水閘閘址選擇和閘孔設(shè)計

水閘閘址選擇和閘孔設(shè)計1閘址選擇水閘建在何處，是一個很重要而又很復(fù)雜的問題，需要考慮的因素很多，應(yīng)根據(jù)水閘的功能、特點和運用要求，綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、潮汐、泥沙、凍土、冰情、施工、管理及周圍環(huán)境等因素，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后選定。閘址宜選擇在地形開闊、岸坡穩(wěn)定、巖土堅實和地下水位較低的地點。選擇閘址應(yīng)考慮材料來源、對外交通、施工導(dǎo)流、場地布置、基坑排水、施工水電供應(yīng)等條件；考慮水閘建成后工程管理維修和防汛搶險等條件。此外，還應(yīng)考慮美化環(huán)境和綜合經(jīng)營等問題。2閘孔設(shè)計 閘孔設(shè)計的任務(wù)是確定閘孔的形式、尺寸和閘檻高程。閘孔形式是指閘底板的形式（堰型）和是否設(shè)置胸墻。閘孔尺寸包括孔口的凈寬、孔數(shù)和孔高。1.設(shè)計條件設(shè)計孔口時，首先要分析水閘在進流期間可能出現(xiàn)的最不利情況，以此作為設(shè)計條件，該設(shè)計條件因水閘類型不同而異。進水閘上游設(shè)計水位的確定方法與引水方式有關(guān)。對于無壩引水的進水閘，閘外的河道水位是經(jīng)常變化的，為了使引水流量得到必要的保證，可從歷年的灌溉臨界期（河道來水條件與灌溉用水要求矛盾特別尖銳的時期）平均水位的系列中，選取相應(yīng)于灌溉保證率的水位，作為閘外河道的設(shè)計水位。如果河道來水流量大、引水流量較小、引水后又對河道流量及水位的影響都不大時，可直接取閘外河道的設(shè)計水位作為閘上游設(shè)計水位。如引水流量的比例較大時，則需考慮因引水而產(chǎn)生的水位降低影響?？紤]到引水時部分位能轉(zhuǎn)化為動能，引水口前的水位要比下游水位降低z2z2=式中：k為引水流量Q與河道來水流量Q1的比值，即k=QQ1圖7-4引水口前水位計算圖則引水口前的水位為?2-v2，若該水位小于進水閘下游河道的臨界水位?k如果進水閘前的進水渠長度L>20H1（無壩引水進水閘的設(shè)計引水流量，可選取歷年的灌溉臨界期最大引水流量系列中相應(yīng)于灌溉保證率的流量。有壩引水的進水閘，其上游設(shè)計水位即為閘后渠道設(shè)計水位再加過閘的水頭損失（一般為0.1~0.3m)。當引水渠較長時，同樣應(yīng)計入進口及沿程的水頭損失。對于攔河閘，在確定其上游水位時要考慮建閘后上游水位的壅高值?H（即上、下游水位差），應(yīng)盡量減小上游淹沒損失或防洪工程的投資。另外，還應(yīng)根據(jù)允許的過閘單寬流量和水閘工程造價等因素，綜合比較后方能選定?H值。一般情況下，平原地區(qū)可采用?H=0.1~0.3m。閘孔形式閘孔形式一般有寬頂堰孔口、低堰孔口以及胸墻孔口三種，如圖7-5所示。不設(shè)胸墻的孔口，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，又利于排泄冰塊等漂浮物，也能滿足過木及通航等要求。當閘檻高程較低、擋水高度較大時，可采用胸墻孔口。當擋水高程高于泄水運用水位，或閘上水位變幅較大而又需限制過閘單寬流量時，也可采用胸墻孔口。圖7-5閘孔形式（a）寬頂堰孔口；（b）低堰孔口；（c）胸墻孔口水閘底板的形式（堰型）中，以寬頂堰應(yīng)用較廣，這是由于其具有自由出流范圍廣、泄流能力較大而且比較穩(wěn)定的優(yōu)點，但其流量系數(shù)較小。低堰型底板是在底板上設(shè)置曲線或梯形的低堰，其中曲線型包括實用堰和駝峰堰［圖7-5（b）]兩種。這種低堰的流量系數(shù)較大，但其泄流能力受下游水位變化的影響比較顯著。當需要限制單寬流量而閘底建基高程不能抬高，或因地基表層松軟需要降低閘底建基高程，或在多泥沙河流上有攔沙要求時，可采用低堰底板。除上述三種閘孔形式以外，在工程中還使用一種折線堰孔口，即孔口底板為折線形，底板前部為水平，后部為斜坡，這樣，閘室后部可作為消力池的一部分。這種閘孔只有在堅實或中等堅實的地基上，閘室高度不大，上、下游河（渠）高差較大時方能采用。閘頂高程閘頂高程通常是指閘室胸墻或閘門擋水線上游閘墩和岸墻的頂部高程，應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況確定。擋水時，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高之和；泄水時，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高之和。水閘安全超高下限值見表7-1。