6.2 分洪控制工程设计

6.2.2  在湖泊、河网地区，设计洪水过程和安全泄量一般难以计算确定，按本规范第6.2.1条的方法难以计算设计最大分洪流量。考虑到湖泊、洼地相对于蓄滞洪区来说其容积要大得多，不会因一时的分蓄洪而对其水位流量乃至湖泊水量有大的影响，因此，设计中为简化处理，可以规划要求的该蓄滞洪区的蓄滞洪量除以蓄满历时，得到设计最大分洪流量。

6.2.3  可能影响分洪量的因素较多，主要包括：

    1  分洪闸上游如有分叉河道，分洪后因水位降低，分叉河道泄量减少对分洪量的影响。

    2  分洪进入蓄滞洪区的水量，如在蓄滞洪区下游流入本河道而引起下游河道水位抬高的影响。

    3  闸址以下河段的水位、泄量受汇入较大的河流、湖泊或潮汐顶托的影响。

    4  近期可能实施的河道整治工程，如裁弯、疏浚等对分洪量的影响。

    5  闸上、下游泥沙冲淤对分洪量的影响。

    6  闸下水位的变动对过水能力的影响。

    7  有无引水、通航等综合利用要求。

6.2.4  闸底高程主要根据闸址处外滩高程、分洪区地形并考虑单宽流量、闸门高度等因素选定。闸顶高程主要根据闸上游最高洪水位加安全超高确定。闸顶高程不得低于原有堤防的堤顶高程。另外，在确定闸顶高程时还应考虑闸所在河道的防洪标准有可能提高或在一定的淤积水平年后洪水位抬高等不利因素。

    在通过技术经济比较之前，闸底、闸顶高程及孔口尺寸可先采用下列计算公式初步拟定：

    1  闸顶高程：

    式中：P——闸顶高程(m)；

              Z——闸上游最高洪水位(m)；

              D——闸顶安全超高(m)。

    2  闸底高程：

    式中：W——闸底高程(m)；

              M——综合流量系数；

              q——单宽流量[(m³/s)/m]。

    3  闸孔宽度：

    式中：B——闸孔净宽(m)；

              Q——最大分洪流量(m³/s)。

6.2.5  分洪闸过闸流量是与蓄滞洪历时有关的一个流量过程线，应根据闸槛型式、闸的布置以及上下游水位衔接要求、泄流状态等因素计算确定。

    过闸水流流态可分为两种，一种是泄流时自由水面不受任何阻挡，呈堰流状态；另一种是泄流时水面受到闸门(局部开启)或胸墙的阻挡，呈孔流状态。在水闸的整个运用过程中，这两种流态均有可能出现，例如当闸门位于某一开度时，可能出现两种流态的互相转换，即由堰流状态转变为孔流状态，或由孔流状态转变为堰流状态。当过闸水流的流量不受下游水位的影响时，呈自由堰流状态，反之，则呈淹没堰流状态。过闸流量可参照表3所列的方法计算。

    表3中过闸流量计算公式的几个系数值说明：

    1  堰流流量系数m值。无坎高的平底顶堰，其进口局部能量损失几乎接近于零，其堰流流量系数最大值为0.385。

    2  堰流侧收缩系数ε值。

表3  流态判别及过闸流量计算公式

    由于上游翼墙和闸墩(包括边闸墩和中闸墩)对过闸水流的影响，使闸室进出口水流发生横向收缩，增加了局部能量损失，从而影响泄水能力，这种影响综合反映为堰流侧收缩系数值的大小。而影响堰流侧收缩系数值的因素很多，如闸孔孔径、堰型、墩(墙)型、堰高和作用水头等。根据有关试验研究资料，本规范采用了简化的别列津斯基公式计算无坎高的平底闸堰流侧收缩系数值，即公式(5)。但必须指出，该公式仅适用于一般常用的圆头型闸墩和圆弧形翼墙情况。现将该公式表格化(见表4)，供设计查用。对于多孔闸的堰流侧收缩系数，可取中闸孔和边闸孔侧收缩系数的平均值，见公式(6)～公式(8)。

    3  堰流淹没系数σ值按式(9)计算，或查表5。

    式中：h_s——由堰顶算起的下游水深(m)；

              H₀——计入行近流速水头的堰上水深(m)。

表5  宽顶堰σ值

    堰流的淹没系数取值主要与淹没度的高低有关。本规范在给出了计算平底闸堰流淹没系数值的经验公式，即公式(9)的同时，还给出了淹没系数值表，该表是公式(9)的表格化(见表5)可供设计查用。公式(9)是在南京水利科学研究所最新研究成果提供的经验公式(见毛昶熙等编著的《闸坝工程水力学与设计管理》一书，中国水利电力出版社，1995年2月第一版)的基础上，对其拟合系数稍作修改而成的。

6.2.6  若分洪闸干流上游有分叉河道，应考虑分洪后水位降低的影响；对于闸前有滩地，或者河流主泓不很顺直的宽阔河道，还应考虑闸前水位并不等于大河平均水位的情况。

