馬頰河仙人橋閘除險加固方案比選及水力計算

范立群，任高珊，宋文燕

(德州市水利局，山東 德州 253000)

1 工程概況

仙人橋閘位于山東省德州市陵城區馬頰河干流167+520處，馬頰河分洪道口以下30 m處，興建于1970年4月，1970年9月竣工，為3孔開敞式鋼筋混凝土框架式，設升臥式平板鋼閘門。除險加固前，原閘總長34.8 m，凈寬30 m,每孔凈寬10 m，閘底板高程14.30 m。設計防洪流量318 m3/s，相應閘上水位20.32 m；排澇流量283 m3/s，相應閘上水位19.45 m。設計蓄水量418萬m3，屬中型水閘。主要工程任務為蓄水灌溉和防洪排澇，設計灌溉面積0.27萬hm2，控制流域面積4869 km2，實際灌溉面積0.13萬hm2。水閘設計最大過閘流量為455 m3/s，為3級水工建筑物。

2 水閘病險現狀及安全復核

仙人橋閘投運已50余年，在農業灌溉、防洪除澇等方面均發揮非常大的作用，取得顯著效益。安全復核結果表明水閘過流、結構應力和閘室抗滑穩定等滿足要求，但由于受服役年限長、建設標準低、養護不到位等因素制約，水閘長期“帶病超期超載”服役，存在嚴重安全問題[1-2]，即：閘上、下游淤積嚴重，現狀分洪能力不足；混凝土結構老化、強度低，鋼筋銹蝕嚴重；消能防沖設施損毀，上下游護坡部分脫落坍塌；水閘滲透變形，下游護坡塌陷等病險問題，亟須進行除險加固處理。

根據《山東省海河流域綜合規劃》，仙人橋閘50 a一遇洪水過閘流量確定為455 m3/s，水閘現狀能力滿足要求。但由于閘上(下)游淤積、主體結構老化、消能防滲設施損毀等問題，嚴重制約水閘興利效益的發揮[3]。經安全檢測復核，工程存在嚴重安全問題，鑒定為三類閘，需進行除險加固，以恢復水閘蓄水灌溉、防洪除澇和生態景觀等運用功能及效益。

3 水閘除險加固設計

結合現場踏勘及安全鑒定結果，仙人橋閘現狀閘址優良，原閘址除險加固方案為最佳方案。水閘除險加固工程按50 a一遇馬頰河下泄流量846 m3/s，過閘流量455 m3/s，擋水高度5.00 m，3級水工建筑物進行設計。

3.1 除險加固方案比選

仙人橋閘為原閘址處拆除改建。綜合考慮地形地質適宜性、施工組織、運行管理等因素[4]，設計優選2個方案(原址改建5孔、原址改建3孔)，從技術、經濟等方面進行對比分析，比選結果如表1所示。

表1 除險加固方案技術經濟比選結果

從表1可知，原址改建3孔方案基本沿用原水閘主體結構，原水閘已歷經50余年的服役及多次大洪水考驗，水閘結構形式安全耐用，耐久性與原址改建5孔方案相當；3孔方案閘門數量少、啟閉運行管理靈活方便；兩個方案均能在洪水末尾及時攔蓄尾水，蓄水保證率高，更好補源地下水。另外，3孔方案雖施工難度較5孔方案大，但其投資僅1074.43萬元，相比5孔方案的2809.60萬元要少1735.17萬元，經濟效益更高。因此，設計推薦優選與工程匹配性更高、技術經濟性更優的原址改建3孔方案。

3.2 水閘構建物布置

仙人橋閘校核洪水位上游(P=2%)為20.44 m，下游為20.12 m，相應最大過閘流量455 m3/s；設計洪水位上游(P=5%)為20.25 m，下游為20.12 m，相應最大過閘流量318 m3/s；設計擋水水位19.30 m，擋水高度5.00 m。

改建的仙人橋閘采用鋼筋混凝土開敞式結構，共3孔，每孔凈寬10 m，接長原有閘室中墩，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.2 m，閘室總寬34.8 m，順水向長14.0 m，底板頂高程14.3 m。底板采用原閘底板，并進行加固維修處理。閘墩頂高程21.3 m，閘墩頂部從上游至下游依次設置檢修橋、檢修門槽、工作門槽及交通橋。閘墩頂設鋼筋混凝土排架柱，頂高程27.8 m；排架頂設機架橋，機架橋頂高程 28.8 m，閘室左側(北岸)設橋頭堡，寬7.2 m，長7.0 m。閘室兩側設橋頭堡，橋頭堡基礎采用鋼筋混凝土灌注樁。維修上、下游現狀破損漿砌石護坡，原有漿砌石護坡進行勾縫加固處理。原海漫、防沖槽全部保留，并對破損部分進行修復加固。新建閘室與原閘底板之間進行鑿毛處理，并敷設鋼筋網，并采用C30混凝土重新澆筑頂面。主體結構混凝土外漏面利用防腐涂料進行補強防腐處理。

