某水閘現(xiàn)狀存在的問題及除險加固措施分析

郭 龍

（甘肅大禹節(jié)水工程設(shè)計有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000）

1 水閘管理現(xiàn)狀

某水閘位于臨夏市境內(nèi)的黃河中游河段上,水閘上游建有1座小（1）型水庫,閘址與水庫間的區(qū)間集雨面積為99.93 km2,干流長17.65 km, 平均坡降3.64‰。水閘設(shè)計灌溉面積0.24 萬畝,是一座以灌溉為主的Ⅲ等水利工程。水閘在順?biāo)鞣较蛴缮嫌芜B接段、閘室段和下游連接段組成。上游連接段主要為右岸漿砌石翼墻,墻長5.0 m,高1.8 m,底板高程13.30 m,閘室上部設(shè)跨河灌溉渡槽。下游連接段主要由閘后混凝土溢流面和右岸漿砌石翼墻組成,溢流面建于巖基之上,平均坡度為1∶5。水閘閘室軸線長41.5 m,從左至右分別為：左岸連接段,寬5.47 m；立軸搭疊鋼制閘門段,總寬19.0 m,由7 扇2.5 m×2.1 m立軸鋼制搭疊門組成；鋼制提升閘門段,總寬3.95 m,由1扇2.75 m×2.4 m鋼制閘門和上部螺桿啟閉機組成；立軸搭疊鋼制閘門段,寬7.5 m,由3 扇2.5 m×2.1 m立軸鋼制搭疊門組成；引水閘門段,寬2.8 m,由1扇1.9 m×2.1 m鋼制閘門和上部螺桿啟閉機組成組成；右岸連接段,寬2.74 m。水閘至今運行近30 年,現(xiàn)水閘老化嚴(yán)重,灌溉功能基本失效,工程效益無法發(fā)揮,且影響下游人民群眾財產(chǎn)安全,對坪田水閘進行出險加固是當(dāng)?shù)乩习傩盏钠惹性竿?/p>

2 水閘存在的主要問題

水閘至今運行將近30 年,期間未采取任何系統(tǒng)、有效的加固措施,致使主要建筑物安全隱患已明顯暴露且存在逐年加劇的趨勢。根據(jù)現(xiàn)場查勘情況,現(xiàn)將水閘存在的主要問題分述如下：

（1）土石結(jié)構(gòu)工程。坪田水閘土石工程主要包括右岸上、下游連接段的翼墻和閘室段左岸的漿砌預(yù)制水泥空心磚墻。右岸上游連接段翼墻長5.0 m,墻高 1.8 m,漿砌石結(jié)構(gòu),翼墻首端已經(jīng)倒塌,倒塌長度約1.0 m,剩余部分墻體也不同程度的存在勾縫脫落和裂縫。右岸下游翼墻為引水渠外邊墻,漿砌紅磚結(jié)構(gòu),長約15.0 m,高1.7 m,墻體存在表面砂漿抹面脫落、裂隙和滲水漏水現(xiàn)象。閘室段左岸漿砌預(yù)制水泥空心磚墻長約3.5 m,高2.3 m,墻體高度不滿足防洪要求,造成閘室左岸連接段土體及左岸河岸被沖刷、掏空嚴(yán)重。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)工程?；炷两Y(jié)構(gòu)工程主要有閘墩、跨河灌溉渡槽、閘室底板及閘后溢流面。閘墩混凝土存在級配不合理,卵石粒徑過大,有的超過了10 cm, 砼標(biāo)號較低,振搗不密實,普遍存在蜂窩麻面、施工接縫不良及底部掏空。跨河 灌溉渡槽存在骨料級配不合理,砼標(biāo)號較低,蜂窩麻面,裂縫和露筋。閘室底板 存在表面不平整、局部裂縫、沖蝕和蜂窩麻面。閘后溢流面存在護面混凝土厚度小、表面不平整、蜂窩麻面、沖蝕/剝蝕破壞等,溢流面末端已形成高差為1 m~2 m 的跌坎,且存在向上游發(fā)展的趨勢。

（3） 閘門。閘門存在的問題主要有：門頁及梁系銹蝕嚴(yán)重,門頁平均銹蝕厚度達4.7 mm,其中有9 扇閘門已出現(xiàn)大面積的穿孔,穿孔面積達到15.5 m2；有2 扇翻板閘門門頁已脫離支座,被水流沖至下游河床。

（4）啟閉機。水閘共設(shè)2 臺0.5 t手動螺式啟閉機,目前引水閘啟閉機已不見蹤影,泄洪閘啟閉機支座已經(jīng)出現(xiàn)大面積的銹蝕、螺桿存在彎曲變形現(xiàn)象。

