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摘 要：本文介绍了人和河坝水利枢工程重建设计，通过比选优化设计方案，并对工程进行水力计算和稳定计算复核。人和拦河坝建成至今，运行良好。该设计方案可为类似工程设计提供参考。
关键词：拦河坝；水闸；船闸；电站；设计；
中图分类号：TV66文献标识码： A 文章编号：
1 引言
人和拦河坝枢纽工程，是流溪河最下游的开发梯级，位于广州市白云区，距离流溪河河口约18.3km，是一座集防洪、灌溉、发电、航运、供水、生态等于一体的综合利用水利工程。该枢纽工程由拦河坝、电站、管理中心，船闸组成。人和拦河坝重建工程规模属大（2）型，工程等级为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级。电站属于坝后式电站，厂房不直接挡水，因此电站的工程等别按装机容量（2000KW）定为V等，属小（2）型工程，主要建筑物级别5级。采用50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。
人和拦河坝于1974年建成投入使用，期间经历多次较大规模的维修加固工作。在本次改建前，人和拦河坝存在的主要问题有：1）工程严重老化、砂浆剥落，结构外观凹凸不平的现象到处可见，强度、稳定及整体性大幅度降低；2）拦河坝设计洪水标准低，原设计标准为20年一遇，校核标准为50年一遇；3）闸室浆砌石和砼部分标号低，严重老化，强度、稳定性及整体性比较差；4）河床冲刷严重，冲坑面积大，威胁闸基渗流稳定；5）闸门经常被上游的漂浮物卡住，造成闸门关闭时将铸铁支铰扭断，或者漂浮物将油管撞断，致使闸门不能工作。
根据《安全鉴定报告》的结论：人和拦河闸大部分主要运用指标达不到设计标准，工程存在严重老化和损坏，公路桥现准备重建，公路桥拆除导致水闸自身不安全。
鉴于人和坝存在诸多结构和安全问题，人和拦河坝又是流溪河流域规划中重要梯级工程，重建人和坝符合广州市发展规划要求。本工程重建后，对人和镇乃至广州市工、农业的发展发挥了巨大的作用，为新白云国际机场及沿河两岸群众等提供生活用水，工程区域内形成多功能的水利风景区，充分发挥其经济、生态和环境效益。
2 人和拦河坝重建设计
2.1 工程选址
初步拟定如下三个方案进行比选。
方案一：工程选址在紧邻新建人和大桥上游处，闸轴线距上幅桥边19.8m。左岸为灌渠入口，右岸为现人和坝拦河坝管理处。
方案二（比较方案一）：工程选址在距拦河坝上游约50m处，该处河床宽204m，位于人和大桥上游，左岸灌溉取水口位置。
方案三（比较方案二）：工程选址在距拦河坝下游220m处，该处河床宽200m，流溪河大堤公路位于左岸，堤后有空地。右岸属于人和第一中学地块。
上述三个方案的综合比较见表1-1
表1 闸址比选分析表
人和坝枢纽工程选址应根据工程的功能、特点和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、施工、管理、以及周围建筑物环境等因素，经技术经济比较选定方案一作为推荐方案。
2.2 工程总体布置
拦河坝总长151.25m，閘室长14m，布置在河床中央，位于人和公路桥上游，相距14.173m。电站布置在左岸，进水口总宽26.25m，引水渠及前池总长64.2m。电站厂房位于公路桥下游，相距28.5m，主厂房长33.713m，宽10.5m，副厂房及安装间在主厂房左侧，进厂公路利用流溪河大堤公路并通向电站厂房。船闸仍然维持在右岸，总长190.82m，其中引航段长40m，上闸首长23m，宽26.52m，闸室长112m，净宽12m，维持下闸首不变，长11.82m，净宽8.3m。管理楼布置在右岸原管理处，共5层，总建筑面积1283m2。
2.3主要建筑物形式
1）拦河坝
拦河坝型式主要从堰型、闸门型式两个方案来确定。
水闸常用的堰型有宽顶堰和实用堰两类。其中宽顶堰应用广泛，优点是结构简单，施工方便，自由泄水的范围较大，泄流能力比较稳定，其缺点是流量系数较小。而实用堰的泄流能力受下游水位变化影响较为显著，且受力条件复杂，在实际工程中的应用远不及平底板宽顶堰普遍，因此本阶段拦河坝采用平底板宽顶堰型式。
