三劉攔河閘除險加固工程設計及結構計算

何 麗，王珊珊

(德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253000)

1 工程概況

三劉攔河閘位于德州市陵城區馬頰河干流210+000里程處，由山東省根治海河指揮部設計興建，于1970年11月開工，1971年8月竣工，為11孔開敞式鋼筋混凝土框架式結構。閘底板高程8.58 m，閘前堤頂高程15.81 m。設計防洪流量759 m3/s，相應閘上水位15.04 m；排澇流量496 m3/s，相應閘上水位13.61 m。設計蓄水量570×104m3，最大蓄水量610×104m3，屬中型水閘。主要工程任務為蓄水灌溉，受益范圍為林子鎮、滋鎮、翟家3個鄉鎮，設計灌溉面積0.266 7×104hm2，控制流域面積5 772 km2。按照《水閘設計規范》(SL265-2016)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)規定，工程等別為Ⅲ等，攔河閘按3級建筑物設計。

2 工程現存主要問題

三劉攔河閘是以農業灌溉為主，兼顧生態環境等綜合利用的中型水利工程，建成運行近40年，在防洪排澇和灌溉中發揮了巨大的作用，效益顯著。水閘前后河道多年淤積，閘室前后淤積嚴重，河槽基本淤平，現狀過流能力不足，嚴重影響排澇、泄洪和蓄水灌溉。閘墩和交通橋混凝土老化、碳化、開裂、破損、露筋，機架橋矮、閘門提不到設計高度危及閘室運行安全。閘門銹蝕、啟閉機及附件工作性能差、電氣及自動控制設備老化失修，閘門與閘墩間止水橡皮氧化破損、漏水嚴重。三劉閘現存典型問題見圖1。

圖1 三劉閘現存典型問題

根據水閘現狀結構布置，閘基滲流異常值達到33 mV，滲透變形嚴重。閘底板斷裂現狀也證明閘基滲透變形嚴重，對閘室安全構成嚴重威脅。平板閘按堰流公式對三劉閘過流能力進行復核，結果表明：50年一遇設計防洪水位14.64 m，設計防洪流量900 m3/s，而水閘現狀最大過閘流量為770.18 m3/s，水閘現狀過流能力不滿足要求。閘基現狀防滲長度23.72 m小于規范計算的42.28 m要求，出口段滲透坡降0.867大于規范0.4～0.5指標要求，閘基防滲和滲流均不滿足規范要求。水閘現狀過流能力嚴重不足、閘基防滲及滲流性能差、閘墩鋼筋混凝土結構強度不足、輔助設施老化嚴重等，急需進行詳細除險加固處理，以恢復水閘正常的農業灌溉和防洪排澇功能[1-2]。

3 三劉攔河閘拆除重建設計

3.1 拆除重建方案優化比選

3.1.1 閘址比選

結合三劉攔河閘現狀地形及地質水文條件，設計優選原閘址和引水閘閘址209+850篤馬河河口附近兩個閘址進行對比分析，見表1。

從表1可以看出，在原閘址位置拆除重建新閘具有地形地質適應性強、拆除料石重復利用、地基處理費用低、工程投資較少等優點，經技術、經濟等因素綜合分析，優選原閘址210+000處拆除重建方案。

表1 閘址選擇方案對比

3.1.2 閘型比選

在原閘址210+000處通過拆除重建方式，恢復水閘農業灌溉和防洪排澇功能效益。綜合考慮各方面因素，設計優選提升閘、底軸翻板鋼閘、橡膠壩3種閘型進行比選，見表2。

表2 閘型選擇方案對比

從表2可以看出，3種閘型均能滿足工程攔蓄灌溉和防洪排澇功能。綜合比選表明，提升閘方案雖阻水性能較大，但相比另外兩個方案其運行靈活、檢修維護便捷、使用壽命長，且投資也較適中，因此優選提升閘閘型。

3.2 攔河閘構建物布置

三劉攔河閘設計蓄水位13.08 m，蓄水量570×104m3；最大蓄水位13.58 m，蓄水量610×104m3；排澇流量496 m3/s，防洪流量900 m3/s。

3.2.1 閘底板高程確定

閘底板高程應根據河底高程、水流、泥沙、閘址地形、閘址地質等條件，結合選用的堰型、門型，經技術經濟比較確定。三劉攔河閘為除險加固工程，因此閘底板高程與原閘底板高程齊平，即與河底高程齊平,高程為8.58 m。

3.2.2 結構布置

攔河閘布置在主河槽內，為樁基開敞式閘室，8孔，每孔凈寬10 m，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.0 m，總寬88.4 m。底板為分離式平底板，順水向長15 m，頂面高程為8.58 m，與小底板間設永久止水縫。承臺寬5 m，厚1.5 m，下設12根直徑1.0 m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，垂直水流向分兩排布列，入土深28 m。小底板厚0.70 m。

閘室中部閘墩側設76 cm×35 cm(寬×深)閘門槽，置10 m×5 m雙吊點平板鋼閘門，其上游側設60 cm×30 cm檢修工作門槽，鋼結構疊梁平板門，可在水深4.5 m以下進行檢修；中墩墩身上下游均設半圓墩頭。閘墩頂高程16.08 m，上游側設寬1.2 m工作橋。

