城市防洪水閘重建設計與滲流穩定計算分析研究

江 高

(江門市新會區水利水電勘測設計有限公司，廣東 江門 529100)

1 概述

下淺水閘位于江門市新會區會城街道江門水道右岸距虎坑口0.85km，虎坑河是西江連通崖門水道的重要支流，從睦洲流入，向西南流經會城街道，由虎坑口出銀洲湖從崖門出海，流域面積40km2，干流全長15km，平均坡降0.5‰。本地區主要受到銀州湖水道暴潮的襲擊，堤內暴雨徑流主要由于自身集雨面積產生。該區受臺風暴雨襲擊頻繁，強熱帶風暴和臺風形成的風暴潮破壞力大，且臺風來時一般又伴隨區內暴雨，因此堤內又產生澇災，造成巨大洪澇災害。

下淺水閘原有一孔，原凈寬4m，底板高程-1.6m。水閘承擔排洪擋潮與引水灌溉任務。下淺水閘現有啟閉架混凝土剝落，鋼筋外露，閘門及滑輪組等金屬結構部分銹蝕，且橋面寬度不滿足交通需求，現以重建工程展開詳細設計和穩定性分析研究。

2 工程水文地質條件

2.1 水文地質條件

根據臨近工程資料，工程所在地地下水屬潛水類型，賦存于第四系地層中，主要受地表河水及大氣降水補給，向河道排泄，水位變化明顯受地表河水變化的影響，地下水位一般洪水期上升，旱季下降，水位變化幅度約為0.5～1.5m。

研究項目所在地區的地下水中碳酸根離子比重大，因此會對混凝土結構有一定的弱腐蝕性，在周邊環境出現干濕反復的情況下導致鋼筋混凝土結構中的鋼筋產生弱腐蝕，同時也對鋼結構具有弱腐蝕性；項目區內的地表河水對混凝土沒有腐蝕性，僅僅對鋼結構有一定的弱腐蝕性。

2.2 工程地質條件

所在區域地層主要為人工填土層、第四系海陸交互相沉積層、第四系殘積層及基巖，其中基巖地表出露很少，僅在小山頭有零星出露。按時代從新到老將工程區內主要地層分述如下：

人工填土層(Q4ml)，素填土：黃、灰色的素填土，主要成分為粘土，粉砂含量高，稍壓密，稍濕，成分較純，人工填筑而成，濕可塑，稍壓實。主要分布于堤圍區域。層厚3.3～4.60m。

第四系海陸交互相沉積層(Q4mc)，①淤泥：深灰色，流塑，以粘粒為主，其次為粉粒、粉砂、腐殖質和貝殼碎屑，具有層理，夾薄層粉砂。該層在場地內普遍分布，層厚9.40～10.30m。②粘土：紅褐色、淺灰白色、淺黃色，可塑-硬塑，以粘粒為主，局部石英質粗砂含量高。該層在場地內普遍分布，層厚9.4～10.30m。

第四系殘積層(Q4el)，主要為粘土或粉質粘土，屬花崗巖風化殘積物，含有風化碎塊及砂粒。

燕山三期花崗巖層(γ52/3)，灰色、深灰色，片麻狀，條紋狀構造，成分以長石、石英、云母為主，常與下古界變質巖混雜呈過渡狀。

3 設計初步方案

3.1 防洪排澇標準

本工程建設的主要任務是防洪(潮)、排澇和引水灌溉，兼顧交通功能。根據GB 50201—94《防洪標準》、GB 50286—98《堤防工程設計規范》確定水閘所在外河涌堤防級別為Ⅳ等，防洪(潮)標準按20年一遇設計，以歷史最高洪(潮)水位校核[1]。考慮到本地區未來的經濟發展，本次采用10年一遇24h暴雨所產生的徑流量1天排干設計。

3.2 閘室規模計算

閘室規模具體選定原則如下：①滿足擋洪潮、排澇和灌溉的要求；②以對現狀排水影響小、建設經濟為原則；③水閘在汛期有搶排澇的任務，閘孔凈寬應滿足及時排除閘前設計來水量的要求[2].