闸门型式选择：本阶段拟定液压顶升式平面钢闸门、直升式平面钢闸门、液压翻板钢闸门三个方案进行初选。顶升式平面钢闸门具有经验成熟、行程短、景观效果好的优点；直升式闸门是最常见的型式、但存在一个通长的排架，由于周围建筑较低，影响了景观效果；液压翻板闸门没有固定的排架，景观效果好。但闸室长度相对较大，闸门维护条件较差。综上所述，从应用范围、运行条件造价、景观效果等方面比较，确定液压顶升式平面钢闸门为推荐闸门型式。
2）船闸
总体上采用对原船闸进行改造方案，具体如下：重建上闸首、对闸室右侧浆砌石挡墙进行加固，左侧浆砌石墙因人河桥重建原因而必须拆除重建，维持下闸首基本结构并对其进行加固以及改造引航道输水系统、闸门等部分组成。
根据该工程的设计水头（6.41m<30m），采用单级船闸，上闸首采用整体式结构，闸室底板与左挡墙采用整体式结构。上闸首输水系统采用集中式廊道输水系统，上闸首工作闸门采用人字闸门。
3）电站
电站实际装机2000kw，选用5台轴流式水轮发电机组，水轮机ZDT03-LH-160，一列式布置，机组间距6.16m，并布置有5台YWT-1000调速器、5组机旁屏。
电站采用立式机组地面厂房布置形式，主厂房（含安装间）净长38.5m，净宽9m，安装间布置于主厂房左侧。
4）管理楼
管理楼总建筑面积为1512m2，建筑层数为五层，平面形状为长方形，首层占地面积315m2。首层布置高、低压室等设备用房和厨房、饭堂等，二层布置中控室及办公用房，三层布置会议室及值班宿舍，四层及五层为职工宿舍。
2.4 水力计算
对选定的闸门进行过闸能力验算，计算成果见表2。设计洪水(P=2%)流量为2350m3/s时，对应上游水位6.60m，下游水位6.25m；校核洪水(P=1%)流量为2650m3/s时，对应上游水位7.14m，下游水位6.75m。
根据《水闸设计规范》（SL265-2001）的规定，拟定校核和设计两种工况进行计算，验算水闸过流能力是否满足。
依据水闸设计规范(SL265-2001)附录A对平底闸，当为堰流时公式如下，以下游水位推算不同水闸净宽，再考虑电站、船闸各相设施的布局，选定水闸总净宽B。各hs/H0都﹥0.9，采用以下公式计算。
式中：B0为闸孔总净宽，m； Q为过闸流量，m3/s； H0为计入行近流速水头时堰上水深，m；μ0为淹没堰流的综合流量系数； hs为由堰顶算起的下游水深，m。
表2 水闸过流能力验算表
由表2计算结果可知，所选的水闸净宽满足要求。
2.5 稳定计算
对人和拦河坝闸室等进行稳定计算，结果见表3。拦河闸坐落在砾砂层上，承载力标准值fk＝150kPa，摩擦系数μ＝0.40。
1）抗滑稳定计算：
式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑G为作用于闸室上的全部竖向荷载，kN；∑H为作用于闸室上的全部水平向荷载，kN； f为底板与堤基之间的摩擦系数，取f=0.4。
2）基底压应力计算：
式中：为闸室基底的最大和最小压应力，kPa； A闸室底板面积，m2；∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；W为闸室基底面对于该底面垂直于水流方向的形心轴的截面矩，m3。
表3 水闸闸室稳定计算结果表
从上述计算可知，闸室抗滑、抗浮稳定均满足要求，地基应力均小于天然地基承载能力，本工程无需进行基础处理。
3 结语
2009年工程完工至今，人和拦河坝运行良好，闸后水流流态较好，发电机组工况稳定。该枢纽工程景观设计与周边环境相得益彰，突显了节能、绿色、环保主题。本重建工程设计合理可行。
参考文献：
[1] 陈宝华, 张世儒. 水闸—取水输水建筑物丛书（第三版）[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.
[2] 华东水利学院. 水闸设计[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1983.
[3] 江苏省水利勘测设计研究院. 水闸设计规范SL265-2001[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2001
[4] 张光斗，王兆伦. 水工建筑物[M].北京: 水利水电出版社, 1992.
