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(zhì)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(diào)節(jié)復核

該閘設計灌溉面積3萬畝,農(nóng)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(zhì)條件有關(guān)。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(diào)蓄計算，未引黃情況下，興利調(diào)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(diào)度，灌溉水量不足部分由黃河水解決。

表2 興利調(diào)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(nèi)，中間三孔一聯(lián)，兩側(cè)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(nèi)，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(jié)構(gòu)，內(nèi)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(jié)構(gòu)。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(nèi)，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(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(jié)果

表6 劉連閘改造后壅水計算結(jié)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(nèi)。

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(jié)構(gòu)。

(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果

表8 兩孔一聯(lián)閘室順水流方向計算結(jié)果

4 結(jié)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(cè)為2孔一聯(lián)的閘室結(jié)構(gòu)，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。