    当分洪闸以下河段的河口受其他河流、湖泊水位涨落影响时，闸址附近的外江(湖)水位应按下列步骤计算确定：

    1  根据设计洪水典型年或设计洪水标准，拟定分洪时段河口水位或水位过程线。

    2  根据分洪闸址下游河道的安全泄量和所拟定的水位作为边界条件，由河口向上游推算水面线，一般以闸址中点的河道水位作为分洪闸的闸上水位。若分洪闸较长，需精确计算时，应根据流量变化，推算分洪闸两端点的外江水位，再取平均值作为闸上水位。如闸址至河口间还有支流汇入或分流河道，计算各河段水面线时应考虑流量的变化。

6.2.7  分洪闸下游一般均有尾渠(分洪道或蓄洪区)，闸下游水位经常受尾渠及尾渠终点水位(如分洪道出口水位或蓄洪区水位等)的控制，因此，要确定闸下水位应先确定尾渠终点(分洪道出口或蓄洪区)水位。实际工作中应分以下几种情况分别计算。

    1  封闭的蓄滞洪区：

        1)根据分洪流量过程线及蓄滞洪区的水位—蓄量关系曲线进行调蓄演算，求出蓄滞洪区的水位过程线。

        2)根据各时段蓄滞洪区的水位及相应的分洪流量用推水面线的方法，推求闸下的水位过程线。

    2  分洪道：

        1)确定分洪道出口处的水位过程线。

        2)根据已确定的水位及相应的分洪流量用推水面线的方法，推求闸下的水位过程线。

    3  边分、边蓄、边排：

        1)确定排水河道出口处的水位过程线。

        2)假定本时段的出流量Q出，用推水面线的办法倒推调蓄区出口处的水位。

        3)计算本时段调蓄区蓄量的变化，即：

        4)根据调蓄区的水位(中点水位或入口出口水位平均值)蓄量关系曲线及3)中计算的蓄量，求出调蓄入口处的水位。

        5)用调蓄区的泄流能力曲线[即入口水位、出口水位与Q出的关系曲线)，按2)、3)水位校验Q出与2]假定是否吻合。

        6)根据已校验吻合的调蓄区入口水位及该时段的分洪流量(Q入)，用推水面线的方法倒推闸下水位。

6.2.8  对于分洪水流流态复杂、规模较大的分洪口门(最大分洪流量在1000m³/s以上)，应进行水工模型试验验证。分洪时水流流态往往较为复杂，一般在进口(特别是分洪闸边孔)出现局绕流现象或横向水面坡降，流速分布不均匀，口门两侧的冲刷情况不一样，甚至在口门一侧上游附近出现一定程度的淤积现象。这主要和口门布置轴线与河床主流流向夹角的大小有关系。分洪口门设计分洪流量往往采用宽顶堰公式求得，而实际上由于水流进口流态的不均衡，对分洪流量会产生一定影响。水工模型试验表明，实际分洪量往往少于设计分洪流量，当分洪口与河流流向近乎垂直时，实际分洪流量较设计值小10％左右。消能效果的试验主要是验证消力池的深度和长度是否合适，以及对下游区域的冲刷情况，并且对消能工尺寸进行优化。

6.2.9  按建筑物功能划分；分洪闸是水闸的一种形式，其设计的一般要求应符合国家现行标准《水闸设计规范》SL 265的有关规定，本条着重说明作为蓄滞洪区分洪闸设计的结构特点、要求等。本规范未涉及的有关内容可参看国家现行标准《水闸设计规范》SL 265。分洪闸主体建筑物主要包括上游连接段(引水渠、连接挡墙等)、闸室、下游消能工、下游连接段(引水渠、连接挡墙等)。

    1  为改善分洪闸上游进水条件，进水部分两侧挡墙或边坡宜设置成喇叭口形，平面布置可采用圆弧＋直线形式，挡墙与外河、与闸室之间宜采用扭曲面相接。两侧挡墙顶高程应尽可能降低，过高通常会减少闸的过流量(特别是靠近挡墙的边孔)。如果挡墙外侧地形(如防洪堤外坡)较高时，可考虑将外侧地形局部开挖降低至某一合适的高程，并且采用护坡形式。以护坡取代挡墙，一般有利于增加进水过流断面，且工程投资较省。上游连接段挡墙或护坡可采用对称布置和非对称布置，当进水与河道夹角很小或分洪闸为临湖分洪闸，这时连接段两侧进水条件基本一致，可采用对称布置；当进水与河道夹角较大时，连接段两侧进水条件有不平衡性，可采用非对称布置，靠上游侧挡墙或护坡扩散角宜加大。

    2  闸室结构型式有多种，通常采用开敞式和胸墙式。开敞式闸室过水断面面积相对较大，有利于发挥分洪闸的泄流能力。一般闸底槛高程较高、挡水高度较小时采用这种形式。胸墙式闸室为孔口出流，闸门高度相对较小，但不利于充分发挥分洪闸的泄流能力，并且外河飘浮物也不能排入蓄洪区内，一般闸底槛高程较低、挡水高度较大时采用这种形式。对于分洪闸而言，往往内外水位差不大，而开闸分洪时要求在短时间内达到较大的单宽流量，所以分洪闸闸室结构型式宜采用开敞式。

