坎下湖电排站重建工程自排水闸建筑物设计及分析

钟诗鹏

（潮州市潮水水利水电勘测设计有限公司，广东 潮州 521000）

根据《水利水电等级划分及防洪标准》（SL252-2017）、《泵站设计规范》（GB50265-2010）、《堤防工程设计规范》（GB502086-2013）、《广东省防洪（潮）标准和治涝标准》等规范规定的要求，并结合可研阶段的批复意见。坎下湖电排站的工程规模确定为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级、次要建筑物为4级、临时建筑物为5级；泵站及自排水闸等主要建筑物级别为3级；泵站建筑物设计防洪标准为30年一遇，校核洪水标准为100年一遇。但随着城市化进程的不断加快，对坎下湖电排站的防洪排涝要求也越来越高，对其进行必要的重建改造已成为当务之急。

1 工程选址及选线

原坎下湖电排站位于韩江北溪秋西防洪堤桩号5+100处，距潮州市区约16 km，是坎下湖涝区的重要排涝设施之一，是整个涝区排涝工程的关键所在。电排站历经三十多年运行，工程存在严重的安全隐患，机电设备和水工设施也因全面瘫痪而报废，严重影响着当地人民群众的生活和工农业生产。为满足涝区的排涝要求，改善涝区人民群众的生活环境和生产条件，保护人民群众生命财产安全，拟对电排站进行重建。

根据涝区地势及现有排水渠系等布置情况，本次重建工程拟计划将坎下湖电排站的自排水闸和电排站分开建设，统一调度。即将原电排站拆除后，就地重建一座电排站，在靠电排站左侧重建一座自排水闸，电排站厂房横向布置和自排水闸平行，电排站为侧向进水，其进水口沿河道岸边布置。

2 自排水闸建筑物设计

原自排水闸位于原电排站底部，共4孔，单孔净宽3 m，总净宽12 m，本次拟将原自排水闸拆除后，在靠泵房左侧，原泵房自排涵位置重建自排水闸，水闸布置采用正向进水，正向出水。

2.1 闸孔形式确定

闸孔形式采用宽顶堰型底板，考虑本水闸具有挡洪功能，且设计外江洪水位8.33 m（P=2%），为使闸门不致过高，在不影响泄流的前提下，在闸上设置胸墙。

闸址处河床面宽约30 m，根据河道面宽按构造设计初选闸孔总净宽为15 m，闸室总宽度为19.4 m，水闸闸室宽度占河道宽度比为0.65，基本满足水闸设计规范要求水闸闸室宽度占河道宽度0.6～0.75的一般要求。同时考虑到该水闸孔数不宜设置太多，根据规范要求水闸孔数少于8孔时，宜去单数孔，经综合考虑，本次该自排水闸取闸孔总数为3孔，单孔净宽5 m，闸身总长度（垂直水流）18.4 m[1]。

根据该自排水闸的运行工况，在围内外水位均低于2.35 m时的日常运行工况时，水闸处于开启状态，为保证水闸日常运行时，防止水闸上游的漂浮物在水闸上游淤积，兼顾使闸门不致过高，本次设计取胸墙底部高程为3.95 m，高出设计起排水位（2.35 m）1.6 m，可以满足闸门板的基本高宽比构造要求和水闸上游不至淤积的要求。

2.2 自排水闸自排能力计算

在水力计算中可采用闸孔的过流公式来计算其过流能力。因此，在调节计算过程中可能出现堰流和孔流两种流态。

（1）孔流和堰流的判别

e/H≤0.65为孔流；e/H＞0.65为堰流。对于本次设计的自排水闸，根据其运行工况，当外江水位高于或等于2.35 m时，自排水闸关闸并开机排水。此时为自排水闸为抢排，抢排时考虑到水闸关闭的需要一定的时间，本次设计按水闸上下游最大水头差0.1 m的过流能力作为自排水闸的最大抢排流量，此时的抢排流量为自排水闸的设计工况下的最大过流能力。

自排水闸过流能力e/H远大于0.65，按堰流公式进行计算。

（2）过流能力计算公式

根据闸的形式，采用宽顶堰过流公式计算流量。

堰流计算公式：

式中：B0为闸孔总净宽，m；Q为过闸流量，m3/s；H0为计入行进流速水头的堰上水深，m；g为重力加速度，可采用9.81，m/s2；m为堰流流量系数，可采用0.385；ε为堰流侧收缩系数（按公式求得）；σ为堰流淹没系数（按公式求得）。

