珠海十八水閘拆除重建工程設計

■代 軍 ■珠海市城鄉防洪設施管理和技術審查中心，廣東 珠海 519000

1 概況

水閘閘室結構預制浮箱式鋼筋砼，2孔，總凈寬12m，閘室長17m。水閘投入使用至今已近30年，通過現閘閘室穩定復核計算，最大地基應力(圍內蓄水期，σ2=45.60KN)大于下臥淤泥層承載力特征值40KN，限于當時的建設條件，其基礎沒有進行加固處理，閘室存在嚴重的整體沉降與不均勻沉降現象。

2 存在問題

水閘原設計防洪(潮)標準為50年一遇，經過近30年的運行使用與自然沉降，閘室的整體沉降在37～107cm之間，大大降低了工程的防洪(潮)標準，目前狀況相當于甚至低于20年一遇防洪(潮)標準。

由于浮運閘地基下臥淤泥軟土，對閘室基底應力變化較為敏感，加上浮運閘特殊薄壁砼箱筏結構，潮位變化、交通橋動荷載變化均能導致基底應力大小比變幅較大，并造成閘室不均勻沉降。珠海乃至珠三角地區上世紀80～90年代修建的浮運閘，出現整體沉降與不均勻沉降的情況較為普遍，導致閘門啟閉困難，影響防洪安全而進行重建。

本水閘由于沉降差，已導致上部結構損壞和閘門啟閉運行困難，上部門架砼梁、柱出現剪切和扭裂等損壞情況，水閘啟閉運行受到困擾。

水閘閘室為預制浮箱式鋼筋砼結構，閘室上部結構包括交通橋、排架、工作橋為現澆砼。據了解，鑒于當時外海灘圍墾的施工條件，上部結構砼施工存在使用海水、海砂拌合的情況，現狀結構砼老化、開裂砼剝落和鋼筋外露、銹蝕較為嚴重，目前水閘上部門架因為砼剝離和銹蝕較嚴重，已采用水泥砂漿批擋包裹，但其內部結構問題并未解決，加上閘室不均勻沉降造成結構剪切和扭裂情況，閘室結構均存在較大安全隱患。

此外，由于浮運閘采用薄壁砼箱筏結構(空箱格筏)，鋼筋保護層厚度與結構剛度均受到一定制約。水閘交通橋與閘墩以下結構可見結構破裂、砼剝離和鋼筋銹蝕情況較為普遍，初步判斷為砼老化和閘室不均勻沉降致使結構斷裂所致，對箱筏式浮運閘底板，一旦出現斷裂或開裂，閘底漏水情況較難處理和修復。

針對以上問題，需對水閘進行拆除重建。

3 水閘設計

3.1 結構選型

閘室結構常用的結構形式有開敞式、胸墻式、涵洞式和雙層式等。由于本地區地基為淤泥軟土，閘室易出現沉降(包括不均勻沉降)，故水閘無通航要求時，優先采用胸墻式閘室結構，增強閘室整體剛度，也可減小閘門結構尺寸及重量以及門架高度。考慮到水閘將來內河清淤以及遭遇臺風等惡劣天氣時小船過閘進入內河避風的需要，故水閘重建閘室結構采用開敞式。

3.2 閘孔規模

本工程現狀水閘為雙孔閘，單孔凈寬6m，總凈寬12m。

根據閘基土質及渠底高程等條件，鶴洲北水閘選用平底板，堰頂高程－2.50m。按照排澇設計標準和外江潮水位變化過程，結合現有閘的排澇及納潮情況，初步擬定的閘孔總凈寬:單孔6米凈寬，經計算，根據計算，閘孔總凈寬的計算結果均小于初擬的閘孔寬度、引水流量亦滿足灌溉要求，故閘孔總凈寬滿足要求。

3.3 底板高程及長度

閘室底板設計高程根據閘址上下游河床高程、水閘過流斷面要求并參考原閘設計高程等確定，設計為－2.50 m。

閘室底板長度結合閘基防滲長度與閘上工作橋、閘上交通橋布置等綜合考慮。

閘基防滲長度L初步擬定按:L=C△H

式中:L——閘基防滲長度(m)，為閘基輪廓線防滲部分水平段與垂直段長度總和。

△H——上、下游水位差(m)

C——允許滲徑系數，由地勘資料所得并對照《水閘設計規范》取值。本水閘底板底鋪填中粗砂，取值5。

設計按:L=5×(2.57+0.3)=14.35(m)

本工程設計結合閘室結構布置，水閘閘室底板長度為18 m，滲徑長度滿足防滲要求。

3.4 閘頂及門頂高程

水閘閘頂高程指擋水閘門上游閘墩頂部高程。根據《水閘設計規范》SL265－2001第4.2.4條規定，水閘閘頂高程應根據擋水和泄水兩種運用情況確定。擋水時，閘頂高程不應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安全超高值之和;泄水時，閘頂高程不應低于設計洪水位或校核洪水位與相應安全超高值之和。并考慮閘基沉降、水位變化、堤頂加高等因素的影響。

由于水閘為淤泥軟土地基，預計工后會存在一定的沉降，根據《水閘設計規范》4.2.4:位于防洪堤上的水閘，閘頂高程不得低于防洪堤堤頂高程，故本工程閘頂高程為4.40 m。

