李阳河渠道倒虹吸退水、排冰闸设计要点

赵 磊

李阳河渠道倒虹吸南水北调中线工程内丘县城西约1.0km的李阳河西支、北支交汇处，是南水北调中线工程总干渠大型河渠交叉建筑物。根据工程总体设计要求，总干渠在李阳河渠道倒虹吸上游设退水、排冰闸。其中，退水闸设计流量要求满足过渠道设计流量的50%，排冰闸满足冬季排冰需要。南水北调中线总干渠为Ⅰ等工程，退水、排冰闸的引渠、闸室、消力池等均按1级建筑物设计，主要建筑物防洪标准按100年一遇设计，300年一遇校核。

1. 建筑物位置确定和结构型式选择

1.1 建筑物位置确定

闸址处李阳河基本呈东西走向，地势西高东低，水流自西向东。根据交叉断面处李阳河流向，为利于退水运用和工程管理，并考虑渠道倒虹吸的安全，退水闸布置于靠近倒虹吸进口的总干渠右岸，与倒虹吸共同组成枢纽。退水闸与倒虹吸进口的距离，根据退水渠道对主体建筑物的影响及退水河道地形、地质条件等因素确定。排冰闸确定原则基本同退水闸，为利于管理、减小投资和节省占地，排冰闸与退水闸相邻紧凑设计。最终确定退水闸中心线与总干渠中心线交叉点距离倒虹吸进口约155m。

1.2 建筑物结构型式选择

考虑退水、排冰闸的退水和排冰要求，选定3种布置方案：一是上下布置，上部布置舌瓣门，通过控制舌瓣门的开度排冰，下部通过短洞退水，闸孔净宽6m，闸底板长 18m；二是左右整体布置，顺水流方向右侧布置退水闸，左侧排冰闸，退水闸孔净宽5m，排冰闸净宽6m；三是左右分离布置，退水闸和排冰闸各设独立底板，并根据各自的需要布置。通过计算和技术经济比较，考虑安全因素，最终采用第3种方案。

2. 建筑物结构布置

根据李阳河的退水条件，退水闸中心线与总干渠中心线夹角取35°。退水闸布置于倒虹吸进口渐变段上游端右岸，包括进口段、闸室段、消能防冲段和退水渠。进口段布置于总干渠内边坡上，与排冰闸共用，底板高程与总干渠渠底高程相同，均为76.945m，闸前以圆弧形翼墙与总干渠衔接。闸室为单孔无底坎开敞式布置，净宽5m；闸室为整体式钢筋混凝土结构，顺水流方向长15m；闸室设两道钢闸门，为检修闸门和工作闸门，均采用平面滚轮闸门，启闭设备均为固定式卷扬启闭机。闸后设1:5陡坡与消力池连接，消力池长30m，深2.5m，其后为退水渠。退水闸闸底板与下游河底高差较大，使得消力池斜坡段和水平段岸墙均较高，为减少土方开挖和节省混凝土用量，消力池段采用钢筋混凝土“U”型槽结构。

排冰闸布置于退水闸左侧，与退水闸并列布置。闸室为开敞式布置，净宽6m，整体式钢筋混凝土结构，顺水流方向长15m；闸室底板高程为 81.945m，闸前以圆弧形翼墙和倒虹吸进口渐变段衔接，闸后设1:5陡坡，出口汇入退水闸消力池。闸室设检修门和工作闸门，均采用平面滚轮闸门，启闭设备均为螺杆式启闭机。

为有效减小冬季浮冰对总干渠输水的不利影响，在渠道倒虹吸进口渐变段上游布设了拦冰索。拦冰索可拦住上游大块流冰防止冰块进入检修闸闸室及倒虹吸，在气温及边界条件合适时拦住表面流冰，协助渠道生成动力冰盖，为渠道冰盖输水创造条件，当流冰量过大需要进行排冰时，拦冰索可以起到导冰作用，将冰导向排冰闸。

3. 水力设计

3.1 退水闸

退水闸的作用为事故退水，泄流量按闸址总干渠设计流量的50%考虑。闸址总干渠设计流量220m3/s，退水闸按Q=110m3/s的泄流量设计。经计算，单孔闸孔净宽B＝5m，设计水位82.945m时，退水闸过流量为113.7m3/s，满足总干渠退水要求。

退水闸闸室处在挖方段，闸底板高程76.945m，退水渠出口河底高程71.50m，闸底板与河底高差5.445m，采用1:5斜坡与下游退水渠道连接。退水闸下游消能防冲设计按上游设计水位82.945m，下游无水，闸门逐级开启为控制条件，闸门开度以0.5m为一级。计算消力池的深度和淹没度时，下游正常水深按上一级闸门开度泄量的相应下游水深确定。根据计算结果，布置消力池深2.5m，水平段池长30m；其后为钢筋混凝土和浆砌石海漫，长度分别为10m和20m；末端设高镀锌钢丝石笼护底。

3.2 排冰闸

排冰闸闸孔尺寸主要根据流冰的平面尺寸和厚度确定。根据经验，排冰溢流水深按最大冰厚的5倍考虑，闸孔宽度按最大冰块平面尺寸的6倍考虑。结冰厚度按规范公式计算为0.2m。参照附近水库冰厚资料，本工程冰厚取0.2m。

冰的单块平面尺寸与冰厚及冰的强度有关，而冰的强度与温度及状态有关，参照附近南运河和卫运河的运行经验及观测资料，流冰平面尺寸在1m左右，本工程流冰平面尺寸取1m。

由此确定排冰闸闸室净宽为6m，闸底板高程较设计水位低1m为81.945m，对应此运行条件，排冰闸下泄流量为13m3/s。

4. 结语

目前，李阳河渠道倒虹吸退水、排冰闸已投入使用，运行良好。本工程根据总干渠与李阳河交叉断面的地形、地质等条件，结合渠道倒虹吸的布置情况，总结了退水、排冰闸的位置、结构布置和型式的确定，闸室宽度、进口底高程、消能工确定的原则和方法，以及拦冰索的选择，可供类似工程借鉴。