閘上游連接段由鋪蓋、上游護坡組成。C25鋼筋砼鋪蓋長25.0 m、寬88.4 m，厚0.5 m，兩岸采用M10漿砌石護坡和C25鋼筋砼弧形翼墻。上游護坡頂高程15.58 m。閘下游連接段由反濾蓋板、消力池、海漫、下游防沖槽及下游護坡組成。消力池為C25鋼筋混凝土結構，池深1.2 m，寬88.4 m，總長20.0 m，底板厚0.5 m；其后為長35 m的M10漿砌塊石海漫，海漫頂高程8.58 m，護砌厚度0.4 m；海漫下游為拋石防沖槽，順水流長度為1.2 m，拋石深度2.0 m，兩側采用M10漿砌石護坡。下游護坡頂高程15.58 m。消力池、海漫和拋石防沖槽兩側均采用M10漿砌石護坡。

4 攔河閘構建物設計計算

4.1 過流能力計算

50年一遇設計防洪水位14.64 m，設計防洪流量900 m3/s。按照《水閘設計規范》(SL 265-2016)要求[3-4]，平原地區水閘過閘的上下游水位差可采用0.1～0.3 m，設計選定B0=80 m為宜，相應上下游水頭差為防洪時期Z=0.129 m，相應閘前水位為14.769 m；校核時期Z=0.183 m，相應閘前水位為14.823 m。設計閘底板高程8.58 m，8孔，每孔凈寬10 m，閘門高5 m，閘孔凈寬80 m。在設計流量900 m3/s時，取行進流速為1.29 m/s，上下游水位差取0.183 m，此時閘孔過流能力為1 076.38 m3/s，大于900 m3/s，水閘過流能力滿足要求。

4.2 水閘改造后對河道防洪能力的影響

采用平底閘堰流處于高淹沒度條件，在不同行洪流量工況下分別進行分析，計算得到三劉閘改造后壅水結果，見表3。

從表3可知，水閘改造后閘前水深加大，閘前淤積得到處理，蓄水能力擴大[5]；閘孔總凈寬由改造前61.6 m增加至80 m，水閘行洪斷面增大，行洪能力增加；壅水高度較改造前減小，泄水水流受阻阻力降低，行洪過流通暢。

表3 水閘改造前后壅水計算成果

4.3 消能計算

水閘下游河道主河槽近似為梯形斷面，渠底寬35 m，邊坡1∶2.5，比降1/6 600，糙率選用0.025，水位流量關系按明渠均勻流進行分析。閘門不同開啟高度水力特性見表4。

表4 消力池水力特性計算成果

根據表4計算成果，海漫計算得34.68 m，沖刷深度計算得d′=6.54 m。參照水閘設計規范條文說明防沖槽計算值一般較大[6]，如按6.54 m作為防沖槽深度，既不經濟，施工也困難，工程經驗一般取防沖坑深度1.5～2.0 m。由計算結果結合工程實際情況并參照同類已建工程經驗，設計優選消能防沖設施尺寸為：消力池深度為1.2 m，池長14.2 m，底板厚0.5 m，海漫長35 m，防沖槽深度2 m。

4.4 閘室穩定性分析

閘基采用混凝土灌注樁基，分離式小底板，上部荷載通過承臺由樁基承擔[7]。閘室穩定性分析計算工況為：①完建無水工況:地下水位在承臺以下；②設計蓄水位工況:上游擋水高程13.08 m，下游尾水高程8.580 m，排水有效；③校核蓄水位工況:上游擋水高程13.58 m，下游尾水高程8.580 m，排水有效。按《水閘設計規范》(SL 265-2016)推薦公式,計算得三劉攔河閘閘室和閘墩穩定性分析成果，見表5和表6。

表5 閘室穩定性計算成果

表6 閘墩抗滑穩定性計算成果

從表5和表6可知，不同運用工況條件下，閘室地基應力均大于300 kPa指標。閘室段抗滑穩定安全系數均大于規范要求的1.25允許值，滿足規范要求。

5 結 論

三劉攔河閘是陵城區重要的攔蓄灌溉和防洪排澇工程。由于受當時設計標準偏低、施工質量較差和管理維護措施落實不到位等因素的影響，加上近40年運行，攔河閘存在閘前后河道和閘室前后淤積、泄流能力不足；閘墩混凝土碳化漏筋、結構穩定性差；過流凈寬不足、泄洪排澇不暢；防滲止水老化缺失、滲漏嚴重等問題，急需通過詳細計算分析優選合適除險加固改造方案，以恢復攔河閘的蓄水灌溉和防洪排澇功能。

根據攔河閘現存主要問題、河段地形地貌和閘室結構，結合調洪分析成果，優選地形地質適應性強、施工便捷和工程投資較經濟的原閘址拆除重建方案和提升閘閘型。通過原閘址拆除重建工程的實施，攔河閘不僅閘前水深增加，河水攔蓄能力增大，可為灌區農業生產提供可靠、足量水資源。同時，閘孔凈寬增加，壅水高度降低，閘自身防洪排澇性能增大，泄水阻力降低行洪過流通暢，避免上游洪水漫堤，確保兩岸居民人身財產安全。