沙湖水閘重建工程設(shè)計分析

張奕池

（江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司,廣東 江門 529000）

1 工程概況

沙湖水閘位于蓮塘水中下游,是潭江流域一級支流蓮塘河下游的一座攔河水閘,地處恩平市沙湖鎮(zhèn)沙湖圩長堤東路側(cè),距沙湖鎮(zhèn)鎮(zhèn)府約380 m,是蓮塘水沙湖圩河段的重要節(jié)制閘。該水閘于20 世紀(jì)70年代興建并投入使用,在20 世紀(jì)80年代進(jìn)行了擴(kuò)建,灌溉面積0.4 萬畝,總控制集雨面積150 km2,是一座以灌溉為主,兼顧排洪、交通的Ⅴ等工程。現(xiàn)狀水閘設(shè)有4 個閘孔,總凈寬16.0 m；閘底板高程8.73 m,厚1.4 m；有5 根閘墩, 閘墩上部為交通橋, 橋面高程12.83 m, 總寬8.05 m；下游是長14.47 m,深0.7 m,底板厚1.4 m 的消力池,消力池下游連接海漫,總長20.0 m；上下游兩岸堤防防浪墻頂高程為13.20 m,原設(shè)計過閘流量為817 m3/s。

由于水閘建成年代過久,經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),水閘下游防沖槽長期遭到?jīng)_刷,已出現(xiàn)沖坑；下游右岸連接段墻頂與防浪墻連接處局部脫離,墻體出現(xiàn)裂縫、滲漏；閘底板表面出現(xiàn)許多坑洞；閘墩出現(xiàn)裂縫；交通橋的橋面混凝土脫落,護(hù)欄損壞,梁板開裂；控制室墻體開裂、鋼筋外露、門窗銹蝕嚴(yán)重；閘門老化,漏水；啟閉機(jī)老舊,且出現(xiàn)偏流,啟閉機(jī)排架梁、板、柱均存在裂縫,工作橋護(hù)欄開裂,鋼筋嚴(yán)重銹蝕、變形等隱患,已嚴(yán)重危及水閘的安全運行,亟需對沙湖水閘拆除重建,以確保沙湖鎮(zhèn)農(nóng)田灌溉用水安全。

2 工程重建設(shè)計

2.1 建筑物選型及布置

考慮到沙湖水閘地質(zhì)條件較好,舊址地勢開闊,故本次重建工程選擇舊址重建。攔河建筑物型式選擇攔河閘型式,水閘堰型根據(jù)閘下水位變化情況,選用開敞式平底寬頂堰；為了保證閘室結(jié)構(gòu)具有較高整體性以及對地基不均勻沉降有較好的適應(yīng)性,閘室結(jié)構(gòu)型式采用整體式底板,墩中分縫型式；閘門選用平面鋼閘門,啟閉設(shè)備選用固定式QPQ2×10 t卷揚機(jī),并采用一機(jī)一門控制[1]。

根據(jù)水閘地形條件、周圍環(huán)境以及水流條件等因素,重建水閘的布置以原水閘交通橋中心線為基準(zhǔn),閘門布置在下游側(cè),其它主要建筑物順?biāo)飨蛞来螢樯嫌芜B接段、閘室段以及下游連接段,并在重建水閘下游右岸新建柴油發(fā)電機(jī)房、工具房。

2.2 主要建筑物設(shè)計

2.2.1 上游連接段

上游連接段河底主要是砼鋪蓋,長10 m,寬56.72 m～45.92 m,頂面與河道齊平,高程8.50 m,鋪蓋厚0.4 m,上下游兩側(cè)設(shè)置1.1 m 深齒墻,鋪蓋采用C25 鋼筋砼澆筑；垂直水流方向設(shè)置分縫,縫寬20 mm,采用PE 板填縫并設(shè)銅片止水,共5 道,鋪蓋兩側(cè)與兩側(cè)擋墻底板分縫位置一并設(shè)止水。

