河床式电站泄水闸水工结构设计研究

王伟建，崔金秀

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉430064）

1 工程概况

小漩水电站工程位于堵河中游，电站属Ⅲ等中型工程。枢纽总布置呈一字型，主要由泄水闸、河床式厂房和升压站、左右岸连接堆石坝等建筑物组成。工程主体建筑物为3级，洪水标准按50年一遇洪水设计；1000年一遇洪水校核。消能防冲建筑物洪水标准采用30年一遇洪水设计[1]。泄水闸总净宽90m，单孔净宽15m，共6孔，下游采用底流消能。河床式厂房布置于泄水闸左侧，左、右岸连接坝段为垂直心墙堆石坝。

2 泄水闸孔数及闸底板高程比选

2.1 泄水闸孔数比选

2.1.1 方案拟定

在闸孔总宽度相同的情况下，水闸单孔净宽选用越大，其闸墩数量则越少，有效过流面积越大，但水闸闸门重量与启闭机的容量也将增加，当两者之间达到某个平衡点时，工程量最省。参考类似工程，结合工程实际，选择闸孔单宽15.00m进行设计。根据选定坝址的地形地质条件，选取6孔和8孔水闸进行比较，闸孔单宽15.00m，其闸孔总净宽分别为90.00m、120.00m，分别对应方案一（6孔）和方案二（8孔）。

2.1.2 方案布置

方案一（6孔）的工程布置见本文工程概况中的有关叙述。

方案二（8孔）的工程布置与方案一基本相同。由于厂房左侧滩地较窄，受进厂道路、回车场等布置要求，厂房不宜过多的往左移动，与方案一相比向左偏移5.00m，泄水闸紧邻厂房右侧布置，总净宽120.0m，其余建筑物布置与方案一同。根据施工导流的要求，纵向混凝土围堰将泄水闸分为左3孔、右侧5孔，两岸为连接坝段。由于该方案泄水闸净宽增加了30.00m，控制闸顶高程的校核水位降低了1.60m，坝顶高程由270.50m降低至268.90m，土石坝坝顶防浪墙高程降低至269.90m。坝顶总长度缩短5.00m，为376.81m。由于下泄单宽流量减小，消力池长度缩短1.20m。由于水闸宽度增加，下游河床疏挖坝下起始宽度增加39.00m。

2.1.3 方案比选及结论

1）工程布置。方案二增加了2孔泄水闸，在布置空间上，泄水闸基本与右岸阶地相接，泄水闸的进出水水流条件不如方案一。2方案的厂房平面位置变化很小，厂房的进、出水条件基本相同。工程布置，方案一优于方案二。

2）施工条件和工期。2个方案的施工条件和工期基本相同，纵向围堰的平面布置基本相同，二期导流同样是利用左侧3孔泄水闸。

3）移民征地。由于方案二闸孔数增加了2孔，水库20年一遇（P=5%）洪水和5年一遇（P=20%）洪水影响线有所下降，但不涉及集中的农村居民点、集镇、企事业单位、专项设施以及大片耕地、园地，方案二减少的淹没实物指标不多。2个方案坝区的实物指标相同。根据2个方案征地移民补偿静态总投资比较，移民征地方案二略优于方案一。

4）工程量及投资。根据2个方案的主要工程量和静态投资对照计算，工程量及投资方案一小于方案二。经济指标，方案一明显优于方案二。

5）泄水闸孔数比选结论。综上所述，工程布置，方案一优于方案二；施工导流及工期，2个方案基本相当；移民征地，方案二略优于方案一；工程量及投资，方案一优于方案二。综合考虑，推荐方案一，即6孔水闸方案。

2.2 闸底板高程比选

坝址常水位河床水面宽度110.00m，河床高程249.90～251.00m，河床砂卵石层厚5.25～6.15m，炭质板岩顶板最低出露高程244.85m，坝轴线处一般在246.00m处。