式中：b0为闸孔净宽，m；dz为中闸墩厚度，m；bb为边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离，m；N为闸孔数。经计算得ε=0.955。

式中：hs为由堰顶算起得下游水深，m；H0为计入行近流速水头的堰上水深，m。

经计算得，自排水闸最大过流能力为Q=56.43 m3/s，大于电排站设计自排计算流量14.69 m3/s，而且改建的自排水闸由原来的涵洞出流改为自由开敞出流，电排站自排水闸重建后，自排能力有较大提高。

（3）闸底高程的确定

自排水闸处上下游渠道底高程经实测约为0.25 m，为了使闸身不致太高，同时防止闸底淤积，将闸底板高程适当提高。闸底高程的确定，在满足泄流条件的情况下，将闸底高程定为0.45 m。

2.3 自排水闸处堤顶高程确定

挡水时的堤顶高程（该处堤围为30年一遇防洪设计，本自排水闸提高一个等级，按50年一遇防洪设计），挡洪时（P=2%，水位 8.33 m），吹程 D=100 m，风速 V=18 m/s，水深 7.89 m，根据《水闸设计规范》的波浪公式计算得自排水闸处堤顶高程d=8.85 m；排涝时的涵闸顶高程：围内最高运行水位4.52 m；涵闸顶高程d=4.95 m[2]。

由以上计算可知，在各种条件下，所需最大自排水闸处堤顶高程为8.85 m，设计取自排水闸处堤顶高程为8.90 m，满足要求。

3 自排水闸消能防冲及稳定性分析

3.1 自排水闸消能防冲设计及分析

根据泵站的自排水闸的运行工况，其闸门开关时其上下游水位基本相同，所以，但考虑到水闸操作的存在一些不确定因素，本自排水闸的消能设施仍按构造要求进行布置消能防冲设施。在自排水闸的下游布置消力池及海漫、防冲槽，消力池长5.5 m，宽18 m～19 m，海漫长4.5 m，宽约22.2 m，下接堆石防冲槽。自排水闸的上游布置长10 m钢筋砼铺盖，坡度为1∶20；为防止自排水闸挡洪时出现反向渗透破坏，在钢筋砼铺盖上游设10 m长二级反滤压重层，从下层至上层依次为中、粗砂垫层厚150 mm、碎石垫层厚150 mm、干砌石厚300 mm。在消力池底板下铺设二级反滤层，中粗砂厚150 mm，碎石厚150 mm，消力池底板设4排排水孔，排水孔为φ50硬塑管，梅花型布置，间距2000 mm×2000 mm。

根据自排水闸的工作特性，可不必设置消力池，但考虑到自排水闸运行过程中操作的不规范性，仍在闸后按构造要求设一消力池，池长5.5 m，池深0.5 m，尾坎高0.5 m。消力池后设海漫，长4.5 m，海漫尾端布置防冲槽。

3.2 稳定及结构计算及分析

自排水闸稳定计算选用能够反映自排水闸各种运行条件的四种荷载组合，其中基本组合两种，特殊组合两种，对自排水闸稳定进行分析。

墙后回填粘土，闸底板和地基摩擦系数取f=0.35(地基为粉质粘土，考虑桩基础的影响)。公路桥为四级公路，汽车荷载等级为公路—Ⅱ级标准。地基允许承载力，工程主要建筑物基础置于地质勘察中的第3层（粉质粘土层），该层综合分析承载力特征值为70 kPa。

经分析，各种工况下，自排水闸抗滑稳定满足要求，自排水闸基底应力P均大于[R]，最大基底应力大于1.2[R]，自排水闸基底应力最大值与最小值之比小于允许值。因此，本自排水闸地基应力不满足要求，需进行地基处理。

4 结论

（1）经分析计算，本次重建工程拟计划将坎下湖电排站的自排水闸和电排站分开建设，统一调度。重建水闸闸孔形式采用宽顶堰型底板，闸孔总数为3孔，单孔净宽5 m，闸身总长度（垂直水流）18.4 m。自排水闸最大过流能力为Q=56.43 m3/s，考虑本水闸具有挡洪功能，在不影响泄流的前提下，在闸上设置胸墙。在各种条件下，所需最大自排水闸处堤顶高程为8.85 m，设计取自排水闸处堤顶高程为8.90 m。

（2）根据自排水闸的工作特性，可不必设置消力池，但考虑到自排水闸运行过程中操作的不规范性，仍在闸后按构造要求设一消力池，海漫尾端布置防冲槽；考虑各种工况，自排水闸抗滑稳定满足要求，但水闸地基应力不满足要求，需进行地基处理。