高堂水閘重建工程設(shè)計要點芻探

黎 樞，馮偉添

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635）

1 水閘基本情況

1.1 水閘現(xiàn)狀

高堂水閘是一座以灌溉為主，兼顧供水功能的大(2)型水閘樞紐工程。它是湯溪水庫灌區(qū)的主體工程之一，灌溉面積達5.05 萬畝，此外還擔(dān)負(fù)著12 萬人的民用供水任務(wù)。原高堂水閘（見圖1）建于1965 年，由于年代久遠，原標(biāo)準(zhǔn)偏低。水閘采用寬頂堰開敞式蓄水型式，共設(shè)30 孔，采用平板鋼閘門，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，設(shè)計過閘流量為1 324 m3/s ；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核過閘流量為2 160 m3/s。經(jīng)查勘分析閘頂高程不足，過流能力及閘室基底應(yīng)力比不滿足要求，基礎(chǔ)設(shè)施破損，整個水閘己存在嚴(yán)重的安全隱患。經(jīng)安全鑒定為四類水閘，須拆除重建。

圖1 高堂水閘重建前外觀

1.2 水文地質(zhì)要素

經(jīng)規(guī)劃復(fù)核，水閘主要水位流量要素有：閘前校核洪水(P=0.5%)11.64 m,最大下泄流量3 710 m3/s，閘下游水位11.40 m，設(shè)計洪水位(P=2%)10.32 m，最大下泄流量2 430 m3/s，閘下游水位10.20 m，正常蓄水位8.72 m。

閘址工程地質(zhì)條件較好，可采用天然地基，存在②-3 層中粗砂、礫砂和②-4 層砂卵礫石等強透水性地層，易產(chǎn)生滲漏和滲透破壞。消力池、海漫地基為②-3 層中粗砂、礫砂、②-4 層砂卵礫石層和全風(fēng)化帶(Ⅴ)，地基承載力高，中粗砂、礫砂、砂卵礫石層具強透水性，易產(chǎn)生滲透破壞。

2 工程布置技術(shù)要點

2.1 確定洪水標(biāo)準(zhǔn)

考慮到高堂水閘工程的重要性，水閘按50 年一遇洪水設(shè)計，200 年一遇洪水校核。水閘的消能防沖按50 年一遇洪水設(shè)計，并考慮小于設(shè)計洪水時可能出現(xiàn)的不利情況。土壩連接段洪水標(biāo)準(zhǔn)同水閘。

2.2 閘軸線比選

從河道地形條件看，原閘軸線左岸上、下游為低山丘陵，右岸為沖積階地，呈階梯狀分布。原閘軸線往上游長約360 m 開始河道轉(zhuǎn)彎，呈明顯的“凹岸沖刷，凸岸淤積”特征。考慮到水流條件及減少河道沖刷淤積等因素，原閘軸線往上游長約360 m 范圍外不適宜布置水閘。原閘軸線下游河底平均高程較低，存在河床下切。在其下游左岸約150 m 處有條大的排洪溝，排洪溝下游河床開始轉(zhuǎn)彎收窄，原閘軸線下游也不適宜布置水閘。因此，閘軸線比選在原閘軸線至其上游360 m 范圍內(nèi)進行。

原閘軸線越往上游河底越低，不利于道路連接及上游翼墻的布置，將增大連接土壩的工程量。因此，在原閘軸線及其上游80 m 處共選擇2 條閘軸線進行方案比選。原閘軸線上游80 m 方案稱為上閘軸線方案，原閘軸線方案稱為下閘軸線方案。

經(jīng)上、下閘軸線方案在地形、地質(zhì)條件，工程布置及運行管理，施工條件，征地拆遷，環(huán)境影響、工程量及投資等方面綜合比較，下閘軸線方案稍優(yōu)。同時考慮原有土壩及水閘基底已運行多年，沉降基本穩(wěn)定，基礎(chǔ)密實度較好，可采用天然基礎(chǔ)，不必振沖密實，因此推薦下閘軸線為高堂水閘閘軸線。高堂水閘推薦方案布置見圖2。

圖2 高堂水閘重建工程整體布置

2.3 閘型選擇

2.3.1 堰型選擇

本閘功能以灌溉為主，結(jié)合供水等，擋水時正常蓄水位較低，閘門要求高度較小，為了有較大的泄流能力，適合采用開敞式孔口。針對本工程特點，按堰流特性，可分為寬頂堰和低實用堰兩種。鑒于本工程閘下水位變幅較大，河床為礫沙層，采用便于排沙的寬頂堰型。因此，攔河閘堰型選為開敞式平底寬頂堰。原水閘堰頂高程為5.5 m，現(xiàn)已河床下切明顯，為不影響天然河床，堰頂高程選定與河床齊平，取4.8 m。攔河閘縱斷面見圖3。

