崔洋

（北京市密云水库管理处，北京 101512）

0 引言

目前灌区的建设与灌溉工作离不开水闸，水闸在水利工程都起到防渗排水与防范水流危险的重要功用，因此做好水闸的设计工作十分重要。 在灌区中，水闸的构成较为复杂，通常包含了防渗漏排水设施、闸室、消能防冲设施等。在进行水闸设计时，要结合项目的具体情况，从水闸的设计要点着手分析，针对性地设计水闸，同时尽可能节约资源，把不同类型的水闸设置于同一个水利枢纽当中。

1 工程概况

项目区干渠和支渠总计长度44.38 km；渠系建筑物总计33座，其中干渠上水闸7座、农桥4座，一支渠上农桥3座，二支渠上农桥4座，三支渠上水闸1座、农桥7座，四支渠上水闸2座、农桥3座，五支渠上农桥2座。

2 项目区地形及气象

2.1 地形

项目区地形平坦开阔，地貌单一，地基土分布有规律，无其他不良地质作用。地势西北高东南低，稍有倾斜，地面高程在57～81 m之间，地面坡降1/2 000～1/40 00。

2.2 气象

项目区属温带季风气候，四季分明温差较大，光照资源丰富。春季降雨较少，夏季雨量集中，秋高气爽长日照，冬季气温低较干。多年平均气温14.30 ℃，极端最高气温40.60 ℃，降雨量多集中在6—8月份，占全年降雨量的56.70%左右，年内最大月与最小月降水量相差悬殊，多年平均以7月份降水量最多，为160 mm；最小月降水量多发生在1月份，多年平均约9.20 mm，多年平均水面蒸发量1 018.80 mm。

1956—2016年县多年平均年降水量667 mm，CV值为0.24，降水总量7.40亿m3。P=20%保证率降雨量为794 mm，P=50%保证率降雨量为654 mm，P=75%保证率降雨量为554 mm，P=95%保证率降雨量为427 mm。见表1。

表1 兰考县分区年降水量特征值表

3 水闸工程设计

3.1 水闸工程

节制闸：为控制渠道水位、调节流量，保证灌溉期用水，在渠首无节制闸或节制闸已损坏的渠道渠首配套节制闸。

分水闸：分水闸主要布置在上级渠道向下级渠道分水处，其作用是控制和调节向下级渠道的配水流量，在渠道上合理设置分水闸。

退水闸：退水闸位于渠道末端、重要渠系建筑物或险工渠段上游，作用是限制排水，控制排水流量，在无退水闸的渠道上配套退水闸，退水闸下设退水沟，为自然排水沟。

新建水闸10座（其中渠首2座，一支渠1座，二支渠1座，三支渠3 座，四支渠1 座，五支渠2 座），重建水闸2 座（三支渠1座，四支渠1座）。

新建水闸的必要性：新建水闸一部分起到从干渠引水，并控制流量的作用，另一部分起到退水的作用。其余拆除重建的老闸均位于原来的位置，灌溉时起到控制流量，轮灌农田作用。节制闸及进水闸闸室结构采用开敞式，上、下游为现浇混凝土重力式墩墙与护坡相结合的联结形式，出口为底流式消能，并设有防冲海漫。现以三干渠渠首0+118处节制闸为例简述其设计过程。

3.2 工程设计

3.2.1 渠道设计

三支渠渠首节制闸位于桩号0+118 处，设计流量Q=4.26 m3/s，设计水头0.10 m。设计渠道底宽：上游2.50 m，下游2 m；渠底比降：1/10 000；边坡：上游1:1.50，下游1:1.50。

3.2.2 建筑物等级

三支渠渠首节制闸设计过闸流量为4.26 m3/s，根据《灌溉与排水工程设计规范》第2.0.6条，此水闸按4级建筑物设计。

3.2.3 闸孔尺寸选定

闸孔宽度。根据该处的河底高程，结合原闸的运行情况和渠道水面线计算，进水闸设计闸底板高程为支渠渠首渠底高程，节制闸底板为所在渠（沟）道渠底高程一致，过闸水位差0.10 m。

水闸上下游水头差较小，过流时处于淹没状态，对平底堰流式水闸，闸孔总净宽由《水闸设计规范》附录A公式（A.0.2）计算。

式中：μ0——淹没堰流的综合流量系数；B0——闸孔总净宽（m）；H0——计入行近流速水头的堰上水深（m）；hs——下游水深（m）。

根据上式进行计算，所需闸孔宽度为1.90 m。拟定节制闸为单孔，闸孔净宽2 m。

3.2.4 消能设计

消力池长度计算如下：

式中：Lsj—消力池长度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影长度，m；β—水跃长度校正系数，采用0.75；Lj—水跃长度，m。

水闸常用的消能方式为底流消能和挑流消能，平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流式消能。此工程均采用深挖式消力池。

3.2.5 防渗设计

初拟防渗长度应满足式

式中：L—闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和（m）；C—允许渗径系数值。由于此工程为含细粒土砂地基，取9；H—上，下游最大水头差（m）。

