水閘擴建工程布置方案研究

劉美義 李秀雯 王桂生

1 分析規劃成果,初步確定規劃參數

江風口分洪閘位于山東郯城李莊鎮沂河右堤樁號44+030處,是分沂河洪水入邳蒼分洪道的控制性建筑物。該閘建于1955年6月,為山東治淮第1閘。老閘共7孔,每孔凈寬12m,總凈寬84 m,為低實用堰型胸墻式水閘。建成以來曾多次開閘分洪,為沂河洪水調度起到了巨大作用。本次沂河治理按50年一遇洪水標準設計,當上游河道來流12 000 m3/s時,要求沂河承泄8000m3/s,江風口閘分泄4 000m3/s。原江風口閘按照20年一遇洪水標準設計,經初步測算,原7孔老閘分洪能力不滿足設計要求,需進行擴建。

對分洪閘的設計洪水位,有人認為應按分洪臨界流量時的水面線推求,這是不安全的,應考慮在設計范圍內可能出現的最高水位。這一水位一般出現在即將分洪時刻,按上游最大來流12 000 m3/s時的水面線推求是工程安全的設計條件。由上游控制樁號推至江風口閘上樁號49+430處水位58.98 m,以此水位作為設計洪水位,相應閘下水位按未分洪消力池水位考慮。至于分洪水位,由工程總布置圖(圖1),閘前洪水處于三岔口,分洪后必將引起水位降落,若按設計洪水位計算閘孔規模,則計算結果閘孔寬度偏小,故分洪規模不能按設計洪水位計算,而應采用分洪降落影響后的水位。流量系數、行近流速的選取,也要根據流態和上下游水位銜接情況研究選用。前期階段考慮河道比降、水頭跌落等因素按照數學模型計算閘前200 m處水位58.69 m,行近流速2.2 m/s。閘下水位考慮分洪設計流量和區間來水按照均勻非恒定流洪水水面線推至閘下200 m處水位為57.93 m。

2 進行水工模型試驗,合理確定擴孔規模

圖1 江風口分洪閘位置總布置示意圖

江風口原7孔老閘閘室采用低實用堰型結構,堰頂高程50.80 m,為與老閘相協調,擴建閘室堰頂高程、孔口寬度均與老閘一致,按照前面設計參數計算,擴建4孔后總泄量為4 007 m3/s。數學模型中閘前水位和行近流速等設計參數是否合理,應采用物理模型進一步驗證,為此,初步設計階段安排水工模型整體試驗。模型范圍:閘上、下游沂河長分別為600 m和1 000 m,閘下邳蒼分洪道長700 m,沂河橫向與邳蒼分洪道取至最高水位所涵蓋的全部地形。通過拉毛或碎石梅花加糙,沂河主槽糙率n沂主=0.030,沂河灘地糙率n沂灘=0.038,邳蒼分洪道河道糙率n邳主=0.035,邳蒼分洪道灘地糙率n邳灘=0.045。整體水工模型采用正態模型,模型比尺1∶60,相應的流量比尺 Qr==27 885.481,流速比尺 Vr==7.746,糙率比尺nr==1.979。沂河流量12 000 m3/s時控制沂河47+810(李莊閘)水位57.64 m和江風口閘下0+200水位57.93 m。水流穩定以后,實測邳蒼分洪道分泄4 030m3/s,相應閘前0-200水位為58.39 m,行近流速平均值為3.3 m/s。將這2個參數代入公式驗算,擴建總泄量為4 076m3/s(其中7孔老閘泄量2 593 m3/s,4孔新閘泄量1 483 m3/s)。可以看出,數學模型閘前水位高出模型試驗實測閘前水位0.30 m,但計入閘前行近流速的總水頭H0是非常接近的,過流能力計算值與試驗實測值試驗差為11%。分析認為,造成這種差別的主要原因是河道斷面變化大和計算公式中參數存在取值誤差。