圖3 高堂水閘攔河閘縱剖面

2.3.2 閘門型式選擇

閘門型式通常有平面鋼閘門與弧形鋼閘門兩種。弧形閘門具有輕便、靈活，無須門槽等優(yōu)點，但其布置需較長的閘墩，施工工期緊、強度高；而平面鋼閘門的拼裝可在檢修平臺進行，施工難度低。考慮本攔河閘在設(shè)計、校核洪水位時閘門全開，在正常蓄水位時閘門控泄，擋水高度僅4 m的情況，選定平面鋼閘門方案。

2.3.3 閘孔孔數(shù)確定

閘孔規(guī)模選擇原則如下：⑴滿足泄洪要求；洪水期過閘水位差控制在0.1 m～0.3 m。⑵盡量保持原河道狀態(tài)，建閘后不對河流生態(tài)產(chǎn)生較大影響。⑶閘孔總凈寬與原河道總寬度比值控制在0.6～0.85，孔徑在8 m～12 m，可適當(dāng)增大。⑷當(dāng)閘孔數(shù)大于8 時，選擇單數(shù)孔或雙數(shù)孔均可。

根據(jù)以上原則和國內(nèi)閘門制作安裝水平，按設(shè)計洪水下泄流量2 430 m3/s 和校核洪水下泄流量3 710 m3/s 的要求，堰頂高程4.8 m。經(jīng)水力計算，閘孔規(guī)模選為10 孔×12.5 m(凈寬)，總凈寬125 m，擋水寬度151 m。所選用的閘孔規(guī)模與原水閘基本相同，不會對河床造成不利影響。閘孔布置見圖4。

圖4 高堂水閘攔河閘上游立視圖

2.4 建筑物結(jié)構(gòu)布置

2.4.1 攔河閘閘頂高程確定

本工程攔河水閘為2 級建筑物，依《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)，閘頂高程應(yīng)按擋水和泄水兩種情況計算確定；同時考慮交通橋、工作橋梁底與校核洪水水面線控制點凈空值不小于0.5 m，交通、工作橋主梁高為1.25 m。攔河閘閘頂高程計算結(jié)果見表1。依計算結(jié)果閘頂高程取13.5 m。

表1 攔河閘閘頂高程計算成果

2.4.2 閘室結(jié)構(gòu)

攔河閘布置在主河道上，采用平底寬頂堰型，堰頂高程4.8 m，基本與原河床齊平。根據(jù)泄洪規(guī)模計算結(jié)果，閘孔數(shù)10 孔，單孔凈寬12.5 m。考慮到工程閘址地震烈度為7 度，采用整體式底板，墩中分縫型式。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求，參考已建工程經(jīng)驗選閘底板(堰體)厚2.0 m，中墩、邊墩厚2.0 m，縫墩為3.0 m，底板結(jié)構(gòu)采用整體兩孔一聯(lián)式。泄水閘擋水寬度151.08 m(含縫寬)。閘室底板順?biāo)鞣较蜷L16 m，上、下游均設(shè)齒槽，槽底高程1.8 m。閘室內(nèi)設(shè)有上游檢修門槽和工作閘門槽各一道，門槽中心相距4.5 m。工作閘門為露頂式平板鋼閘門，每孔1 扇，由設(shè)在攔河閘上頂?shù)囊簤簷C控制。上游檢修門為露頂式平面滑動鋼閘門，10 孔共用一扇檢修門，采用2×100 kN 單向移動門機啟閉。攔河閘頂高程13.5 m，布置有交通橋、工作橋、閘門啟閉支墩及液壓啟閉泵房。交通橋橋面寬5 m，按公路-Ⅱ級荷載標(biāo)準(zhǔn)。工作橋緊鄰交通橋在下游側(cè)，對外交通道路在閘室左側(cè)，路寬5 m。閘室上游設(shè)長15 m 厚0.5 m 混凝土鋪蓋和長30 m 厚0.5 m 干砌石護底。為保護閘基及河床兩岸免受淘沖，攔河閘上下游兩岸均采用翼墻和護坡。

2.4.3 閘室泄流能力計算

當(dāng)水閘泄洪時，閘門打開，全部來水由水閘下泄，此時過閘水流為堰流。水閘泄流能力計算根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)公式(A.0.1-1)：計算，在各種泄洪頻率下，水閘的泄流能力計算成果見表2。