根據水位資料、內河涌地形地勢及圍內田面高程情況，綜合確定下淺水閘內、外特征水位見表1。

表1 特征水位表1

3.2.1水閘總凈寬復核計算

同樣的過水能力，閘底高程較低則要求閘寬較小，水閘的閘底高程應盡可能與河底齊平。由于重建排澇水閘屬小(1)型水閘，規模不大，考慮河涌的地形地質情況及現有水閘閘底高程，先選定水閘閘底高程，根據水閘現狀規模擬定閘孔凈寬，驗算水閘過流能力是否滿足要求[3]。

對于平底閘而言，參照SL 265—2001《水閘設計規范》中的規定，在堰流位于高淹沒度(hs/H0≥0.9)情況[4]，可按如下公式計算水閘過流能力：

式中,B—閘孔總凈寬,m；μ0—淹沒堰流的綜合流量系數；hs—由堰頂算起的下游水深,m；Q—過閘流量,m3/s；H0—堰上水深,m；g—重力加速度，g=9.8m/s2。

采用以上計算方法對下淺水閘根據設計流量確定所需的寬度，若計算寬度小于原有寬度，則原則上維持原有閘寬[5]。下淺水閘所需寬度規模詳見表2。

表2 下淺水閘設計成果表

3.2.2閘頂高層復核驗算

水閘閘頂高程不應低于正常水位(或最高擋水位)加波浪計算高度與相應安全超高之和；位于防洪(擋潮)堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪(擋潮)堤頂高程[6]。故下淺水閘閘頂高程計算分設計擋潮和校核擋潮兩種工況。設計擋潮工況下潮水位取閘外設計水位2.51m，設計風速采用相應年最高潮位日的最大風速平均值15m/s的1.5倍，即v0=22.5m/s；校核擋潮工況的潮水位取閘外歷史最高潮位計算，歷史最高洪潮水位為2.73m，風速采用相應年最高潮位日的最大風速平均值15m/s。

根據SL 265—2001《水閘設計規范》中的規定計算閘頂高程，計算公式如下式：

Z=h0+h10%+hz+A

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Hz—超計算水位的波浪中心線的高度，m；h0—計算潮水位，m；A—安全超高，m；hm—平均浪高，m；v0—計算風速，m/s；Hm—風區內的平均深度，m；Tm—平均波周期，s；Lm—平均波長，m；D—風區長度，m；Z—水閘頂部的高程，m；H—水閘前的水深，m；H10%—相應于波列累積頻率10%的波高，m。

根據上述公式計算，結果見表3。閘頂高程應取以上兩種工況計算的大值，即3.17m，考慮水閘兩邊堤防的以后可能加固的高程及原有閘頂高程，本次綜合確定下淺水閘設計閘頂高程為3.20m。

表3 閘頂高層計算成果表

根據排澇計算成果，綜合考慮水閘原規模及地形、地勢、現狀河道寬度等多方面因素，確定下淺水閘的重建規模[6]，選址上選定原址，規模選定成果見表4。

表4 下淺水閘重建規模表

3.3 閘室結構設計

依據中華人民共和國行業標準SL 191—2008《水工混凝土結構設計規范》和SL 265—2001《水閘設計規范》等[7]。主要參數取值如下：

①結構所處環境類別：水閘環境類別的劃分參照SL 265—2001條文說明第7.1.2條進行劃分，取多年平均低潮位-0.66m以下閘墩及底板為三類環境；多年平均低潮位-0.66m以上結構部分及其他露天結構為二類環境。