则，L=9 m×1.70 m=15.30 m

防渗设备尺寸及构造：闸底板顺水流方向长度据闸基土质，系数A 取2.5；L=2.50 m×1.70 m=4.25 m。①经综合考虑上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板长度为7 m。②闸底板厚度取0.80 m。③闸底板齿墙厚度取为0.50 m。④铺盖长度3～5倍上下游水头差；取6 m。⑤上游连接段与铺盖之间也设有止水。

根据以上设计数据，实有长度L=21.41 m ＞CH=15.30 m安全。

3.2.5.1 上游连接段

连接渠长6 m 采用厚0.15 m 的现浇C25 混凝土护坡和厚0.20 m 的混凝土护底；上游铺盖为0.40 m 的现浇C30 混凝土，长6 m，护坡为混凝土结构。

3.2.5.2 闸室段

该段为新建闸室段，闸室开敞式混凝土结构，净宽2 m，1孔。底板为平板式，闸底板长度为7 m，厚度d=0.80 m，C30 钢筋混凝土结构。底板上下游均设置齿槽，齿槽深0.50 m。闸墩为实体式，闸墩长7 m。工作闸门为铸铁闸门，门宽2 m，高2 m，采用QL-8 t螺杆式启闭机。

3.2.5.3 消能防冲段

消力池陡坡连接段，长2.40 m，坡度为1：4，其下设5～20 mm小石子垫层0.20 m 厚，设1～5 mm 砾石垫层0.20 m 厚，设0.50～1 mm粗砂垫层0.20 m厚。消力池段，为深挖式消力池，池长10 m，池深0.60 m，底板厚0.40 m，消力池底部设排水孔，排水孔间距1 m，呈梅花状布置。

防冲槽长度4 m，为现浇0.60 m厚的C30混凝土。

3.2.6 闸室稳定计算

3.2.6.1 计算工况

节制闸1 孔，孔净宽2 m，闸室长度2 m，闸室稳定计算考虑以下两种工况：

①完建工况（竣工期）：闸室上、下游均无水，仅考虑永久荷载及可变作用中的风荷载和人群荷载。②设计工况1（关门挡水）：闸上为设计水位，闸下无水。③设计工况2：上游设计水深1.98 m，下游水深1.84 m。

3.2.6.2 抗滑、抗倾覆稳定计算

3.2.6.2.1 计算参数

根据勘探资料和闸室布置情况，闸基坐落在粉质壤土层上，其地质参数建议值为混凝土与地基摩擦系数f=0.30，C=15 kPa、φ=21°，承载力特征值为120 kPa；墙后回填土料选用中粉质壤土φ=25°，C=0 kPa，饱和容重取19.39 kN/m3，浮容重取10 kN/m3。

3.2.6.2.2 荷载组合

依据规范要求计算荷载组合包括基本荷载组合和特殊荷载组合，稳定计算工况荷载组合见表2。

表2 闸室稳定计算荷载组合表

3.2.6.2.3 闸室抗滑、抗倾稳定计算及闸基应力计算

闸室抗滑稳定计算主要核算闸基面上的抗滑安全系数，采用抗剪强度计算公式：

式中：Kc—抗滑稳定安全系数；f—闸室与闸基接触面抗剪摩擦系数；∑G—作用在闸室上全部竖向荷载；∑P—作用在闸室上全部水平荷载。

3.2.6.3 闸室稳定计算

闸室稳定计算采用三种工况：完建期、闸门正常挡水位1.984 m，闸下无水（工况1）；上游设计水位1.984 m，下游水位1.844 m（工况2）。计算成果见表3。

表3 2闸室稳定计算成果表

闸门启闭设备应根据运用要求、孔口布置、闸孔数、工作级别、启门力大小，并结合经济指标选定，此工程涵闸均为螺杆式启闭机，一机对一门。启门力按下列公式计算：

式中：ηT——摩擦阻力安全系数，可采用1.20；n′G—计算启门力用的闸门自重修正系数，可采用1.00～1.10；G—闸门自重，kN，当有拉杆时应计入拉杆重量；计算闭门力时选用浮重，kN；WS—作用在闸门上的水柱压力，kN；Gj—加重块重量，kN；Px—下吸力，kN；Tzd=f2P—滑动支承摩阻力，kN；TZS=f3PZS—止水摩阻力，kN。

经计算，典型设计中（三支渠渠首节制闸），闸门选用PZM铸铁闸门2.00 m×2.00 m（宽×高），启闭机为单吊点螺杆式，80 kN。

4 结语

在水利工程中，水闸是非常重要的组成部分，水闸设计在整个水利工程项目设计和施工中占据重要地位，因此，需要对水闸设计工作予以高度重视。每个水利工程的水闸建设条件与环境各不相同，对水闸的设计需求也大为迥异，这需要工程设计人员从灌区水闸的建设实际条件与影响因素出发。文章根据项目区概况有针对性对水闸进行设计，就设计中防渗、消能、闸室稳定等问题进行详细分析，为水闸有效地发挥作用提供保障，也为灌区水利工程的建设安全与区域水利危险控制打下坚实的基础。