表7-1水閘安全超高下限值單位：m水閘級別運用情況1234、5擋水時正常蓄水位0.70.50.40.3最高擋水位0.50.40.30.2泄水時設(shè)計洪水位1.51.00.70.5校核洪水位1.00.70.50.4位于防洪（或擋潮）堤身的水閘，其閘頂高程不得低于防洪（或擋潮）堤頂高程。確定閘頂高程時還應(yīng)考慮軟弱地基上閘基沉降的影響、多泥沙河流上下游河道變化引起的水位升高或降低的影響，以及防洪（或擋潮）堤身水閘兩側(cè)堤頂可能加高的影響等因素。3.閘檻高程如何確定閘檻高程，是閘孔設(shè)計的關(guān)鍵。若將閘檻高程定得低些，則可加大過閘水深，從而加大過閘單寬流量，閘室寬度可以減小，但是，水閘高度將有所增加；若將閘檻高程定得高些，則情況相反。因此，應(yīng)進行綜合比較，以求經(jīng)濟合理。根據(jù)實踐經(jīng)驗，小型水閘的總寬度較小，兩岸連接建筑物的工程量在整個水閘中所占的比重較大，如底板較高，雖然閘寬增加，但閘室和兩岸連接建筑物的高度卻會減小，水閘的總投資可能是經(jīng)濟的。在大、中型水閘中，閘寬較大，如條件許可，降低閘檻高程一般是有利的。選擇閘檻高程時除考慮上述因素外，還要考慮選定的過閘單寬流量是否合適。選定過閘單寬流量時需考慮的因素有：下游河床地質(zhì)條件、上下游水位差、下游水位、河道寬度與閘室寬度的比值等。從宏觀上講，如僅考慮下游河床土質(zhì)情況，根據(jù)長江中、下游各省的實踐經(jīng)驗，在水閘的可行性研究階段，值可按下列數(shù)據(jù)選用：粉砂、細砂、粉土及淤泥，=5～10m3/（s.m）；砂壤土，=10～15m3/（s.m）；壤土，=15～20m3/（s.m）；黏土，=15～25m3/（s.m）。另外，進水閘的過閘單寬流量一般不超過渠道單寬流量的1.2～1.5倍。工程實踐中，進水閘一般都采用寬頂堰型底板，閘檻高程與下游渠底齊平或稍高。對于多泥沙河流，為了減少泥沙進入渠道，堰頂至少高出河底0.5～1.5m。對于攔河閘，特別是在平原地區(qū)上、下游水位差較小的情況下，閘檻高程盡可能定得低些，以便獲得較大的過閘流量。一般情況下，閘檻高程與河底同高或略高，如比河底低得多，則有可能產(chǎn)生淤積現(xiàn)象?？傊l檻高程應(yīng)根據(jù)河（渠）底高程、水流、泥沙、閘址地形和地質(zhì)、水閘施工及運行等條件，結(jié)合選用的堰型、門型及閘孔總凈寬等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較確定。建造在復(fù)式河床上的水閘，當閘基為巖石或堅硬的黏性土?xí)r，可選用高、低檻的布置形式，但應(yīng)妥善布置防滲排水設(shè)施。4.閘孔總凈寬根據(jù)給定的設(shè)計流量、上下游水位和初擬的閘孔形式及閘檻高程等條件，便可按下列公式初步確定閘孔總凈寬。（1）當水流為堰流時，則（7-2）式中：為閘孔總凈寬，m；為過閘流量，此處指設(shè)計（或校核）流量，m3/s；為計入行近流速水頭的堰上水頭，m；為堰流流量系數(shù)；為堰流側(cè)收縮系數(shù)；為堰流淹沒系數(shù)，=1時為自由出流。 （2）當水流為孔流時，則（7-3）式中：為孔口高度，m；為孔流流量系數(shù)；為孔流淹沒系數(shù)，=1時為自由出流。閘孔總凈寬應(yīng)根據(jù)泄流特點、下游河床地質(zhì)條件和安全泄流的要求，結(jié)合閘孔孔徑和孔數(shù)的選用，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。5．孔徑和孔數(shù)及閘室總寬度閘孔孔徑應(yīng)根據(jù)閘的地基條件、運用要求、閘門結(jié)構(gòu)型式、啟閉機容量，以及閘門的制作、運輸、安裝等因素，綜合分析確定。閘孔孔徑宜符合SL74-2013水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的閘門孔口尺寸系列標準。有特殊功能要求的水閘，可采用非標準孔口尺寸。如采用弧形鋼閘門，閘孔孔徑一般選用8~12m；如果閘孔有排冰等要求，孔徑宜選得大一些；兼作通航孔用的閘孔孔徑，還要滿足航運的要求。現(xiàn)以堰流為例，說明閘孔確定的方法。使用式(7-1)時，由于孔徑是未知數(shù)，故側(cè)收縮系數(shù)不能直接查表或按有關(guān)公式計算，此時可先假定=1；由于閘孔總數(shù)也是未知數(shù)，因此，流量公式中的可暫用堰前水深代替。應(yīng)用式(7-2)計算出總凈寬后，即可進行分孔。根據(jù)上述原則確定每孔的凈寬(孔徑)。大型水閘宜采用8m以上的孔徑，小型水閘的孔徑一般為1~3m。選定孔徑后便可確定所需的孔數(shù)，即，取整數(shù)。閘孔孔數(shù)少于8孔時，宜采用單數(shù)孔。閘室總寬度，其中，為閘墩厚度。按上述方法計算閘孔總凈寬時，由于及均為假定值，故在擬定孔徑、孔數(shù)后，并考慮閘墩的影響，對過閘流量進行驗算。即按擬定的孔徑、閘墩的形狀和尺寸等有關(guān)資料計算