邬 创

(萍乡市水利水电勘察设计院，江西 萍乡 337000)

1 工程背景

某新建水闸位于上栗县上栗镇新建村，距离上栗县政府大约2.5 km，是栗水河上一座中型枢纽工程，该枢纽工程建成于1983年。新建闸主要用于灌溉，设计灌溉面积达到100 hm2，由于当前翻板闸门无法翻动，闸门顶部高程满足不了原设计高程标准，导致实际灌溉面积不足20 hm2，新建水闸如若出现险情，将会对下游100 hm2良田灌溉、上栗城区9万余居民生命财产安全带来不利影响。由此可见，新建水闸的除险加固工程设计非常关键。

2 问题分析

在闸址上游河道之内，经常有许多杂物、枯树漂入，泄洪闸设计主要以水力自控翻板闸门为主，翻板闸门经常由于杂物、枯树卡塞，使其难以自动开启与关闭，一般需运用人工辅助方式开户与关闭，不仅会威胁运作管理工作者的生命安全，还会影响正常泄洪。水力自控翻板混凝土闸门铰座防锈涂层已经大片脱落，出现麻面，局部存在比较深的锈坑，铰座被锈死，闸门止水也存在老化、变形等情况。

3 水闸除险加固工程设计分析

3.1 工程概述

新建水闸属于一座以灌溉为目的的中型水闸，设计灌溉面积为100 hm2。此工程建筑物以“一”字形布置，水闸由9扇翻板闸门构成，每扇闸门净宽度为5.00 m，闸门高度1.60 m，闸顶高程为84.45 m，闸底高程为82.85 m，闸门以下以混凝土底板为主，底板顶高程保持82.85 m，河床高程保持81.65 m，水闸无消力池。水力自控翻板闸门两侧均设置边墩，其中，右岸长度为1.20 m，左岸长度为3.20 m。

灌溉渠道分布于河流左岸，相距水闸轴线10 m左右，灌溉渠道进口为涵洞，涵洞属于城门型断面，过流宽度为1.80 m，底板高程为83.55 m，涵洞长为5.00 m，没有控制水闸。

3.2 工程设计方案对比

在新建水闸除险加固工程设计阶段，进行工程整体方案设计，出于对水闸上下游防洪影响、防汛、运作管控、投资情况的考量，为了明确新建水闸工程的设计方案，拟定两个方案进行对比分析。

3.2.1 水力自动翻板闸挡水方案设计

在原水力自动翻板闸与溢流坝段范围之内，进行水力翻板闸挡水设计，翻板闸闸底高程保持85.80 m，闸顶高程为88.50 m，水力自控翻板闸共有9扇，每扇闸门宽度为5.30m，高度为2.40 m，每扇闸门均设置2个支墩、2个防护墩，全部采用C25钢筋混凝土结构。同时，每扇闸门都配置一套液压设备，闸门之间设立止水。闸室段宽为5.30 m。闸室段左右两侧设置两个边墩，宽度为1.10 m，进口段采用弧形连接，边墩设立φ200通气孔。通过合理计算可知，此工程50年一遇校核洪水为 683 m3/s，校核水位达到86.45 m，下游水位为86.17 m；20年一遇设计供水为505 m3/s，设计水位保持85.67 m，下游水位为85.39 m。

3.2.2 平板钢闸门水闸方案设计

主要建筑物以“一”字形进行设计，泄洪闸为开敞式水闸，共7孔，每孔净宽度为6.00 m，中墩厚度为1.20 m，缝墩厚度为0.99 m，边墩厚为1.50 m，闸室总宽度为53.00 m，顺水流方向长度达到10.00 m，闸室基础高程保持81.65 m，闸顶高程为87.71 m。工作闸门运用平板钢闸门垂直启闭模式。

灌溉渠道进口为灌溉涵洞，与灌溉渠道相连。涵洞进口没有控制设施，此次设计方案新建灌溉闸，灌溉闸处于河流左岸，相距泄洪闸10 m左右。灌溉闸净宽度为1.20 m，边墩厚度为0.80 m，闸室总宽度为2.80 m，长度为7.00 m，闸室基础高程保持83.55 m，闸顶高程为87.31 m。工作闸门运用平板钢闸门垂直启闭模式，闸门顶部高程为84.45 m，启闭机排架顶高程为92.01 m，闸门前浸拦污栅，孔口宽度为1.20 m，拦污栅属于平面滑动钢拦污栅，拦污栅高度为3.41 m，拦污栅重度约为1.0 t，埋件重度为1.8 t，启闭设备使用电动葫芦(型号：CD-5-9D)。灌溉与灌溉涵洞相连，涵洞采用C25混凝土衬砌。底板厚度为0.3 m，侧墙厚度为0.3 m，断面保持原断面，属于城门型断面，规格为1.2 m×1.5 m。