[5] 华东水利学校. 水工设计手册 [M]. 北京: 水利水电出版社, 1982.
关键词：拦河坝；水闸；船闸；电站；设计；
中图分类号：TV66文献标识码： A 文章编号：
1 引言
人和拦河坝枢纽工程，是流溪河最下游的开发梯级，位于广州市白云区，距离流溪河河口约18.3km，是一座集防洪、灌溉、发电、航运、供水、生态等于一体的综合利用水利工程。该枢纽工程由拦河坝、电站、管理中心，船闸组成。人和拦河坝重建工程规模属大（2）型，工程等级为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级。电站属于坝后式电站，厂房不直接挡水，因此电站的工程等别按装机容量（2000KW）定为V等，属小（2）型工程，主要建筑物级别5级。采用50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。
人和拦河坝于1974年建成投入使用，期间经历多次较大规模的维修加固工作。在本次改建前，人和拦河坝存在的主要问题有：1）工程严重老化、砂浆剥落，结构外观凹凸不平的现象到处可见，强度、稳定及整体性大幅度降低；2）拦河坝设计洪水标准低，原设计标准为20年一遇，校核标准为50年一遇；3）闸室浆砌石和砼部分标号低，严重老化，强度、稳定性及整体性比较差；4）河床冲刷严重，冲坑面积大，威胁闸基渗流稳定；5）闸门经常被上游的漂浮物卡住，造成闸门关闭时将铸铁支铰扭断，或者漂浮物将油管撞断，致使闸门不能工作。
根据《安全鉴定报告》的结论：人和拦河闸大部分主要运用指标达不到设计标准，工程存在严重老化和损坏，公路桥现准备重建，公路桥拆除导致水闸自身不安全。
鉴于人和坝存在诸多结构和安全问题，人和拦河坝又是流溪河流域规划中重要梯级工程，重建人和坝符合广州市发展规划要求。本工程重建后，对人和镇乃至广州市工、农业的发展发挥了巨大的作用，为新白云国际机场及沿河两岸群众等提供生活用水，工程区域内形成多功能的水利风景区，充分发挥其经济、生态和环境效益。
2 人和拦河坝重建设计
2.1 工程选址
初步拟定如下三个方案进行比选。
方案一：工程选址在紧邻新建人和大桥上游处，闸轴线距上幅桥边19.8m。左岸为灌渠入口，右岸为现人和坝拦河坝管理处。
方案二（比较方案一）：工程选址在距拦河坝上游约50m处，该处河床宽204m，位于人和大桥上游，左岸灌溉取水口位置。
方案三（比较方案二）：工程选址在距拦河坝下游220m处，该处河床宽200m，流溪河大堤公路位于左岸，堤后有空地。右岸属于人和第一中学地块。
上述三个方案的综合比较见表1-1
表1 闸址比选分析表
人和坝枢纽工程选址应根据工程的功能、特点和运用要求，综合考虑地形、地质、水流、潮汐、施工、管理、以及周围建筑物环境等因素，经技术经济比较选定方案一作为推荐方案。
2.2 工程总体布置
拦河坝总长151.25m，閘室长14m，布置在河床中央，位于人和公路桥上游，相距14.173m。电站布置在左岸，进水口总宽26.25m，引水渠及前池总长64.2m。电站厂房位于公路桥下游，相距28.5m，主厂房长33.713m，宽10.5m，副厂房及安装间在主厂房左侧，进厂公路利用流溪河大堤公路并通向电站厂房。船闸仍然维持在右岸，总长190.82m，其中引航段长40m，上闸首长23m，宽26.52m，闸室长112m，净宽12m，维持下闸首不变，长11.82m，净宽8.3m。管理楼布置在右岸原管理处，共5层，总建筑面积1283m2。
2.3主要建筑物形式
1）拦河坝
拦河坝型式主要从堰型、闸门型式两个方案来确定。
水闸常用的堰型有宽顶堰和实用堰两类。其中宽顶堰应用广泛，优点是结构简单，施工方便，自由泄水的范围较大，泄流能力比较稳定，其缺点是流量系数较小。而实用堰的泄流能力受下游水位变化影响较为显著，且受力条件复杂，在实际工程中的应用远不及平底板宽顶堰普遍，因此本阶段拦河坝采用平底板宽顶堰型式。
闸门型式选择：本阶段拟定液压顶升式平面钢闸门、直升式平面钢闸门、液压翻板钢闸门三个方案进行初选。顶升式平面钢闸门具有经验成熟、行程短、景观效果好的优点；直升式闸门是最常见的型式、但存在一个通长的排架，由于周围建筑较低，影响了景观效果；液压翻板闸门没有固定的排架，景观效果好。但闸室长度相对较大，闸门维护条件较差。综上所述，从应用范围、运行条件造价、景观效果等方面比较，确定液压顶升式平面钢闸门为推荐闸门型式。