（5）消能防沖設(shè)施。水閘未設(shè)置任何消能防沖設(shè)施,目前閘室下游河床沖刷嚴(yán)重,在溢流面末端的跌坎附近已出現(xiàn)大范圍的深沖坑,且沖坑存在向閘室方向逐步發(fā)展的趨勢。在沖坑末端堆積有大量脫離溢流面巖基母體的巖塊和沖積物,嚴(yán)重影響下泄水流流態(tài)和河道過流能力,下游河床現(xiàn)狀見圖1。

圖1 下游河床現(xiàn)狀圖

3 水閘除險加固方案

3.1 方案擬定

根據(jù)水閘安全鑒定、地質(zhì)勘查成果及現(xiàn)場勘踏情況,初步擬定了兩個除險加固方案[1,2],現(xiàn)將各方案具體情況描述如下：

方案一：閘室由鋼壩擋水閘和渠首閘段組成。閘室軸線長43.12 m,從左至右依次為1 扇32.9 m鋼壩和1 扇2.0 m渠首平板提升閘門?？紤]泥沙淤積因素,設(shè)計閘室底板高程比河床高0.3 m,即為13.60 m。鋼壩及平板提升閘門高均為 2.0 m。渠首閘上部設(shè)啟閉機室,平板閘門采用手電兩用的螺桿式啟閉機啟閉。閘室沿水流方向因上部結(jié)構(gòu)布置的需要,設(shè)計總寬為11.0 m,需在現(xiàn)有閘室寬度（3.5 m）的基礎(chǔ)上向上游擴寬7.5 m。沿水流方向,閘室頂部依次布置有啟閉機室、人行橋及跨河灌溉渡槽。

方案二：閘室由水力自控翻板閘門段和灌溉取水閘門段組成。閘室軸線長 41.60 m,從左至右依次為6 扇×6 m水力自控翻板閘門、1 扇×2.0 m灌溉取水平板提升閘門。水力自控翻板閘門段門頁部位底板高程為13.30 m,門后溢流面底板高程為13.50 m,翻板閘門高2.1 m；灌溉取水閘門段設(shè)計底板高程為13.30 m,閘門高2.5 m。灌溉取水閘門上部設(shè)露天啟閉機平臺,采用手電兩用的螺桿式啟閉機啟閉。閘室沿水流方向因上部結(jié)構(gòu)布置的需要,設(shè)計總寬為10.5 m,需在現(xiàn)有閘室寬度（3.5 m）的基礎(chǔ)上向上游擴寬7.0 m。沿水流方向,閘室頂部依次布置有人行橋及跨河灌溉渡槽。

3.2 方案比選

（1）工程布置比較

兩種方案的閘室長度相差無幾,在平面上布置均較為緊湊,且在一定程度上 擴展了閘室過流寬度。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比較

方案一閘室共設(shè)2 道閘門和6 個閘（橋）墩,閘門規(guī)共2 種,閘室上部設(shè)排架、 啟閉機室、人行橋及跨河灌溉渡槽等,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,施工干擾因素較多[3]。

方案二閘室共設(shè)7 道閘門、3 個閘墩和3 個橋墩,選用閘門形式和規(guī)格共2 種,閘室上部設(shè)行橋及跨河灌溉渡槽,結(jié)構(gòu)較為單一,施工干擾因素相對較少。

（3）運行管理比較

方案一使用的閘門屬于現(xiàn)下最為常見和適用性較強的閘門型式,技術(shù)較為完 善,止水效果好,閘門啟閉操作方便,作業(yè)人員安全能得到保障,但閘門啟閉操 作程序較為嚴(yán)格,特別強調(diào)對閘門啟閉時機的把握,對管理人員操作技能要求較 高。

方案二主要使用翻板閘門,泄洪自動化程度較高,不需安排專門管理人員進 行啟閉作業(yè),節(jié)省人力；翻板鋼閘門布置在閘孔口中,檢修維護困難,如果閘門 及止水橡皮出現(xiàn)問題,必須采取措施放空閘前蓄水方能進行檢修,其檢修難度較 大,檢修作業(yè)人員操作不便。

（4）泄洪能力比較

方案一：鋼壩控制室占據(jù)河道行洪斷面相對較大,但本方案對行洪期閘門可 全開,對上游漂浮物的通過能力更強,使得漂浮物不易在閘前堆積,因此行洪能 力較為可靠；鋼壩全開時的情況等同于一般堰流,其過流能力計算在相關(guān)規(guī)范和 書籍中有明確的公式和方法,過流能力計算結(jié)果較為可靠。

方案二：翻板門在汛期不能完全開啟,對較大規(guī)模洪水的行洪阻礙比較明顯, 如遇大量的上游漂浮物、雜草等,則易鉤掛在閘門支座和堆積在閘門底部,從而 導(dǎo)致閘門不能正常關(guān)閉；閘門過流能力的計算在相關(guān)規(guī)范中并無確切的計算方法, 均是通過簡化成底部孔流和表部堰流的模型進行計算,計算結(jié)果可靠度不高。