    闸室底板当地基条件较好、承载能力较大时(如岩石基础)，闸室结构适宜在底板上沿水流方向设置沉降、伸缩缝；当地基条件较差、承载能力较小，或容易产生不均匀沉降时(如土基)，闸室结构适宜在闸墩中间沿水流方向设置沉降、伸缩缝。考虑基础约束和不均匀沉降的影响，根据工程实践经验岩基上的分缝长度一般不宜超过20m，土基上的分缝不宜超过35m。对于闸室底板由桩基承载时，基础约束仍较大，土基上的分缝宜适当减小，一般采用两孔一缝或三孔一缝。

    3  分洪闸闸顶安全超高参照国家现行标准《水闸设计规范》SL 265的有关规定取值，但挡水工况时，设计分洪水位或最高挡水位条件下安全超高取值较之该规范中相应工况(正常蓄水位、最高挡水位)有所加大，这是考虑到分洪闸运行实际情况而进行的修正。根据目前已经建成的分洪闸的实际调度情况，部分分洪闸在出现设计分洪水位时，为全流域防洪总体需要，并没有立即开闸分洪。因此，本规范中，将设计分洪水位工况时的安全超高在一般水闸相应超高的基础上有所提高，更有利于分蓄洪决策中的风险调度。

    4  闸门的结构型式和控制设备的选择应有利于分洪调度，并能保证闸门分洪运用过程中各种工况情况下的自身安全、管理维修，并且造价适宜，控制设备的选择应经技术经济比较确定。控制设备通常有卷扬机启闭机和液压启闭机两种方式。采用液压启闭机可节省闸墩上部排架，使闸礅上部结构变得简单，但设备管理维修较为复杂、费用较高；而采用卷扬机启闭机，闸墩上部结构较为复杂，管理维修相对简单，可靠性相对较好。由于分洪闸的使用频率很低，闸门不经常启用，不利于发现液压启闭设备存在的问题，而一旦分洪则必须确保控制设备能正常运行。根据已建分洪闸的运行管理经验，曾出现过需要开启闸门时液压启闭设备不能马上正常运行的情况。两者在技术上都不存在问题，但在选择启闭方式时应充分考虑其可靠性性。

    分洪闸通常为多孔水闸，闸门调度不宜采用人工控制，而应采用自动控制方式，以确保闸门开启严格按分洪调度方案进行。

    检修门采用平板门或叠梁式闸门。当外河(湖)水位变化较大，且枯水位位于闸底板高程以下时，为节约投资可不设检修门，工作闸门的检修可考虑在枯水位时进行。

    5  为满足闸顶交通要求，在闸顶一侧设公路桥，在另一侧设人行桥。公路桥等级应与连接分洪闸的公路等级相同；人行桥仅为检修便桥，满足闸门及启闭设备检修即可，人行桥宽度一般在1.5m左右。

6.2.10  有些蓄滞洪区的分洪控制工程采用修建裹头临时爆破扒口的形式，临时爆破的分洪扒口设于防洪堤的某一堤段，防洪堤一般为土堤，其抗冲流速非常有限。口门形成时，水流流速加大，水流对两侧堤身和底部有强烈的冲淘作用；扒口形成时，必须对两侧及底部进行保护，否则会引起大堤两侧的不断垮塌和在底部形成深冲坑。因此，有必要对分洪扒口采取相应的裹护措施。

    1  扒(炸)口分洪口门形状上、下游需形成扩散，上游扩散程度与分洪水面宽度有关系。根据洞庭湖区实践经验，对于临湖或河流水面宽度较大、流速相对较小时，进口扩散角可取7°～30°；对于临河分洪或河道水面较窄时，为保证口门的分洪量，进口扩散角应适当加大，可取30°～60°，下游段出口扩散角宜取水流有效扩散角7°～12°。

    2  为安全起见，分洪口口门两侧裹护范围应大于水流冲刷影响的范围。

    3  根据类似的工程经验，分洪口流速小于4m/s时，可采用抛石对口门两侧进行保护；口门流速大于4m/s时，抛石一般难以满足口门的抗冲稳定，宜采用浆砌石或高喷灌浆裹护。

    4  抛石粒径、单块抛石重量应经过计算分析确定，一般单块粒径不小于300mm，单块重量不小于30kg。

    6  采用高喷灌浆裹护结构形式，对水流的防冲淘效果较好。高喷灌浆在大堤两侧形成连续墙体，对大堤两侧边坡进行封闭，平面上高喷墙体成喇叭口形。高喷墙体应贯穿整个大堤横断面，高喷下部应伸入堤基以下一定深度，一般先确定口门底部的冲刷深度，高喷体则应伸入底部冲刷线以下。