3.2.3 方案对比

依照两种不同方案的设计，通过计算，每种方案的工程量、投资、优缺点对比如表1所示。

表1 方案对比情况

上述方案都能有效解决此水闸出现的实际问题，其闸门启闭模式、闸门方式是主要的差异，两种方案在工程施工条件、施工难易度、工程除险加固后的安全效果、工程运作管控模式、工程投资等方面有明显不同，进一步分析发现，方案二泄洪闸，相比于方案一堰顶高程比较低，使行洪断面明显加大，能够保障行洪的安全性。基于淹没的层面，方案二能够缩小上游洪水的淹没范围，从而缓解上游的防洪压力。基于工程管理实施的层面，方案一翻板闸门受许多不安全因素影响，翻板闸门在行洪过程中，容易卡壳，且当垃圾过流时，会使翻板闸门难以翻转启闭。方案二平面钢闸门工程管理实施较为简单，维修难度比较低，能够有效控制施工质量。与方案一相比，方案二主体工程投资比较大，但形成的经济效益、社会效益优势明显。所以，通过全面考量，把方案二作为本次工程设计的主要模式。

4 灌溉闸设计计算

4.1 过闸流量复核

依照安全评价报告，灌溉闸工程设计灌溉面积为100 hm2，灌溉闸设计所需最大引用流量为0.2 m3/s。此工程进水闸底板83.55 m，闸室净宽1.2 m，进口闸后接灌溉涵洞，涵洞长5 m，坡降为1∶2000。灌溉闸的泄量按堰流的进水量计算[1]，即式(1)～式(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Q为过闸流量，m3/s；σ为堰流淹没系数；ξ为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数；B0为闸孔总净宽，m；H0为计入行近流速水头的堰上水深，m；ξz为中闸孔侧收缩系数；N为闸孔数，个；ξb为边闸孔侧收缩系数；b0为闸孔净宽，m；bs为上游河道一半水深处的宽度，m；hs为由堰顶算起的下游水深，m。通过计算得出Q=1.57 m3/s，此结果满足下游灌溉引用流量0.20 m3/s的要求。

4.2 灌溉闸闸室结构安全设计

4.2.1 计算条件

灌溉闸为3级建筑物，闸基与基岩接触，取整个灌溉闸进行计算。计算方法和计算公式与泄水闸相同。

4.2.2 计算工况

根据本工程实际情况，闸室基底抗滑稳定应力计算工况如下：(1)计算工况Ⅰ：正常蓄水位情况，按正常蓄水位组合计算自重、水重、静水压力及扬压力。(2)计算工况Ⅱ：设计洪水位情况，按设计洪水位组合计算自重、水重、静水压力及扬压力。(3)计算工况Ⅲ：校核洪水位情况，按校核洪水位组合计算自重、水重、静水压力及扬压力.以上荷载按《水闸设计规范》(SL 265—2016)规定进行组合[2]。结合工程特点，选取以下计算工况，即为基本组合为Ⅰ、Ⅱ；特殊组合Ⅲ，灌溉闸稳定安全计算结果见表2。

表2 灌溉闸稳定安全计算成果

观察表2计算结果可知，水闸在基本组合、特殊组合时的抗滑及地基应力均满足规范要求。

4.2.3 灌溉涵洞设计计算

涵洞过流能力计算参照《涵洞》，流态判别h/d<1.2 d，为无压流，如式(5)：

Q=AC(Ri)1/2

(5)

式中：Q为流量，m3/s；A为过水断面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；i为涵管底坡。经过计算涵洞Q=0.72 m3/s>0.20 m3/s，过流能力满足灌溉要求。

5 经济分析

新建水闸除险加固工程的经济性评价主要根据《水利建设项目经济评价规范》(SL 72—2013)标准进行，结合此水闸除险加固工程的具体情况。新建水闸除险加固工程总投资为1475.47万元，年运行费用主要以工资、福利费、材料费、燃料费、动力费、维护费、其他费用为主，根据当地相似工程的年运行费用，将固定资产的2.0%作为计算标准，其增量年运行费用为29.51万元[3-4]。

6 结 语

在排洪挡水方面，水闸发挥着显著作用，通过进行水闸除险加固工程设计，能够提高自身的抗御风暴洪水侵袭能力，有助于带动区域经济快速发展。通过分析本工程实例，加强水闸除险加固工程的设计研究，能够取得良好的社会效益、环境效益与经济效益，为促进经济发展、水利建设奠定良好基础。