4 水閘水力計算

4.1 過流能力分析

按《水閘設計規范》(SL 265-2016)中寬頂堰淹沒公式[5]，對改建的水閘過流能力進行演算，計算結果如表2。

表2 仙人橋閘過流能力復核成果

根據表2計算成果知：校核洪水工況閘前水位20.44 m時，水閘過流能力為455.93 m3/s；設計洪水工況閘前水位20.25 m時，水閘過流能力為 321.19 m3/s。現狀情況下50 a一遇閘上洪水位較設計規劃要高190 mm，馬頰河馬才老河閘段局部水位會出現雍高。查看《山東省海河流域綜合規劃》，仙人橋閘所處的馬頰河干流河道其現狀堤防高度能夠滿足洪水超高要求，即在閘孔總凈寬選定為30 m的情況下，設計洪水工況閘前水位雖略高于正常蓄水位，但由于河道堤防的整體防護，上游淹沒損失非常小。因此，為最大程度發揮仙人橋閘除險加固工程效益，閘孔總凈寬維持原來的30 m基本合適，基本符合規范指標要求。

4.2 閘頂高程確定

閘頂高程應根據水閘擋水和泄水兩種運用情況確定[6]。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)與相應安全超高之和。根據規范SL 265—2016，分析得閘頂高程計算成果，如表3所示。

表3 閘頂高程計算成果 m

根據表3計算成果知：閘墩頂高程應不小于20.95 m，取閘墩頂高程21.30 m，滿足規范要求；依據規范SL 265—2016，檢修橋和生產橋的梁(板)底高程均應高出最高洪水位0.5 m以上，下游50 a一遇校核洪水位為20.12 m，則生產橋的梁(板)底高程最小高程不應低于20.62 m，設計生產橋底高程為20.90 m，生產橋板厚0.7 m，鋪裝厚18 cm，綜合確定交通橋頂高程為21.80 m。上游最高洪水位為20.44 m，則檢修橋梁底高程不應低于20.94 m，設計檢修橋底高程確定為閘墩頂高程21.30 m，滿足規范要求。

4.3 消能防沖

閘門局部開啟時，下泄流量較小，下游水位不高，閘下泄流速度較大，會對下游河床造成嚴重沖刷，故僅對水閘最高擋水位時，閘門部分開啟工況進行消能工復核。為保證無論何種開啟高度的情況下，均能發生淹沒式水躍消能，采用閘前正常水深H=5.5 m，開1孔、3 孔。閘門按照1.1 m高度差逐級提升，計算得消力池特性參數分析結果，如表4所示。

表4 消力池特性參數分析結果

根據表4計算成果，結合仙人橋閘工程特性并參照同類已建工程經驗，設計確定消力池采用綜合式消力池，下挖深1.0 m，總長度20.0 m，厚0.6 m；消力池首部采用1∶4斜坡，平直段消力池高程13.3 m。仙人橋閘原設置15.0 m長干砌塊石海漫，干砌塊石海漫至改建后C30鋼筋混凝土消力池末端長度達20.0 m，原設計海漫長度符合要求。仙人橋閘原拋石防沖槽順水流向長10.0 m，深度為2.0 m，滿足構造要求。除險加固工程考慮采用格賓網墊進行防護，防沖槽石塊單塊重量不低于50 kg。

4.4 穩定性分析

仙人橋閘為鋼筋混凝土開敞式中型水閘，設3孔10.0 m×5.5 m(寬×高)的平板鋼閘門，閘門底板順水流方向長14.0 m，承臺寬5.0 m，其底板為鋼筋混凝土結構，墩高7.0 m，厚1.2 m，鋼筋混凝土結構。穩定性分析計算工況為：①完建期工況:上、下游水位平閘底板，閘前閘后水位均為14.30 m。荷載組合：設備重+結構自重+土壓力+活荷載+揚壓力。②設計洪水位工況:閘門全開，閘前設計洪水位20.25 m，閘后相應水位20.12 m。荷載組合：設備重+結構自重+風荷載+浪荷載+活荷載+土壓力+閘上水重+靜水壓力+揚壓力。③校核洪水位工況：閘門全開，閘前校核洪水位20.44 m，閘后相應水位20.12 m。荷載組合：設備重+結構自重+風荷載+浪荷載+土壓力+閘上水重+靜水壓力+揚壓力。中墩和邊墩穩定性分析結果，如表5和表6所示。

表5 中墩穩定性分析結果

表6 邊墩穩定性分析結果

根據表5和表6計算成果知：邊墩、中墩的地基應力不均勻系數及抗滑穩定均滿足規范要求。但邊墩、中墩的基底應力均大于地基承載力允許值80 kPa指標要求，最大值甚至在地基承載力允許值的2倍以上，不滿足地基承載力要求，需進行地基處理才能達到地基應力要求。采用鉆孔鋼筋混凝土灌注樁進行補強處理，即：中墩樁，梅花型布置，深13.0 m共5根，深11.0 m共9根；邊墩樁，梅花型布置，深16.0 m共7根，深18.5 m共7根進行樁基處理后，地基承載力滿足100 kPa允許值要求。

5 結 論

通過對仙人橋閘除險加固技改方案的可行性與經濟性進行論證分析，主要取得如下結論：

(1)根據現場檢測和安全鑒定復核成果，仙人橋閘屬長期“帶病超期超載”服役的病險水閘，水閘運用指標無法達到設計標準，存在嚴重的安全問題，被鑒定為三類水閘，急需進行除險加固消除病險隱患，確保其功能和效益穩定發揮。

(2)綜合考慮水閘病險現狀、主體結構性能、運行維護和工程投資等條件，優選與工程實際相匹配的原閘址3孔改建方案。

(3)水力計算及穩定性分析成果表明，原閘址3孔改建方案合理可行。工程實施后，水閘的擋蓄水和泄洪能力將得到提高，同時可為德州地區農業灌溉、生態景觀等提供水源保障和條件。