本工程為開敞式，閘門頂高程為3.50 m。

3.5 交通橋

新建水閘閘上交通橋均采用梁板式結構，兩端與閘墩固結，以增加閘室整體剛度。交通橋橋面高程4.06m，橋面凈寬為6.0m，兩側設C25砼欄桿。橋面為鋼筋混凝土梁板式結構，設計過載標準為“公路－II”級。

3.6 啟閉機工作橋

水閘為雙孔閘，各布設固定卷揚式啟閉機2臺，啟閉機工作平臺長17.0m，寬4.0m，橋面高程為11.90m。

3.7 消力池及翼墻設計

水閘具有雙向排、灌功能要求，故在閘室上、下游各設置消力池及導流翼墻。經消能計算，設計消力池長度為8.50 m，池深0.50m。

3.8 海漫及防沖槽設計

護坦采用格賓石籠，具有整體性好、抗沖性能高并且適應地基變形等特點。防沖槽采用拋石構筑。如上圖。

式中:Lp—海漫長度(m)

q1—消力池末端單寬流量

ΔH'—泄水時上下游水位差

Ks—海漫長度計算系數

經計算海漫設計長度為Lp=15.0 m。

海漫末端設拋石防沖槽，長5m，深0.4～1.2m。

3.9 防滲設計

閘室長度確定既要以防滲為主，同時還應結合閘上結構及公路橋布置進行統一考慮，現確定采用閘室長度L=18m。結合基礎處理，防滲可以滿足要求。

水閘承受雙向水頭，由于水閘為淤泥軟土地基，地基采用砂墊層及粉噴樁處理。水閘地基防滲結合地基加固一并設計，考慮在水閘閘室底板上游設2道防滲密封樁，下游設1道防滲密封樁，采用深層攪拌樁搭接的形式，樁徑0.50m，樁長為8.0m，間、排距0.40m。此外，4#船閘為強風化砂巖，地基采用換填素砼及砂墊層，可滿足防滲要求。

3.1 0 地基加固設計

(1)地基加固

設計水泥粉噴樁，分承重樁和防滲樁。

承重樁:方形間隔布置，樁距1.2米(見設計圖冊:樁基礎布置圖)，樁徑為500mm，樁長20米。水泥摻入量暫定為16～20%，具體摻入量由現場試驗確定。

防滲樁:為增強閘底防滲，地基加固在底板上游設2道、下游設1道防滲樁，樁徑為500mm，樁距為400mm，相互搭接成連續墻，樁長8米。水泥摻入量暫定為16～20%，具體摻入量由現場試驗確定。

(2)承載力驗算

主要計算內容有單樁豎向承載力、復合地基承載力特征值和地基沉降，計算公式按照《建筑地基處理技術規范》JGJ79－2002有關公式計算。

1)單樁承載力計算

根據《建筑地基處理技術規范》中的兩公式作為單樁承載力的計算標準，并取其中較小值:

fcu·k—與攪拌樁加固土配比相同的室內水泥試塊的無側限抗壓強度平均值，計算取1200Kpa;

η—強度折減系數，可取0.35～0.50，計算取0.45

Ap—單樁橫截面積(按r=0.5，=0.196);

qsi—樁周土的平均摩擦力，淤泥取5～8KPa，淤泥質土取8～12KPa，對粘性土取12～15KPa;

U—樁周長，1.57m;

li—樁身有效長(按永久樁長計)，計算取15m;

qp—樁端天然地基土的承載力標準值，40KPa;

α—樁端天然地基土的承載力折減系數，可取0.4～0.6，計算取0.5;

2)攪拌樁復合地基承載力驗算

式中:fspk—復合地基承載力標準值，Kpa;

Ap—單樁橫載面積，0.196m2;

AB—單樁所承擔的加固土的面積，可取1～2 m2，計算取1.50m2;

fs·k—樁間天然地基土承載力標準值，40KPa;

β—樁間土承載力折減系數，當樁端土為軟土時，可取0.5～1.0，計算取0.85;

σ—要求的復合地基承載力，設計取65.8Kpa(無水完建期平均值);

(3)下臥層強度驗算

本工程區域淤泥層深厚，計算樁長15米，局部區域樁基以下仍有軟弱淤泥層，驗算下臥層的地基強度:

Pa＜PS

Rs—基礎實體承載力修正后標準值

Rs=fk+ ηbγ(b － 3)+ ηdγp(d － 0.5)

=40+1.1×8×(14.85－3)+1.1×(18.5－10)×(3－0.5)=167.66Kpa

滿足要求。

(4)地基沉降計算

本工程經水泥粉噴樁加固處理后，閘室沉降量計算結果如下:

外江側 S=3.98+3.04=7.02cm＜15cm，滿足要求。

內江側S=3.98+1.84=5.82 cm＜15cm，滿足要求。

兩側沉降差:7.02－5.82=1.2cm＜5.0cm，滿足要求。

均滿足《水閘設計規范》(SL265－2001)第8.3.6要求。

4 結語

水閘拆除重建后，可消除安全隱患，確保水閘發揮正常的防洪、灌溉效益，確保圍內群眾的正常生產生活，改善堤上交通狀況，特別是對當地農業灌溉有著重要意義。