泄水闸采用较低的闸底板高程，有利于增加过闸水深和过闸单宽流量，减少闸室总宽度，有利于泄洪和排沙，但将导致闸身和两岸结构以及闸门的高度的增加，同时给下游的消能防冲布置带来困难；较高的闸底板高程，不利于泄洪冲沙，要求的泄水闸过流净宽大，占用较多的河床断面，给其他建筑物的布置带来不便，并且较高的水闸底板亦不容易坐落在完整的基岩上，势必将增加基础处理难度，不利于闸室的稳定。

对于本工程，泄水闸的主要任务是宣泄堵河汛期洪水，因此，其底板高程应尽量与河床高程平齐，以加大泄流能力。泄水闸闸室段河床高程在250.00～251.00m，基岩顶板线在245.50～246.80m，表层砂卵石覆盖层比较薄，考虑将其全部清除，底板高程采用249.00m，闸底板厚4.00m，建基面高程245.00m。

3 闸室结构设计

经泄流能力计算，拟定泄水建筑物总净宽为90.00m，共6孔（与厂房相接的2孔兼作冲沙孔），单孔尺寸15m×15m，因施工导流的需要，泄水闸被施工纵向围堰分割为左、右边各3孔，结合闸室段的地基条件和结构稳定分析计算，闸室采用两孔一联，靠近纵向围堰1孔一联。经过计算，中墩、边墩厚度均采用3.00m（靠近厂房侧边墩厚4.0m）。两孔一联闸段宽39.00m，一孔一联闸段宽21.00m，闸室前缘总宽度121.00m（未包括纵向围堰和分缝）。

确定闸顶高程270.50m，闸高25.50m；闸室顺水流向尺寸由闸顶交通、弧门布置需要确定，底板长度采用35.0m，闸墩顶部在上、下游侧均外挑，顺水流向长39.55m。交通桥设在闸顶上游，从检修闸门的门机下穿过，可有效地减少闸墩顺水流向长度，桥面总宽7.40m，门机大梁与交通桥T形板梁支座梁共用。

水闸上游设检修闸门1套，设计水头15.0m，由4节相同的叠梁门组成。闸门启闭采用坝顶2×500k N门机通过液压自动挂脱梁操作，门机下游侧设置1套转柱式悬臂吊，用于弧门部件的安装和检修。工作闸门采用6扇弧形闸门，设计水头15.00m，每孔闸门选用1套QHLY2×2000k N液压式启闭机操作，液压启闭机房设在闸墩下游，纵向围堰左、右边3孔各设4个启闭机房，共4个启闭机房。

4 消能防冲设计

泄水闸下游采用底流消能工消能。由于消力池内水流最大流速达到18.00m/s，基本达到了设置消力墩的流速上限，水力学模型试验的结果表明，设置消力墩的效果不太明显，加之消力墩在高速水流冲刷和泥沙磨蚀下容易损毁，因此，池内不设消力墩。结合泄水闸调度运行方式，进行消能工计算后拟定消力池总长61.06m，池深3.50m，板厚2.00m，池底板高程243.50m，消力池尾坎顶高程为247.00m；消力池上游起始段为2.00m的水平段，再以1∶4的斜坡与底板连接，池身水平段长度35.06m。

通过对池底板的抗浮计算，在检修工况时池底板不满足要求，需采取工程措施。考虑到消力池在泄水闸中的重要性，在池底板采取设排水孔和锚筋措施，排水孔间、排距2.00m，孔径8cm；锚筋直径32mm，Ⅱ级钢筋，间、排距1.40m，深入基岩6.10m，梅花形布置。

下游河床疏挖至247.00m的基岩高程后，下游河段断面面积加大，水流流速相对减小，这对于减小池末端的冲刷是比较有利的。下游冲刷深度计算表明，消能设计工况下，海漫末端的河床冲刷深度3.47m，冲坑底部高程243.53m，为了防止水流淘刷，危及消力池的安全，在池末端设钢筋混凝土齿槽，以增加嵌入基岩的深度，齿槽底高程239.50m，低于设计冲坑深。消力池后设0.30m厚、15.00m长C15混凝土防护段，以减少对池末端的淘刷。

5 结语

河床式电站的泄水闸是重要的水工建筑物，通过对其的设计研究和方案优化，选择适宜的设计方案，对电站的顺利施工和安全运行十分重要。