3 結合地質特點,制定切實可行的擴建方案

3.1 新老閘孔之間共用1個閘墩

我國近年來多座水閘擴建,為避免基坑開挖、施工降水等造成老建筑物損壞,這些水閘的擴建部分與老閘分開布置,中間設置分流島。江風口分洪閘右岸為質地堅硬白堊系青山組的強風化和中等風化火山碎屑巖,其中強風化巖地基承載力建議值400 kPa,中等風化巖地基承載力建議值2 000 kPa,自老閘邊墩外邊緣至左側約60 m范圍內巖石層面高,再往左則為地基較差的泥巖。老閘左邊墩為混凝土重力石擋土墻結構,斷面型式為下部底寬6.9 m、頂寬1.2 m梯形結構,老邊墩迎水面布置弧門支座,墩頂布置有公路橋和工作橋排架。考慮老閘邊墩地基堅硬,且閘墩上部設有撐梁等,只要加以適當保護,施工中混凝土鑿除與澆筑時不會發生老閘墩斷裂、傾覆。因此,決定采用將新閘墩與老閘澆筑在一起布置的建設方案。即將老閘邊墩背水側鑿除部分老混凝土,并綁澆筑鋼筋混凝土,將老閘邊墩加固改造成新、老閘孔結合的中墩,閘墩兩側均布置支撐弧型鋼閘門的支座。為盡量減少因大量混凝土鑿除而拖延工期,確保施工時閘墩的側向穩定和運行期結構安全,經過大量的分析和核算,確定新老結合墩寬度為5 m(老閘中墩厚2 m,新閘中墩厚1.8 m)。結合墩上、下游容易形成紊流區,為改善水流流態,其上、下游均設置流線型墩頭(見圖2)。該方案具有閘室結構緊湊、流態好、開挖量少、占地范圍小和造價低等優點。

圖2 新、老閘共用閘墩

3.2 新老閘布置一致的防滲排水體系

因巖石存在裂隙,老閘閘室底板上游側及翼墻前布置了灌漿帷幕。擴建新閘大底板下為5～2層中等風化巖石,巖石透水率8～18 Lu,小底板下局部為強風化巖,為中—強透水性巖層。施工開挖后發現閘室及岸墻下巖基除存在少量松動、風化巖外,絕大部分巖石較為完整,但地下巖石裂隙難于準確探測。施工時要求必須清除建基面上松動、破碎巖石,超挖部分采用C20素混凝土回填,然后再按設計要求進行帷幕灌漿,灌漿帷幕設計底高程40.8 m,平均孔距1.50 m。帷幕防滲體右側與老閘翼墻底板(翼墻已拆除)上的原帷幕灌漿銜接形成封閉,左側與布置在上游翼墻底板前趾上的帷幕灌漿形成封閉,帷幕灌漿防滲體透水率不大于5 Lu。

邳蒼分洪道平時干涸,分洪時閘下起始水位低,為避免閘下消能形成的負壓和消力池下巖石滲水將消力池頂起,老閘消力池底板下設置盲管排水溝。擴建新閘消力池底板下排水設置斷面尺寸為0.3m×0.3m的8橫6縱排水盲溝,縱向排水溝滲水匯入橫向排水溝內,橫向排水溝汲水排入翼墻后面的排水體內,再由設置在翼墻上的排水管導入消力池內；消力池始端設置1排深層孔幕,孔直徑8 cm,底高程40.80 m,孔間距1.5 m,深層排水幕將閘基滲水通過消力池底板下的排水盲溝排至翼墻后。排水盲溝內埋設第3代加勁軟式排水管,其支撐體為高強鋼絲,外覆高強力特多龍紗經紗、特殊纖維緯紗和無紡土工織物組成的透水材料,具有透水、通水性高,便于接頭、轉彎處理、防淤堵等有優點,性能可靠,施工方便。

4 新閘擴建兼顧老閘,設置合理的檢修設施

江風口老閘上游無檢修設施,因沂河新建李莊攔河閘使得該閘的檢修條件發生了變化,擴建新閘和老閘均需要設置檢修門。水閘檢修門一般采用疊梁門,擴建新閘采用這種檢修方式是容易做到的。但對閘室順水流方向長度僅18 m的7孔老閘來說,閘室長度偏短,于老閘墩上開設門槽布設檢修門的難度大。考慮工程實際情況,擴建新閘檢修設施兼顧老閘,共同采用1套浮箱式鋼閘門,浮箱門尺寸為14.5 m×4m×2 m(長×寬×高)。新老結合墩設置浮箱門檢修門槽,門槽尺寸2 m×1.5 m(寬×深),擴建閘墩上游墩頭、底板上設置預埋件,7孔老閘上游墩頭、底板浮箱門停靠位置經打磨、修整處理。其工作原理是:工作門檢修時,將浮箱門拖曳至閘墩前部就位,浮箱門充水下沉擋水檢修,檢修工作完成后浮箱門排水浮起,拖走。