齊河縣劉連閘除險加固工程設計

蘭 強

(山東新匯建設集團有限公司，山東 東營 257000)

1 引言

我國早期修建了大量水閘以改善水資源時空分布差異性大的問題[1-3]，受限于當時的科技、經(jīng)濟水平，工程建設質量較差，在使用過程中出現(xiàn)了安全隱患，對水閘作用的發(fā)揮和水利工程的安全帶來了較大的威脅[4-6]，針對這類水庫采用加固處理措施是十分必要的[7-9]。

劉連閘興建于1978年，閘總長62.4 m，凈寬46.4 m。底板高程14.03 m，設計蓄水量269萬m3，設計蓄水位18.03 m，設計灌溉面積3萬畝。

2 興利調節(jié)復核

該閘設計灌溉面積3萬畝,農業(yè)灌溉定額P=50%，凈灌溉定額=195 m3/畝，水利用系數(shù)為0.66(渠灌為0.60,井灌為0.82)，需水量885萬m3，作物種植比例為小麥0.9，玉米0.6，棉花(包含經(jīng)濟作物)0.2，復種指數(shù)1.7，全年灌溉用水量過程見表1。

表1 全年灌溉用水量過程表

蒸發(fā)損失采用凈蒸發(fā)損失，即蒸發(fā)減降雨。滲漏損失與水閘防滲措施和地質條件有關。蒸發(fā)滲漏水量按水閘月末蓄水量的1.5%估算。

根據(jù)灌溉用水需要進行P=50%保證率下的調蓄計算，未引黃情況下，興利調節(jié)計算見表2。

經(jīng)過計算，劉連閘設計最大蓄水量為269萬m3，可提供的灌溉用水量為336萬m3，可滿足灌溉面積1.14萬畝。實際運行中，潘莊灌區(qū)引黃水與上游來水聯(lián)合調度，灌溉水量不足部分由黃河水解決。

表2 興利調節(jié)計算表(未引黃情況下) 單位：萬m3

3 水閘除險加固工程設計

3.1 閘型比選

攔蓄工程型式主要有提升閘、底軸翻板鋼閘、橡膠壩三種，現(xiàn)對這三種方案進行比選。

3.1.1 提升閘方案

攔河閘位于主河槽內，中間三孔一聯(lián)，兩側兩孔一聯(lián)，閘孔凈寬6.0 m。

方案一控制段見圖1。

3.1.2 底軸翻板鋼閘方案

攔河閘布置在主河槽內，共設1孔，總凈寬42 m，液壓啟閉機。底板為折線型，頂高程13.15 m～14.15 m，順水流方向長13 m，寬51.3 m，分兩聯(lián)。中墩及邊墩為C25鋼筋砼空箱結構，內置液壓啟閉設備等，邊墩寬4.65 m。閘門為鋼制底軸翻板門，設計擋水位為18.03 m，門頂考慮超高后頂高程為18.35 m。

圖1 方案一水閘簡圖

閘室下游消力池段布設交通橋。C30鋼筋砼交通橋面凈寬5.0 m，橋面高程21.13 m。交通橋總長86 m(包括兩岸各8 m長橋頭搭板)共7孔，每孔凈寬10 m，均采用裝配式鋼筋混凝土空心板結構。橋墩為直徑1.2 m的雙排C25鋼筋砼圓柱，下設樁基。

上下游連接段及渡槽布置同提升閘方案。

方案二控制段見圖2。

圖2 方案二簡圖

3.1.3 橡膠壩方案

橡膠壩布置在主河槽內，設1孔，凈寬42 m，壩底板順水流方向長12 m，寬42 m，分兩聯(lián)。

方案三控制段見圖3。

圖3 方案三簡圖

三個方案對比分析見表3。

表3 閘型方案比選分析表

從以上三個方案綜合對比分析，本工程選用提升閘方案。

3.2 閘室結構及閘孔設計方案

在保證閘孔總凈寬不變的前提下，設計不同孔徑、孔數(shù)的三種閘型進行方案比選。

(1)方案一

改建閘室部分共10孔，采用整體式底板，中間為4孔一聯(lián)，兩側為3孔一聯(lián)。

(2)方案二

改建閘室部分共7孔，采用整體式底板，中間為3孔一聯(lián)，兩側為2孔一聯(lián)。

(3)方案三

改建閘室部分共4孔，每孔凈寬10.5 m，閘墩、承臺、底板均為鋼筋混凝土結構，閘底板為分離式底板，大底板兼做樁基承臺，順水流方向長13 m，閘室總寬48 m。

由于采用原設計標準過閘流量不變，上下游連接段基本相同，現(xiàn)僅對閘室部分進行方案比選。見表4。

表4 閘孔設計方案比選參數(shù)表

經(jīng)過各項因素綜合考慮，擬選擇方案二為建設方案。

3.3 水閘改造后行洪能力分析

采用平底閘堰流處于高淹沒度時的公式計算，改造前后壅水結果，見表5、表6。分析劉連閘改造前后對河道防洪能力的影響。

表5 劉連閘改造前壅水計算結果

表6 劉連閘改造后壅水計算結果

經(jīng)計算，劉連閘改造后壅水高度略高于改造前，經(jīng)與防洪規(guī)劃部門溝通，確定改造后的水閘壅水高度在允許范圍內。

3.4 閘室穩(wěn)定性計算

劉連閘為鋼筋混凝土開敞式中型水閘，閘室總長51.24 m，設7孔6 m×4.2 m(寬×高)的平板鋼閘門。底板為鋼筋混凝土整體式底板，分三聯(lián)。底板厚1.2 m，順水向長15 m。中墩厚1.0 m，邊墩厚1.0 m，墩高6.30 m，為鋼筋混凝土結構。

(1)計算工況及荷載組合

1)完建期工況：無水。

2)校核工況：閘上游水位：18.35 m，閘下游無水14.15 m。

(2)計算要求及公式

具體計算公式如下：

①地基應力

當結構布置及受力情況對稱，按下式計算：

式中：Pmaxmin基底壓力最大值或最小值，kN/m2；∑G全部豎向荷載；∑M全部豎向荷載和水平荷載對于形心軸的力矩，kN·m；A閘室基礎底面面積，m2；W垂直水流方向形心軸截面矩。

當結構布置及受力情況不對稱，按下式計算：

式中：∑Mx、∑My豎向荷載、水平荷載對于基礎底面形心軸x、y的力矩，kN·m；Wx、Wy閘室基礎底面對于形心軸x、y的截面矩。

②抗滑穩(wěn)定

式中：K抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f基礎底面與地基土之間的摩擦系數(shù)；∑H作用在閘室上的全部水平荷載。

經(jīng)計算水閘抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足要求，地基需采取專項處理措施以滿足承載力要求。

表7 三孔一聯(lián)閘室順水流方向計算結果

表8 兩孔一聯(lián)閘室順水流方向計算結果

4 結論

齊河縣劉連閘在長期使用過程中安全性下降，經(jīng)過安全鑒定屬于四類閘，通過興利復核，可滿足灌溉面積1.14萬畝，不足部分可由黃河水補給；通過方案比選采用提升閘方案、改建閘室部分共7孔，采用整體式底板，中間為3孔一聯(lián)，兩側為2孔一聯(lián)的閘室結構，具有工程投資低等特點，經(jīng)過穩(wěn)定性復核滿足規(guī)范要求，可通過地基處理以滿足地基承載力需求。