池后铺设海漫，海漫后设置齿墙。

水闸；消力池；海漫；翼墙；护坡

张当堡排水闸位于沈阳市苏家屯区王纲公社张当堡村，浑河左堤,原工程于1958建成，多年来担负着王纲乡金大台，杨孟达，张当堡，大淑乡西淑村，胡家店等约22 km2的洪涝积水任务，即浑沙灌区内，六分干及六五引支，前谟南部老铁路路基与该段浑河大堤所围成的狭长地区。其中耕地二万余亩。原工程为砖石混合结构，单孔涵洞。现浑河大堤扩建，原工程已经不能满足要求，因此，本着经济安全的原则，将在原涵洞位置上进行重建。

1 排水闸消能设计

1.1 消力池设计

涵洞出口消能水利设计的主要内容为：在已知总水头T。、出口单宽流量q及下游水位流量关系的条件下，计算、分析水流的衔接形式，判断是否要求采取消能措施，以及确定消能设施的结构型式与尺寸。

涵洞出口消能，多采用底流消能，所谓底流消能，就是采取一定的工程措施，是水流在涵洞出口处产生水跃，利用水跃消能。底流消能主要有挖深式消力池、消力墙和综合式消力池3种型式[1]。

1.1.1 水跃计算

确定下游水深ht，求下游水深采用试算法。

先假设一水深h,根据m,b求出相应的流量Q，若Q与设计流量10.34 m3/s一致，则h=ht否则，重新假设h，重新计算直至h=ht，Q=10.34 m3/s，此时，即为求得ht=1.28 m。

下游收缩断面水深hc=q/φ[2g(T0-hc1)]1/2=0.65 m。取hc1=0.8m；hc=0.717m；Hc2=0.73m；hc=0.717m；Hc3=0.72m；hc=0.72m。取hc=Hc3=0.72 m。

(1)

可知为远离式水跃,必须修建消力池，使其成为稍有淹没的水跃。

1.1.2 水跃长度计算

水跃长度指跃前断面与跃后断面间的距离。计算跃长的公式很多，但多属于经验公式。常用的公式有：

按跃前断面佛汝德数Fr1大小，用不同公式计算Lj：

当1.7

当9.0

在本工程设计中我国采用欧勒佛托斯基公式计算得出：Lj=12.97m。

1.1.3 消力池深d的计算

挖深式消力池，是在涵洞出口要求发生水跃的范围内，以挖深渠底的办法局部加大下游水深，促成淹没水跃消能。挖深式消力池水利设计的主要任务是确定池深值S和消力池长度LB。

按构造要求，消力池最小深度取0.5 m。

取消力池池长为10 m。

1.1.4 消力池的布置要求

消力池底板由于要承受水流、脉动压力和底部扬压力的作用，故有一定的重量、强度和抗冲耐磨能力。材料一般选用C15～C20的混凝土做成，并配置纵向Φ10～12 mm的温度钢筋，间距20～30 cm或按0.1%、0.2%的含钢率配置构造筋。大型水闸消力池底板的顶、底面均需配筋，中、小型水闸可只在顶面配筋[2]。

为了减小渗透压力的影响，按防渗设计要求，在底板上布设排水孔，孔径一般5～25 cm，间距为1.0～3.0 m，呈梅花布置在消力池后部，并设反滤层。一般不要设在护坦前端，以防高速水流造成局部负压，将孔下地基土壤吸出，导致护坦失事。本工程在消力池的后半部分设置了8个排水孔，孔径为25 cm，间距为1 m。

为适应地基的不均匀沉陷，消力池与闸底板、翼墙、海鳗之间以及消力池本身顺水方向均应分缝，缝距10～20 m，地基差时为8～12 m。垂直方向通常不设缝，以保证其整体性。缝宽2.0～2.5 cm。缝的位置如在闸基防渗范围内，缝中应设止水；否则，不用设止水，但一般都铺设沥青油毛毡。

为增强护坦板的抗滑稳定性，常在消力池末端设置齿墙，齿墙一般为0.8～1.5 m，宽为0.6～0.8 m，消力池末端通常还设尾槛，其作用时壅高池内水位，促使消力池能在下游水深不足时形成水跃，并控制、缩短水跃长度，将出流挑向水面，调整出池水流的流速分布，促进出池水流的扩散作用，以减少下游河床的冲刷[3]。

2 海漫设计

2.1 海漫长度计算

海漫长度可按下式估算：

L=(10～12.5)ht

(2)

2.2 海漫段防冲砌块体尺寸的计算

海漫防冲砌护块体的几何尺寸，随材料类型及施工方法的不同而有所区别。工程中常用的干砌石海漫，可按公式(3)做估算块石直径。

d=0.06vmax

(3)

