蘇家屯區柳溝攔河閘除險加固工程設計研究

張曉琳

(沈陽順源德工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

1 工程概況

1.1 基本情況

柳溝攔河閘坐落在十里河支流柳溝河上，是一座以灌溉為主的5孔平板水閘，該閘攔截蓄水主要用于灌溉，現灌溉農田200hm2，閘前最大蓄水量20萬m3。至今水閘運行40多年，閘門翼墻、閘墩及閘室底板下部為漿砌石結構，排架、啟閉機梁、消力池及閘室底板表層10cm為混凝土結構，閘門工5孔，總凈寬為10.0m。柳溝河全長22.73km，流域面積106.7km2，閘址以上河長17.64km，閘址上游99.3km2，水文分區Ⅲ4。閘址位于陳家村柳家溝，上游河道比降1.38‰，下游5.09km柳溝河在二十家子村附近匯入十里河。

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》庫容小于100萬m3，因此攔河閘工程等別為Ⅴ等，規模為小(2)型，永久性主次要建筑物和臨時性水工建筑物均為5級，設計澇水標準重現期均為10a，校核澇水標準重現期為20a。

1.2 現存問題分析

自建成以來，柳溝攔河閘遭受了多次洪水的考驗和破壞，經現場踏勘、測量、地勘發現存在如下問題：①上下游護坡：水閘上下游河道均無護岸工程，河岸受水流沖刷嚴重，多處坍塌。②翼墻：局部漿砌石散落。③閘墩：漿砌石體有裂縫，水位變化區剝蝕較為嚴重。④閘門及啟閉設備：閘門嚴重銹蝕，部分腐爛，已不能正常運用；閉機為單吊點手動螺桿式啟閉機，經多年運行螺桿、對軸均有較大損毀；由于無啟閉室及管理房，設備銹蝕風化嚴重，已無法正常運用。⑤交通橋：交通橋路面窄、標準低，橋面、橋墩破損嚴重，混凝土有裂縫、脫殼、剝落現象；此外，由于閘上交通橋為連接村內外交通的要道，經常有超重型貨車強行通行，存在極大的安全隱患。⑥消能防沖設施：消力池下有較大、較深的沖刷坑，下游海漫早己沖毀。⑦管理及觀測設施：柳溝攔河閘無管理房、觀測設施，管理人員為所在地村委會村民，無專業人員管理。

1.3 安全檢測與復核

經遼寧省水利水電工程質量檢測中心現場安全檢測、沈陽市水利建筑勘測設計院復核計算；專家組現場查看和對相關分析報告審查，柳溝攔河閘安全類別評定為四類閘，認為該座水閘過流能力復核不滿足現狀要求，且多項運用指標無法達到設計標準，存在嚴重安全問題，已經不能正常運行，建議報廢重建。

2 攔河閘除險加固工程設計

2.1 總體布置

根據實際工程特點，此次設計重點是閘門的除險加固，提高河道抗沖刷能力，加強生態建設，在滿足河道行洪要求的基礎上改善河道生態環境[1-2]。設計內容主要包括舊閘拆除、新建攔河閘、護岸工程、綠化工程。

2.2 工程設計

2.2.1 舊閘拆除工程設計

采用1m3挖掘機進行水閘拆除，拆除的建筑垃圾用5t自卸汽車運至25km外的處理場進行掩埋處理。

2.2.2 新建攔河閘工程設計

新建7孔攔河閘一座，單孔凈寬為3m，閘門孔口尺寸為3m×3m，順水流方向主體長度36.3m，垂直水流方向寬度36.2m。其中，上游混凝土鋪蓋厚1m長5m，閘室底板厚1.5m長5m，橋底板厚1.5m長7m，消力池厚0.8m長19.3m(其中斜坡段長度12.5m，坡比1∶5，池底水平段長6.8m深1.1m)，后面銜接18m長的海漫和29m長5m深的防沖槽。攔河閘中墩高3.5m寬1m，支墩高3.5m寬0.8m，邊墩高4m寬1m(以擋土墻代替)，其中閘墩長5m橋墩長7m。單個閘墩布置2根3.5m高截面0.6m×0.6m的鋼筋混凝土支柱，間距1.8m，支柱上布置截面0.6m×0.6m的鋼筋混凝土梁，梁上鋪設400mm厚30.2m長3.5m寬的操作平臺，平臺上布置啟閉機、管理房。橋墩上鋪設500mm厚的橋梁基座，基座上鋪設0.6m×0.4m的橋梁，梁上鋪設7m寬30.2m長500mm厚的橋面板，橋面兩側布置護欄，上下游進出口兩側布置八字翼墻，上游翼墻寬500mm高5.5m埋深1.5m，下游翼墻寬500mm高7.8m埋深1.5m。最后，對破壞的村路用瀝青混凝土進行修復，瀝青混凝土厚100mm，下鋪設150mm厚碎石墊層，墊層下回填土需要進行夯實處理，閘門具體尺寸形式見圖1。

圖1 閘門立面圖

2.2.3 護岸工程設計

1)護岸材料比選。防護材料的選擇應符合以下要求[3-5]：應堅固耐久、抗沖刷、抗磨損性強，適應河床變性能力強，應便于施工、修復和加固，應就近取材，經濟合理。根據目前常用的護砌材料和工程具體情況，對鍍鋅鐵絲網石籠護岸、混凝土面板、漿砌石重力墻這3種護砌型式進行方案比較[6]，見表1。

