姚莊閘除險(xiǎn)加固工程總體布置與設(shè)計(jì)

魏 玲 陳亞軍

一、工程概況

姚莊閘位于沂河支流白馬河上重要節(jié)制閘，承擔(dān)上游441.29km2行洪、28.76km2排澇和周邊5.03萬(wàn)畝農(nóng)田的抗旱灌溉任務(wù)。該閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇設(shè)計(jì)、20年一遇校核，最大流量為553m3/s，工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型。水閘設(shè)計(jì)采用7孔6m升臥式閘門(mén)漫水閘結(jié)構(gòu)，閘上及兩側(cè)采用高架橋與堤防連接。該水閘在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上，采用工廠化生產(chǎn)的專利產(chǎn)品——止水接頭，既能確保質(zhì)量又方便施工，對(duì)類似工程具有一定的參考價(jià)值。

二、地質(zhì)情況

姚莊閘工程場(chǎng)地位于郯廬斷裂帶西側(cè)邊緣地帶，由于郯廬斷裂帶的影響，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性相對(duì)較差。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，相應(yīng)場(chǎng)地基本地震烈度Ⅷ度。由于場(chǎng)地受郯廬斷裂構(gòu)造活動(dòng)性的影響，抗震穩(wěn)定性差，工程位于抗震不利地段。

場(chǎng)地地下水類型為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。地下水主要接受大氣降水以及河流等地表水的入滲補(bǔ)給，地下水水位一般在27.50～25.70m，受季節(jié)性降水影響，年變幅2.0～3.0m。場(chǎng)地內(nèi)第①層壤土、①-1層淤泥質(zhì)壤土透水性相對(duì)較弱，為場(chǎng)地內(nèi)相對(duì)隔水層。第③層含砂姜粘土的富水性和透水性與砂姜的富集程度與埋藏條件有關(guān)。

根據(jù)鉆孔揭露，場(chǎng)地揭露地層為沖洪積地層，根據(jù)土層巖性、時(shí)代及工程性質(zhì)可分為4層（不含夾層），自上而下分述如下：（A）層素填土（Qml）為回填土，壤土混粉土、粉砂，局部為淤泥質(zhì)土，夾粗砂粒、小砂姜。①-1層淤泥質(zhì)壤土（Q4al+pl）局部夾粉砂層，該層為①層壤土夾層，該層土質(zhì)軟弱，壓縮性高，承載力低，建議允許承載力為70 kPa，該層不經(jīng)處理不宜直接作為建筑物持力層。①層壤土（Q4al+pl）夾粉土、粉砂薄層，夾粗砂粒，該層土質(zhì)不均勻，局部偏軟，壓縮性中等偏高，建議允許承載力為110 kPa。②-1層砂壤土夾粉砂（Q4al+pl）局部為粉砂，夾較多壤土層，局部呈互層狀，該層松散，土質(zhì)不均勻，防滲抗沖能力差，易發(fā)生滲透變形破壞，且為地震液化土層，建議允許承載力為90kPa。②層中粗砂（Q4al+pl）夾壤土層，該層稍密～中密，飽和，防滲抗沖能力差，易發(fā)生滲透變形破壞，且為地震液化土層，建議允許承載力為140kPa。③層含砂姜粘土（Q3al+pl）夾較多粗砂層，砂層厚0.1～0.5m，夾小豆?fàn)頕eMn結(jié)核及粗砂粒，夾砂姜，砂姜局部富集，砂姜直徑1～10cm不等，該層分布穩(wěn)定，厚度大，壓縮性中等偏低，工程性質(zhì)較好，建議允許承載力為250 kPa。

三、方案比選

方案一（采用漫水閘+高架橋方案）：開(kāi)敞式鋼筋混凝土水閘，閘門(mén)采用升臥式閘門(mén)。閘室共7孔，每孔凈寬為6m。工作橋、檢修便橋布置在閘室上游側(cè)，交通橋布置在閘室下游側(cè)，兩側(cè)與堤防連接采用高架橋。

方案二（漫水閘+連接道路方案）：中間為漫水閘，閘室共7孔，每孔凈寬為6m。兩側(cè)連接段采用土方回填連接，閘上交通橋梁底高程按照20年一遇洪水位加0.5m，兩端連接道路路面高程按照橋面確定，接近堤防段放縱坡。

方案三（高閘方案）：開(kāi)敞式鋼筋混凝土水閘，閘室共7孔，每孔凈寬為7m，閘門(mén)采用直升閘門(mén)。兩側(cè)采用道路與堤防相連。

三個(gè)方案經(jīng)過(guò)比選（見(jiàn)表1），設(shè)計(jì)采用方案一，即7孔6m漫水閘+高架橋方案。

四、水閘總體布置

姚莊閘總體布置上順?biāo)飨蛑行木€基本與河道中心線一致，兩側(cè)連接段采用引橋與左右兩岸相銜接。由于該閘所在河段河面開(kāi)闊、排澇水位和行洪水位相差較大，經(jīng)調(diào)查，該閘附近缺少優(yōu)質(zhì)土源用來(lái)進(jìn)行回填，需要征地或外購(gòu)，難度較大。因此采用滿足灌溉蓄水位和排澇水位要求，采用漫水閘方案，該方案行洪時(shí)可從水閘和灘面同時(shí)行洪，其最大優(yōu)點(diǎn)是能超標(biāo)準(zhǔn)洪水行洪；同時(shí)考慮該地區(qū)處于地震高烈度區(qū)，為防止閘門(mén)阻水和降低工作橋高度，采用升臥式閘門(mén)。另外，考慮該閘處于緊鄰鎮(zhèn)政府所在地，為交通頻繁地段，為保證該河道行洪期間的防汛搶險(xiǎn)且不中斷當(dāng)?shù)亟煌ǎl兩側(cè)連接段采用高架橋方案。橋梁梁底高程按照20年一遇洪水位加0.5m安全超高確定。