本工程采用干砌块石结构，按公式d=0.06v2max计算块石直径：

A=(b+mh)h=10.14m2

d=0.16m<30cm。

因为本工程计算块石粒径小于常规要求的粒径，按规范要求进行铺砌，海漫由30 cm粒径块石铺砌。查《水力学》得砂壤土流速v0=5.0 m/s。

2.3 海漫末端的水深控制

海漫末端水深ht1可根据渠(河)床上土质的最大流速来控制。

ht1=q/v0

(4)

式中：ht1为海漫末端(防冲槽)上水深，m；q为海漫末端的单宽流量，m3/s；v0为渠(河)床土质容许流速，m/s。

计算出来的ht1值应接近于下游水深ht：若ht1ht，则偏于不安全；海漫设计中应控制其末端水深ht1小于下游水深。

具体计算过程如下：

L=(10～12.5)ht=(10～12.5)×1.28=12.8～16 m，取海漫长度L=15 m。

则：海漫末端控制水深为：

ht1=q/v0=0.34 m

上列计算结果说明本工程海漫末端的实际流速小于容许流速，则偏于安全。

2.4 海漫的布置要求

一般在海漫起始段做5～10 m长的水平段，其顶面高程可与护坦齐平或在消力池尾坎顶以下约0.5 m，水平段后做成不陡于1∶10的斜坡，以使水流均匀扩散，调整流速分布，保护河床不受冲刷。

对海漫的要求有：①表面有一定的粗糙度，以利进一步消除余能；②具有一定的透水性，以便使渗水自由排出，降低扬压力；③具有一定的柔性，以适应下游河床可能的冲刷变形。

本工程中，采用了长15 m的干砌石海漫，底面设置反滤层，末端设置高1.5 m的齿墙。

3 防冲槽设计

水流经过海漫后，尽管多余的能量得到了进一步的消除，流速分布接近河床水流的正常状态，但在海漫后末端仍有冲刷现象。为保证安全和节省工程量，常在海漫末端设置防冲槽[4]。

在海漫末端预留足够的块径>30 m的石块，当水流冲刷河床，冲刷坑向预计的深度逐渐发展时，预留在海漫末端的石块将沿冲刷坑的斜坡陆续滚下，散铺在冲刷坑的上游斜坡上，自动形成护面，使冲刷不致再向上游侧扩展。

3.1 冲刷坑深度计算

因为计算出来的冲刷坑深度为负值，所以本排水闸不需要设置防冲槽。

参照已建水闸工程的实践经验，防冲槽大多采用宽浅式的，其深度t″一般取1.5 m，底宽b取3 m，上游坡率m1=2.5，下游坡率m2=1.8。

3.2 防冲槽断面面积计算

防冲槽断面面积大小，取决于冲刷坑形成以后冲坑上游坡的平均坡度及堆石自槽内向坑底塌滑时块石铺盖的厚度。根据有关试验研究资料，冲刷上游平均坡度为1∶3～1∶6，下游平均坡度为1∶10或更缓。防冲槽断面面积可按公式计算：

(5)

式中：ω为防冲槽断面面积，m2；hd为冲刷坑深度，m；m为滑落的堆石形成的护面坡率，可取m=3～6；δ为堆石形成的护面厚度，m，可以取δ=0.3～0.5(m)。

4 翼墙与护坡

在与翼墙连接的一段河道，由于水流流速较大和回流漩涡，需要加做护坡。护坡在靠近翼墙处常做成浆砌石后接干砌石，保护范围稍长于海漫，包括预计冲刷坑的侧破。干砌石护坡每隔6～10 m设置混凝土埂或浆砌石一道，其断面尺寸约为30 cm×60 cm，在护坡的坡脚以及护坡与河岸土坡交接处应做一深0.5 m的齿墙，以防止回流淘刷和保护坡顶。护坡下面需要铺设各厚10 cm的卵石及粗砂垫层。

翼墙通常设于铺盖段，若铺盖上游需设防冲槽，也可以参照海漫末端的防冲槽进行布置。

[1]蔡正昆,管枫年,洪仁济.涵洞[M].北京：水利水电出版社,1983：69-74.

[2]洪仁济.清华大学水利学教研组.水利学上下册[M].北京：中国水利水电出版社,1980：56-60.

[3]补庆和.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社,1996：20-23.

[4]蔡正昆,管枫年,洪仁济.闸门与起闭机[M].北京：中国水利水电出版社,1983：79-82.

1007-7596(2014)12-0140-03

2014-04-29

袁克光(1982-)，男，满族，辽宁本溪人，工程师。

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