虎庄河防潮节制闸工程过流能力及稳定性分析

杨 勇

(绥中县水利局，辽宁 葫芦岛 125200)

节制闸工程是河道控制的主要设施，很多节制闸因建设年代久远，已经完全无法发挥应有作用，必须进行必要重建，而其过流能力和结构稳定性是最重要的两个指标。因此，在设计时应充分结合河道及闸门的实际情况，保证设计参数的科学合理性。

1 工程概况

虎庄河流域位于辽宁营口地区西北部，原虎庄河防潮节制闸工程始建于1964年11月。2014年9月，经相关部门鉴定，该闸门过水能力不足，主要建筑物和结构严重老化及损坏，现已无法使用，综合评价为Ⅳ类闸，故对其拆除重建。根据防洪规划，虎庄河防潮拦河闸最大过闸流量设计为477 m3/s，河闸工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。设计标准30年一遇，校核标准100年一遇，设计潮水标准100年一遇。

2 潮位计算

2.1 潮位资料

虎庄河位于大辽河水系，为感潮河段，主要受潮水控制。工程所在地区有营口和四道沟两个国家级潮位站，其中营口站潮位资料较完整，涵盖1955-2013年共58年资料，主要据此来确定设计潮位。见表1。

表1 营口站潮位特征值表

2.2 设计潮位计算

根据营口站58年潮位资料，按“皮尔逊Ⅲ型分布曲线”进行频率分析计算，公式如下：

(1)

(2)

式中：hp为对应于年频率P的潮位值；Kp为不同频率P对应的模比系数；CV为离差系数；n为年数。

根据公式计算出营口站在CV=0.05，CS/CV=1.0、2、2.5共3种情况下的最高潮位理论频率曲线(CS为偏度系数)，其中在CS/CV=1.0情况下经验频率点与理论频率曲线适线良好，由此可以推出营口站设计高潮位频率分析成果，见表2[1]。

表2 营口潮位站年最高潮位频率分析成果表(CS/CV=1.0)

3 闸门过流能力计算

3.1 应承担的过流能力计算

本次水闸过流能力验算主要对上游河道的承泄能力进行分析，最大泄流能力取20年一遇洪水和满槽水位时当过流量的较小者。

3.1.1 20年一遇洪水当过流量计算

在20年一遇洪水时，虎庄河闸泄水能力Q按照“半有压流涵洞”计算，计算公式如下[2]：

(3)

式中：m为流量系数，取0.36；A为断面面积，m2；H0为计入行进流速水头在内的进口水深，取值5.85 m；i为主河道平均坡度，(°)；L为主河道长度，m；β为修正系数，取0.72；D为涵洞高度，m。

经计算可知，当过流量Q=523.36 m3/s。

3.1.2 满槽水位当过流量计算

本项目满槽水位当过流量按照“10年一遇设计洪水位与波浪爬高、风壅高度、安全超高”之和计算。计算参照《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)附录C的有关公式，5级堤防安全超高取0.5 m。经计算，波浪爬高与风壅高度之和0.30 m，堤顶高程为4.22 m。按此计算虎庄河闸门在满槽水位时堤防承担的当过流量Q=477 m3/s，小于20年一遇洪水当过流量，所以泄流能力应按该数值计算。

3.2 过流能力验算

虎庄河闸门上泄流水位4.22 m，通过与下游各种不同水位进行组合来验算过流能力，成果见表3。

表3 虎庄河闸门过流能力验算表

根据闸下河道规划断面形式，按照明渠水力学公式进行计算，绘制出闸下水位-流量关系曲线，见图1[3]。由图1可知，当水位在4.0 m左右时，虎庄河闸门通过流量可达500 m3/s，大于其应承担的当过流量477 m3/s，因此过流能力符合要求。

图1 闸下水位-流量关系曲线

4 闸门工程稳定性分析

4.1 闸基渗透稳定性分析

4.1.1 闸基防渗长度计算

根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)规定，闸基防渗长度L(闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度总和)应满足式(4)[4]，求得L=16.56；而测得地下轮廓线实际长度为40.0 m，远大于L值，因此防渗长度满足要求。

L=C·△H

(4)

式中：C为允许渗径系数值，取值3；△H为上下游水位差，按最不利情况取值5.22 m。

4.1.2 闸基渗透稳定性计算

本项目计算闸基渗透稳定性时，采用“分段阻力系数法”，共分为以下3段：进出口段、内部垂直段、水平段[5]。采用以下3个水位组合：①正常蓄水位：闸上水位1.50 m，闸下水位-1.00 m；②设计洪水位：闸上洪水位3.42 m，闸下平均高潮位1.45 m；③校核水位：闸上水位1.50 m，闸下洪水位3.77 m。

1) 进出口段阻力系数ξ0：

(5)

式中：S为齿墙或板桩的入土深度，m；T为地基有效深度或实际深度，m。

2) 内部垂直段阻力系数ξy：

(6)

3) 水平段阻力系数ξx：

(7)

式中：Lx为水平段长度，m；S1、S2为分别为进出口段齿墙或板桩的入土深度，m。

计算出各分段阻力系数后，接着计算各分段水头损失值hi及渗压值，计算公式如下[6]，部分成果见表4-表6。

表4 正常蓄水位渗压计算成果表(部分)

表5 设计洪水位渗压计算成果表(部分)

表6 校核情况渗压计算成果表(部分)

本项目水平段及出口段渗流坡降值计算：

(8)

式中：ξi为各分段阻力系数；n为总分段数；△H为水闸的上下游水位差，m。

水平段：Jx=hx/Lx

出口段：J0=h0/S

由此得出水平及出口渗流坡降值结果，见表7。由此可见，在各种水位组合下，闸基水平段、出口段渗透坡降值均满足规范要求，闸基渗透稳定性良好。

表7 闸基渗流稳定计算成果表

4.2 闸室结构稳定性分析

重建的虎庄河闸主体结构按2级建筑物设计，以上游胸墙为界，前为开敞式，后为涵洞式，共9孔，每3孔为一联，进口尺寸3.5 m×4.2 m(宽×高)，设矩形平板铸铁闸门，手电两用启闭机，出口尺寸3.0 m×4.2 m(宽×高)，设自由侧翻式拍门，总宽41.10 m。

4.2.1 计算工况及公式

为计算闸室结构稳定性，在此选取以下两个水位工况分析：①设计洪水水位：闸上10年洪水3.42 m，闸下平均高潮位1.45 m；②校核水位：闸上水位1.50 m，闸下大辽河100年洪水位3.77 m。抗滑稳定系数Kc计算如下[7]：

Kc=f·∑G/∑P

(9)

式中：f为底板与基础摩擦系数，取0.35；∑G为作用在闸室的全部垂直力总和，kN；∑P为荷载对底板形心轴的力矩，kN·m。

4.2.2 闸室稳定性分析

闸室稳定性分析成果见表8。

表8 闸室稳定性分析成果表

由表8中数据得知，在该两种工况下闸室稳定性满足规范要求。

5 结 语

虎庄河防潮节制闸投入使用后，各项指标均已达到设计标准要求，过流能力通过了夏季洪水考验。通过水准仪持续测量，闸门整体结构稳定性也完全符合标准，虎庄河防潮节制闸重建工程取得了圆满成功。闸门工程设计理论结合实际，按照最不利情况考虑，以防出现“小马拉大车”问题的出现。