2.2.2 閘室段

沙湖水閘的閘室選用開敞式型式,閘室總凈寬40 m,共設(shè)計5 孔,每孔凈寬8.0 m,邊墩厚1.0 m,中墩厚1.50 m；3#孔右側(cè)中墩根據(jù)閘室構(gòu)造要求在閘墩中間分縫,縫寬20 mm,并用PE 板填縫；閘室總寬48.42 m,長16.0 m,上游往下游依次為：上游側(cè)檢修閘門槽、交通橋、工作閘門、下游側(cè)工作橋、下游側(cè)檢修門槽。閘頂高程13.25 m,閘底板面高程8.50 m,底板厚1.0 m,底板底高程7.50 m,閘底板上下游兩側(cè)設(shè)置0.5 m深齒墻；上游側(cè)齒墻設(shè)置4.0 m 深鋼板樁防滲,水閘底板左右岸兩側(cè)設(shè)置0.5 m 深齒墻,齒墻底高程7.0 m。

為了充分發(fā)揮交通樞紐作用, 交通橋采用箱涵結(jié)構(gòu),與閘墩整體澆筑, 橋面設(shè)凈寬8.0 m, 并在橋的兩側(cè)各設(shè)置0.25 m 寬防撞欄,橋板厚0.5 m,橋板底高程12.75 m；工作橋采用梁板式整體結(jié)構(gòu),橋面寬1.5 m,橋板厚0.2 m,板下設(shè)2道主梁,并在閘室左、右兩邊墩后設(shè)空箱與堤岸相接,空箱岸長5 m,寬5 m。

2.2.3 下游連接段

下游連接段消力池平面采用矩形布置,凈寬46.42 m,首端采用斜坡面與閘底板相連接,坡度為1∶4,長25.0 m,其中斜坡段長12.0 m,水平段長13.0 m,池深1.0 m,池底高程5.50 m,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),厚0.60 m,底部設(shè)有砂石等反濾層和排水管。下游海漫長25.0 m,頂面高程6.50 m,厚1.0 m；垂直水流方向設(shè)置分縫,縫寬20 mm,采用PE 板填縫并設(shè)銅片止水,共3 道,鋪蓋兩側(cè)與兩側(cè)擋墻底板分縫位置一并設(shè)止水；海漫末端設(shè)拋石防沖槽,且頂面與河道齊平,高程6.50 m,槽深1.5 m,長10.0 m。

2.3 水力計算

2.3.1 重建水閘過流能力復(fù)核

根據(jù)沙湖水閘地形、規(guī)模及《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）中高淹沒公式（hs/H0≥0.9）、多孔平底閘的堰流公式（hs/H0＜0.9）對其過閘流量進(jìn)行計算,計算結(jié)果見表1。

表1 過流能力計算成果表

從表1 可以看出,在滿足不同頻率的洪峰流量下,重建后水閘的過流能力能滿足規(guī)范要求。

2.3.2 消能防沖計算

本次采用水閘消能最不利工況：閘上水位達(dá)到正常蓄水位10.93 m,閘下水位為6.50 m,當(dāng)閘門開啟高度按0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、1.58 m 控制開啟,下游水位逐漸上漲。

結(jié)合上述工況,依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）附錄B 消能防沖計算方法[2],采用北京理正巖土軟件水力學(xué)計算程序。經(jīng)計算,重建水閘設(shè)計的消力池長度、深度、底板厚度、海鰻長度以及末端最大防沖深度均能滿足設(shè)計規(guī)范要求。計算結(jié)果見表2。

表2 消能防沖計算成果表

2.4 防滲排水設(shè)計

2.4.1 防滲設(shè)計

結(jié)合閘址地基情況,本次防滲設(shè)施采用鋪蓋和垂直防滲相結(jié)合的布置形式。鋪蓋采用混凝土,厚0.40m,長10.0m；垂直防滲方式在水閘底板前齒墻設(shè)置一下鋼板樁,深4.0m,鋼板樁底部穿透閘基弱透水層殘積土層。

2.4.2 排水設(shè)計

在消力池的下游端,設(shè)置Φ75排水孔,孔距為1.0 m×1.0 m,呈梅花形布置,順?biāo)飨蛟O(shè)6 排；底板下從上往下分別布置：粗砂碎石墊層厚200 mm,粗砂墊層厚200 mm,最下面再鋪一層土工布。

2.5 水閘上下游連接段擋墻設(shè)計

2.5.1 上游連接段擋墻設(shè)計

水閘上游左岸和右岸擋墻均設(shè)置重力式擋墻,左岸長3.95 m,高4.5 m,墻頂高程12.50 m；右岸長12.77 m,高4.5 m,墻頂高程12.50 m。水閘上游連接段所有擋墻的墻頂均設(shè)置防浪墻和不銹鋼欄桿。