通過上述幾方面的對比分析,方案一在工程結(jié)構(gòu)、運行管理、行洪能力、技 術(shù)成熟度和可靠性方面均存在一定優(yōu)勢,故選取方案一作為本水閘除險加固設(shè)計 的推薦方案[4]。

3.3 推薦方案閘室布置

水閘閘址處河道寬度約41 m,河床平均高程為13.30 m,閘室上、下游河床高差約4.5 m左右,原設(shè)計閘室底板高程與河床齊平,為平底寬頂堰（13.30 m）,本次設(shè)計考慮閘前淤積的大粒徑推移質(zhì)會對閘門運行造成不利影響,故將閘室 底板提高至13.60 m。

閘墩上部結(jié)構(gòu)主要包括啟閉平臺、下游人行橋和跨河灌溉渡槽,閘墩頂部高 程根據(jù)計算后,最終取為19.345 m。由于現(xiàn)有的閘室寬度不能滿足上述結(jié)構(gòu)布置 的需要,加之閘室下游無拓寬余地,故需將閘室向上游延伸拓寬,拓寬后的閘室 寬度為11 m。啟閉平臺高程在考慮閘門底部需超出閘墩頂部不小于0.5 m、閘門高度及閘門豎向吊距等因素后,最終定為23.045 m,啟閉平臺為梁板結(jié)構(gòu),平臺 立柱斷面0.5 m×0.5 m,排架橫梁斷面為0.5 m×0.8 m,啟閉平臺布置一臺手電兩用螺桿式啟閉機。人行橋總寬2.8 m,凈寬1.8 m,兩側(cè)設(shè)埋石欄桿。灌溉渡槽總寬0.9 m,凈寬0.5 m,總高0.7 m,凈高0.5 m。

本水閘的閘門包括鋼壩和渠首平板提升閘門,鋼壩規(guī)格為39.2m×2.0 m,采 用液壓設(shè)備啟閉,平板閘門,由置于啟閉平臺內(nèi)的手電兩用螺桿啟閉機（QL-100- SD）控制。

3.4 下游消能防沖布置

本次除險加固設(shè)計的下游連接段包括新建消力池、海漫和翼墻等,消力池與 閘室底板采用1∶4 的斜坡溢流面連接。

新建消力池采用下挖式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),池長15.0 m（不含斜坡溢流面）,池 深1.2 m,底板厚0.9 m,板頂高程18.00 m；底板設(shè)置直徑為75 mm的排水孔,排水孔間排距2.0 m,梅花形布置,下部依次設(shè)置150 mm厚級配碎石、150 mm粗砂墊層消力池后設(shè)38 m長的海漫,海漫按材質(zhì)劃分為2 段,第一段為M7.5 漿砌石 結(jié)構(gòu),長10 m,厚0.5 m,頂部高程19.20 m,其上設(shè)置直徑為75 mm的排水孔, 排水孔間排距2.0 m,梅花形布置,下部依次設(shè)置150 mm厚級配碎石、150 mm粗砂墊層 ；第二段為干砌石結(jié)構(gòu),長28 m,厚0.5 m,按1∶50的坡度向下游放坡, 下部依次設(shè)置150 mm厚級配碎石、150 mm粗砂墊層。海漫末端設(shè)拋石防沖槽, 防沖槽底寬 1.0 m。

在消力池、海漫及防沖槽長度范圍內(nèi)沿兩岸設(shè)置M7.5 漿砌石衡重式翼墻（護岸）, 翼墻頂部與現(xiàn)狀河岸高程齊平,頂寬為 0.6 m,臨水側(cè)垂直,上墻背坡比為 1∶0.3,下墻墻背坡比1∶0.35,基礎(chǔ)埋深0.5 m,趾墻寬0.5 m,左岸長101 m,右岸 長 100 m。

連接消力池與閘室底板的斜坡溢流面經(jīng)平整后采用0.5 m厚鋼筋混凝土護面,其下部呈層狀的基巖采用3.0 m長φ25 錨桿加固,錨桿間排距為2.0 m,梅花形布置,溢流面末端跌坎及局部坑洼部位采用M7.5 漿砌石砌筑找平。

4 結(jié)論

水閘樞紐于1987 年建成投入運行以來,因受當(dāng)時設(shè)計施工技術(shù),資金投入 等方面的原因,水閘運行中存在著土石結(jié)構(gòu)（上下游翼墻等）、砼結(jié)構(gòu)（閘墩、閘室 底板等）均受到不同程度的損壞,閘門變形損壞,啟閉機丟失,下游河床沖刷嚴(yán)重等問題,水閘帶病運行。為消除水閘安全隱患,2018 年對水閘進行了除險加固,加固后水閘運行良好,后期應(yīng)重視專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng),定期對水閘上下游、閘室、閘門以及啟閉設(shè)備等進行檢查、養(yǎng)護和維修,確保水閘正常安全的運行。