五、水閘設(shè)計(jì)

姚莊閘閘室共7孔，每孔為6m凈寬，共3聯(lián)，其中中間3孔1聯(lián)，兩邊側(cè)2孔1聯(lián)。工作橋、檢修便橋布置在閘室上游側(cè)，交通橋布置在閘室下游側(cè)，閘室兩側(cè)設(shè)置管理房和控制室。

閘室底板頂高程23.50m（廢黃河高程系，下同），底板底高程22.50m，閘頂高程28.70m，閘室底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)16.0m，垂直水流方向總長(zhǎng)51.84m，檢修橋橋面高程為28.70m，寬2m；閘上交通橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路—Ⅱ級(jí)，橋面高程為32.07m，橋面寬度為凈7.5m+2×0.5m，橋板采用預(yù)制混凝土空心橋板，橋板跨徑隨閘室尺寸，分別為7.06m、6.96m；閘兩側(cè)引橋設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路—Ⅱ級(jí)，橋面高程為32.07m，橋面寬度為凈7.5m+2×0.5mm，橋板采用10m跨預(yù)制混凝土空心橋板，雙柱排架式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用直徑80cm灌注樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用樁柱+擋土墻組合式橋臺(tái)；上游鋪蓋采用鋼筋混凝土鋪蓋，長(zhǎng)13m，下游鋼筋混凝土消力池，水平段共長(zhǎng)20m，池深1.5m，下游混凝土海漫長(zhǎng)50m；水閘末端設(shè)2m深防沖槽；閘上、下游河道護(hù)砌：護(hù)底為現(xiàn)澆混凝土，護(hù)坡為預(yù)制混凝土塊；水閘范圍內(nèi)灘面及堤防內(nèi)護(hù)坡采用植草磚進(jìn)行護(hù)砌；閘上、下游翼墻平面布置采用直線加圓弧組合的布置型式，緊挨閘室第一、二、三節(jié)翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式翼墻，閘上翼墻底板底高程23.00m，閘下翼墻底板底高程20.90m，第四節(jié)翼墻采用鋼筋混凝土懸臂式翼墻，閘上底板底高程23.00～26.00m，閘下底板底高程22.60～27.10m。

在閘室兩側(cè)設(shè)橋頭堡，用作中控室兼管理房（賠償原管理房），為板梁柱結(jié)構(gòu)，平面尺寸為12.45m×6.0m，共兩層。升臥式主閘門(mén)采用5.96m×4.4m平面閘門(mén)，配QPQ-280kN雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)7臺(tái)套，配套電機(jī)功率為7.5kW。另設(shè)檢修鋼閘門(mén)一套，配30kN雙吊點(diǎn)電動(dòng)葫蘆1臺(tái)。由于該閘底板坐落在第②-1層砂壤土夾粉砂層上，該層為地震液化土層。該工程采用換填12%水泥土進(jìn)行換基處理，壓實(shí)度不小于0.95。

表1 各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

姚莊閘工程閘室布置根據(jù)上部結(jié)構(gòu)功能要求進(jìn)行布置，根據(jù)計(jì)算，該建筑物的雙向抗滑、地基應(yīng)力和不均勻系數(shù)方面均滿足規(guī)范要求，其最不利計(jì)算工況由地震期不均勻系數(shù)控制。

根據(jù)水閘上下游水位、下游Q～H曲線、閘門(mén)開(kāi)度等，經(jīng)計(jì)算，在小流量（65m3/s）時(shí)，消力池計(jì)算深度最深（1.35m）；在較大流量（451.7m3/s）時(shí)，消力池計(jì)算長(zhǎng)度最長(zhǎng)（18.9m）；在最大流量（553m3/s）時(shí)，消力池計(jì)算厚度最厚（0.8m）。根據(jù)閘單寬流量、上下游水位和地質(zhì)情況等，經(jīng)計(jì)算，海漫長(zhǎng)度最長(zhǎng)為48m，海漫末端河床沖刷深度計(jì)算最深為3.8m，均滿足設(shè)計(jì)要求。

六、結(jié)語(yǔ)

姚莊閘緊鄰鎮(zhèn)區(qū)，是地震烈度較大、正常擋水和行洪水位相差較大的水閘，再加上山區(qū)可能超標(biāo)準(zhǔn)來(lái)水，因此在水閘總體布置要統(tǒng)籌考慮。該閘在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮其位于8度地震區(qū)，采取升臥式閘門(mén)方案，可顯著降低排架高度，有利于抗震；閘室底板段的檢修門(mén)槽和主門(mén)槽間墩墻范圍內(nèi)，內(nèi)側(cè)由上往下漸變縮小了2cm，形成上大下小的楔形結(jié)構(gòu)，止水效果較好且便于運(yùn)行管理。在設(shè)計(jì)中，水平止水之間、水平與垂直止水連接均采用定型連接接頭（類似于管路的三通接頭），既能保證施工質(zhì)量，止水效果好，又能提高施工效率。目前水平止水連接裝置已取得國(guó)家實(shí)用新型專利；垂直止水與水平止水的連接裝置已由國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局受理，正在辦理。該工程設(shè)計(jì)成果對(duì)今后徐州東北部沂蒙山區(qū)來(lái)水片區(qū)的水閘設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用