2.5.2 下游左岸連接段擋墻設(shè)計

水閘下游左岸擋墻設(shè)置扶壁式擋墻和仰斜式擋墻,靠近閘室擋墻設(shè)為高度漸變扶壁式擋墻,長度為31.23 m,墻高由4.8 m 漸變至7.8 m,墻頂高程均為12.50 m；漸變段擋墻下游設(shè)為仰斜式擋墻,長度為38.61 m,高度為2.0 m,墻頂高程7.50 m。為了減少水閘排洪時對左岸的沖刷影響,下游仰斜式擋墻與現(xiàn)有擋墻之間采用護(hù)坡,坡比為1∶3。

2.5.3 下游右岸連接段擋墻設(shè)計

下游右岸擋墻設(shè)為扶壁式擋墻、懸臂式擋墻和重力式擋墻；靠近空箱擋墻為扶壁式擋墻,長17.47 m,墻高7.8 m,墻頂高程12.50 m；扶壁式擋墻下游為高度漸變懸臂式擋墻,長8.79 m,墻高由6.6 m 漸變至3.6 m,墻頂高程由12.5 m 漸變至9.5 m；漸變段懸臂式擋墻順接重力式擋墻,重力式擋墻長17.29 m,高3.50 m,墻頂高程為9.50 m。此外,懸臂式擋墻和重力式擋墻均設(shè)置草皮護(hù)坡,坡比為1∶2。

3 穩(wěn)定性計算

3.1 水閘穩(wěn)定計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）相關(guān)規(guī)定和沙湖水閘使用條件,計算閘室穩(wěn)定和應(yīng)力時的荷載組合為基本組合,見表3。

表3 荷載組合表

重建水閘抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力采用《水閘設(shè)計規(guī)范》中閘室穩(wěn)定及應(yīng)力計算方法進(jìn)行計算。經(jīng)計算,水閘抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算成果見表4。

表4 水閘抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算成果

由表4 計算結(jié)果得知,水閘重建后閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合,滿足大于允許值1.2 的規(guī)范要求[3]。因此,水閘的抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；

由于閘基基礎(chǔ)為礫砂層,地基允許承載力為240 kPa。在各種計算工況下,閘室平最大和最小應(yīng)力比均小于規(guī)范規(guī)定的允許值,平均基底應(yīng)力均小于地基允許承載力,最大基底應(yīng)力均小于地基允許承載力的1.2 倍,因此,水閘重建后的地基承載力滿足規(guī)范要求[4]。

3.2 擋墻穩(wěn)定計算

水閘上下游連接段結(jié)合地形設(shè)計4 種擋墻型式,分別為重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻以及仰斜式擋墻。根據(jù)使用條件,本次計算擋墻穩(wěn)定選取了扶壁式與懸臂式進(jìn)行計算,計算工況采用：完建工況,擋墻前后無水與水閘正常蓄水位等2 種工況進(jìn)行計算。經(jīng)計算,擋土墻穩(wěn)定計算結(jié)果見表5。

表5 擋土墻穩(wěn)定計算結(jié)果

由表5 計算結(jié)果可知,扶壁式擋墻和懸臂式擋墻基底應(yīng)力不均勻系數(shù)η 及抗滑、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求[5]。且水閘兩岸擋墻地基承載力為240 kPa,擋墻基底平均應(yīng)力的最大值均小于天然地基承載力,因此能滿足承載力規(guī)定要求。

4 結(jié)論

沙湖水閘經(jīng)過幾十年的運行,存在諸多嚴(yán)重的安全隱患,已無法滿足現(xiàn)行的灌溉、防洪排澇要求,需對其拆除重建。結(jié)合水閘地質(zhì)勘察情況提出新的設(shè)計方案,該方案包括重建水閘閘址的選擇,水工建筑物的布置與選型,主要建筑物的設(shè)計、防滲排水設(shè)計以及上下游連接段擋墻設(shè)計等,并根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》相關(guān)計算方法對水閘主要建筑物的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析,結(jié)果表明均能滿足設(shè)計規(guī)范要求。水閘建成后,充分發(fā)揮了水閘蓄水灌溉、防洪功能,不僅保障了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉用水,同時,還改善水閘周邊環(huán)境,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。