表1 護岸形式比選

續表1 護岸形式比選

經比較，綜合考慮選擇鍍鋅鐵絲網石籠護岸，在保障岸坡長期穩定、保持河道工程耐久以及人水和諧上發揮重要作用，所以護岸材料采用鍍鋅鐵絲石籠[7]。

2)護岸型式比選。河道兩岸岸坎較高，平均高度在4m左右，局部岸坡高度超過5m，不適宜直立式石籠，危險度較高。所以，河道兩岸修坡采用貼坡式石籠進行防護，防護長度共1787m。

3)工程設計。石籠格賓網箱由直徑3.8mm的鍍鋅鐵絲機械編制而成，石籠網箱具體尺寸為(長寬高)4m×1.5m×0.5m、4m×1m×0.4m，單個網箱內每隔2m布置一道隔片[8-9]。石籠背部鋪設土工布(400g/m2)，為保證地面平整網箱底部應進行雜物清理，土工布頂部進行回折處理，相鄰土工布搭接長度500mm，上游片壓下游片。

貼坡式石籠水平護腳埋深0.5m，防護高度3.0m，水平護腳長4.5m，坡比1∶2，水平石籠厚0.5m，貼坡石籠厚0.4m，下部鋪設土工布和150mm厚的砂墊層具體形式見圖2。

圖2 貼坡式石籠防護典型圖01

貼坡式石籠水平護腳埋深0.5m，防護高度1.5m，水平護腳長4.5m，坡比1∶2，水平石籠厚0.5m，貼坡石籠厚0.4m，下部鋪設土工布和150mm厚的砂墊層，具體形式見圖3。

圖3 貼坡式石籠防護典型圖02

2.2.4 綠化工程設計

綠化工程為在兩岸岸坎處栽種1排垂柳602株、在閘門四周栽種垂柳415株，總共1017株(種植間距為3m×3m)，柳樹胸徑4-6cm，見表3。

表3 綠化工程量

3 工程計算分析

3.1 攔河閘相關計算

水閘壩的消能計算主要考慮設計工況和校核工況，其中設計工況為十年一遇洪水時，計算如表4。經計算，單閘孔凈寬3m，設計孔數為7孔，閘孔總凈寬取21m；消力池深0.6m，消力池長11m。消力池護坦厚度取0.5m。海漫段長度取為16m；海漫采用鉛絲石籠，海漫厚0.5m；防沖槽深度取為1.5m，底寬3m，頂寬9m，上游斜坡坡率1∶2，下游斜坡坡率1∶2。

表4 計算成果表

校核工況為20a一遇洪水時，計算成果如表5。經計算，單閘孔凈寬3m，設計孔數為7孔，閘孔總凈寬取21m；消力池深1.1m，消力池長15m，消力池厚度0.6m，消力池護坦厚度取0.6m；海漫段長度取為18m。海漫采用鉛絲石籠，海漫厚0.6m；防沖槽深度取為5m，底寬9m，頂寬29m，上游斜坡坡率1∶2，下游斜坡坡率1∶2。

表5 計算成果表

根據以上計算結果，校核工況下數值均大于設計工況下數值，為保證施工質量及建筑物安全，海漫前采用校核工況下尺寸進行設計，海漫及防沖槽按設計工況下尺寸進行設計[10-13]。海漫長16m，防沖槽頂寬9m底寬3m深1.5m上下游坡比1∶2。

3.2 閘室基底應力計算

1)滲透壓力計算：

(1)

式中：U為作用于閘底板面上的滲透壓力，kN/m；L為閘底板底面的水平投影長度，m。經計算，在20a一遇的校核洪水中閘底板的滲透壓力為73.5kN/m。

2)地基承載力計算：

(2)

式中：Pminmax為最大和最小閘室基地應力，kPa；∑G為閘室上全部豎向荷載之和，kN；∑M為全部水平和豎向荷載對垂直水流方向基礎底面形心軸力矩之和，kN·m；A為基地面積，m2；W為基底面對形心軸的截面矩，m3。

3)抗滑穩定計算：

(3)

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；f為地基與閘室基底面的摩擦系數；∑H為全部水平向荷載，kN。經計算，Kc=1.26>[Kc]=1.20滿足要求。

4)抗浮穩定計算：

(4)

式中：Kf為抗浮穩定安全系數；∑V全部向下的鉛直力之和，kN；∑U為揚壓力，kN。經計算，Kf=1.201>[Kf]=1.1滿足要求。

5)翼墻抗傾覆穩定計算：

(5)

式中：K0為岸墻、翼墻的康輕度穩定安全系數；∑MV為對于岸墻、翼墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN；∑MH為對于岸墻、翼墻基底前趾的傾覆力矩，kN。經計算，Kf=1.201>[Kf]=1.1滿足要求。

6)地基允許承載力計算：

[R]=NBγBB+NDγDD+NCC

(6)

式中：[R]為土質地基允許承載力，kPa；γB、γD為基底面以下和以上土的容重，kN/m3；B為基底面寬度，m；D為基底埋深，m；C為土黏結力，kPa；NB、ND、NC為承載力系數；經計算，[R]=NBγBB+NDγDD+NCC=128.62kPa滿足要求。

4 結 論

柳溝攔河閘是蘇家屯區重要的引水灌溉工程，受當時經濟條件、建設標準、施工技術和管理水平等條件限制，加之長期運行，缺少系統的病險排查和安全復核，前鋪蓋、閘底板、消力池、海漫等局部破損，閘門受腐蝕、有裂縫，因受力不均勻啟閉機絲杠出現變形，為了保證攔河閘功能的高效正常發揮急需實施除險加固改造。根據選址區的洪水、暴雨、地質和自然條件，合理確定建筑物布置位置和工程設計形式，各主要建筑物設計均滿足相應規程、規范的要求，可為類似工程拆除重建以及除險加固方案設計提供一定借鑒。