2）船闸
总体上采用对原船闸进行改造方案，具体如下：重建上闸首、对闸室右侧浆砌石挡墙进行加固，左侧浆砌石墙因人河桥重建原因而必须拆除重建，维持下闸首基本结构并对其进行加固以及改造引航道输水系统、闸门等部分组成。
根据该工程的设计水头（6.41m<30m），采用单级船闸，上闸首采用整体式结构，闸室底板与左挡墙采用整体式结构。上闸首输水系统采用集中式廊道输水系统，上闸首工作闸门采用人字闸门。
3）电站
电站实际装机2000kw，选用5台轴流式水轮发电机组，水轮机ZDT03-LH-160，一列式布置，机组间距6.16m，并布置有5台YWT-1000调速器、5组机旁屏。
电站采用立式机组地面厂房布置形式，主厂房（含安装间）净长38.5m，净宽9m，安装间布置于主厂房左侧。
4）管理楼
管理楼总建筑面积为1512m2，建筑层数为五层，平面形状为长方形，首层占地面积315m2。首层布置高、低压室等设备用房和厨房、饭堂等，二层布置中控室及办公用房，三层布置会议室及值班宿舍，四层及五层为职工宿舍。
2.4 水力计算
对选定的闸门进行过闸能力验算，计算成果见表2。设计洪水(P=2%)流量为2350m3/s时，对应上游水位6.60m，下游水位6.25m；校核洪水(P=1%)流量为2650m3/s时，对应上游水位7.14m，下游水位6.75m。
根据《水闸设计规范》（SL265-2001）的规定，拟定校核和设计两种工况进行计算，验算水闸过流能力是否满足。
依据水闸设计规范(SL265-2001)附录A对平底闸，当为堰流时公式如下，以下游水位推算不同水闸净宽，再考虑电站、船闸各相设施的布局，选定水闸总净宽B。各hs/H0都﹥0.9，采用以下公式计算。
式中：B0为闸孔总净宽，m； Q为过闸流量，m3/s； H0为计入行近流速水头时堰上水深，m；μ0为淹没堰流的综合流量系数； hs为由堰顶算起的下游水深，m。
表2 水闸过流能力验算表
由表2计算结果可知，所选的水闸净宽满足要求。
2.5 稳定计算
对人和拦河坝闸室等进行稳定计算，结果见表3。拦河闸坐落在砾砂层上，承载力标准值fk＝150kPa，摩擦系数μ＝0.40。
1）抗滑稳定计算：
式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑G为作用于闸室上的全部竖向荷载，kN；∑H为作用于闸室上的全部水平向荷载，kN； f为底板与堤基之间的摩擦系数，取f=0.4。
2）基底压应力计算：
式中：为闸室基底的最大和最小压应力，kPa； A闸室底板面积，m2；∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；W为闸室基底面对于该底面垂直于水流方向的形心轴的截面矩，m3。
表3 水闸闸室稳定计算结果表
从上述计算可知，闸室抗滑、抗浮稳定均满足要求，地基应力均小于天然地基承载能力，本工程无需进行基础处理。
3 结语
2009年工程完工至今，人和拦河坝运行良好，闸后水流流态较好，发电机组工况稳定。该枢纽工程景观设计与周边环境相得益彰，突显了节能、绿色、环保主题。本重建工程设计合理可行。
参考文献：
[1] 陈宝华, 张世儒. 水闸—取水输水建筑物丛书（第三版）[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.
[2] 华东水利学院. 水闸设计[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1983.
[3] 江苏省水利勘测设计研究院. 水闸设计规范SL265-2001[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2001
[4] 张光斗，王兆伦. 水工建筑物[M].北京: 水利水电出版社, 1992.
[5] 华东水利学校. 水工设计手册 [M]. 北京: 水利水电出版社, 1982.