②建筑物級別：4級

③荷載分項系數(γG)：1.05

④可變荷載分項系數(γQ)：1.20

⑤受力鋼筋最小配筋率：0.15%

⑥鋼筋砼結構構件最大裂縫寬度允許值：根據SL 265—2001第7.1.2.2條，二類環境最大裂縫寬度計算值不應超過0.20mm，三類環境不應超過0.15mm。

使用計算軟件箱涵結構計算程序1.2，計算結果如下圖1。

圖1 結構計算結構圖

4 穩定性計算

4.1 滲流穩定性計算

4.1.1計算方法

計算水閘的滲流穩定性方法，選取SL 265—2001中的建議方法，根據規定的改進阻力系數法進行計算[7]，采用公式如下：

①地基有效深度：當L0/S0≥5時，Te=0.5L0

式中,Te—地基的有效長度,m；L0—地下輪廓的水平投影長度,m。

②進、出口段：

(5)

式中,ξ0—進出口段的阻力系數。

③內部垂直段：

(6)

式中,ξy—內部垂直段的阻力系數。

④水平段：

(7)

式中,ξx—水平段的阻力系數。

⑤各分段水頭損失值：

(8)

式中,hi—各分段水頭損失值,m；ξi—各分段的阻力系數；n—總分段數。

⑥進、出口段修正后的水頭損失值公式

(9)

(10)

(11)

Δh=(1-β′)h0

(12)

⑦進出口齒墻不規則部位水頭損失修正公式

當hx<Δh，且hx+hy<Δh時，hy′=2hy，hcd′=hcd+Δh-(hx+hy)。

4.1.2下淺水閘滲流計算

下淺水閘基礎防滲輪廓主要由刺墻、底板、齒墻組成，防滲輪廓總長22.85m。計算結果見表5。

表5 水閘滲流計算結果表

根據《新會區會城街道迴蘭橋電排站新建工程工程地質勘察報告》，淤泥質土允許滲流坡降值水平段為0.32，出口段為0.55；由計算結果可知，在選定工況下滲透坡降均小于地勘規定值，水閘滲流穩定滿足要求。

4.2 閘底應力分析及穩定驗算

按照SL 265—2001，根據下淺水閘的實際運行情況，采用不同荷載組合，進行抗滑穩定計算、閘室基底應力計算。根據SL 265—2001計算下淺水閘穩定和應力時的荷載組合分為基本組合和特殊組合[8]。基本組合采用完建期、設計運用期2種工況計算。特殊組合采用正常運用期遭遇7度地震工況計算。

4.2.1計算方法

根據SL 265—2001，抗滑穩定可采用以下公式計算[7]：

(13)

式中,Kc—抗滑移穩定安全性系數；∑G—閘室上所有豎向作用荷載；∑H—閘室上所有水作用荷載；f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數，取0.21。

水閘閘室的基礎底部應力計算方法：

(14)

4.2.2穩定性驗算結果

本工程基礎坐落在淤泥層，其承載力約為50kPa。通過上述計算方法對水閘穩定性進行驗算成果見表6。

表6 下淺水閘穩定計算成果表

由成果表可知，在上述計算工況下水閘在荷載組合下的都能夠滿足穩定性要求。同時基底應力不均勻系數均滿足規范允許值要求，最大基底平均應力48.26Pa，也滿足地基承載力(50kPa)要求[9]，最大基底應力57.52kPa滿足1.2倍地基承載力(60kPa)要求。仍需對本工程進行基礎處理，結合新會地區多宗水閘施工、運行、管理經驗，本次水閘基礎采用尾徑不小于100mm松樁處理[10]，松樁單根長4m，間距400mm×400mm布置。

5 結語

近些年極端氣候的頻發和城鎮建設不斷發展帶來的防洪排澇壓力的增大，給許多老舊水閘帶來了極大的壓力，本文通過江門下淺水閘的重建規劃選址設計，對水閘規劃選址，根據新防洪排澇標準重新復核驗算規模，設計結構并進行滲流穩定性和閘底穩定分析計算，滿足了重建的要求，提供了一套合理的設計經驗依據，滿足了重建水閘擔負會城街道大滘村防洪防潮功能，兼負排澇、引水灌溉任務和交通要求。

水閘設計重建時，對地基的處理往往非常重要，特別是在特殊地質條件下的水閘地基處理。對水工結構的安全穩定運營非常重要，本文由于篇幅所限，在這方面上研究較少，這也是水閘設計的重要研究方向。