表2 水閘泄流能力計算成果

2.4.4 消能防沖設(shè)計

（1）消能防沖現(xiàn)狀

高堂水閘原消能防沖設(shè)計為一級消力池，鑒于水閘多年運行后海漫及下游河床沖刷損壞，1997年對消能設(shè)施進行了加固，在原消力池池檻后增設(shè)二級消力池。且當(dāng)年加固時，為更詳細掌握海漫下游河床下切程度，縣水電局對水閘閘后地形進行了測量。從實測地形圖看，最大沖深高程約3.8 m，比建閘時實測高程7.3 m 降低約3.5 m。

（2）消能防沖方案

從重建設(shè)計實測地形圖看，最大沖深高程約1.2 m，比1997 年又下切約2.3 m。因此本次設(shè)計必須考慮河床下切。高堂水閘下游的東溪水閘閘底板高程為-0.64 m，若考慮高堂水閘下游河床下切1 m、最低水位-0.2 m，高于東溪水閘的閘底板高程。基于保守考慮，下游河床下切深度取2 m。

結(jié)合本工程實際情況，擬定3 個消能防沖方案進行比選。

方案1(一級消力池方案，閘底高程4.8 m) ：設(shè)一級消力池。根據(jù)消能防沖計算結(jié)果，消力池池深1.5 m、長66 m，消力池尾檻頂高程-2.2 m。為滿足抗沖和抗浮要求，消力池斜坡段底板厚度為2.5 m，水平段有排水孔，底板厚度為1.2 m。海漫長度71 m。方案2(兩級消力池方案，閘底高程4.8 m) ：設(shè)兩級消力池。根據(jù)消能防沖計算結(jié)果，一級消力池池深1.2 m、長32 m，消力池尾檻頂高程2.6 m。二級消力池池深1.0 m、長49 m，消力池尾檻頂高程-2.2 m。為滿足抗沖和抗浮要求，一級消力池底板厚度為1.2 m，二級消力池底板厚度為1.0 m。海漫長度63 m。方案3(一級消力池方案，閘底高程3.5 m) ：在一級消力池方案基礎(chǔ)上將閘底高程降至3.5 m。據(jù)工程經(jīng)驗，適當(dāng)降低閘底高程對消能防沖有利。消力池池深1.5 m、長60 m，消力池尾檻頂高程-2.2 m。為滿足抗沖和抗浮要求，消力池斜坡段底板厚度為2.4 m，水平段有排水孔，底板厚度為1.2 m。海漫長度54 m。

對比方案1 和3 可知，降低閘底高程后，消力池深度不變，長度減小6 m。降低閘底高程引起的消能防沖改善不甚明顯，但卻會導(dǎo)致上游河床下切，進而引發(fā)河壩崩塌滑坡。因此建議維持閘底板高程為4.8 m，重點對比方案1 和方案2。

從消能防沖效果看，兩方案均滿足消能防沖要求。從地形條件看，方案2 的消力池順地形逐漸降低布置，因此消力池開挖深度比方案1 小，翼墻高度也相應(yīng)較小。從工程布置看，雖然方案1 消力池總長度比方案2 小，但其上下游水頭差比方案2 大，因此海漫長度要加大。計算結(jié)果表明，方案1 消能防沖設(shè)施總長度為151.2 m，方案2 為158.2 m，僅比方案1 增加7 m。此外，由于水閘最大上、下游水位差達9.92 m，方案1 為滿足抗浮要求，消力池斜坡段底板厚度需采用2.5 m。方案2 結(jié)構(gòu)受力要優(yōu)于方案1。從工程量及造價看，方案2 比方案1 消能防沖設(shè)施總長度要大，但翼墻高度稍低，因此翼墻工程量及投資差別不大。方案1 消力池斜坡段底板厚度2.5 m 比方案2 增加了較多鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)量。方案1 下游連接段工程投資為4 775 萬元，方案2 為3 835 萬元，比方案1 節(jié)省940 萬元。故推薦采用投資更省、技術(shù)上更可靠的方案2。

（3）水工模型試驗

為驗證水力設(shè)計成果，委托廣東省水利水電科學(xué)院進行水工模型試驗。試驗初步結(jié)論如下：①攔河閘的設(shè)計方案基本合理，模型試驗優(yōu)化了水閘下游消能工的布置方案，試驗成果可供工程設(shè)計和運行管理參考。②經(jīng)模型試驗優(yōu)化后，各消能防沖方案均滿足要求，出池水流在各工況運行時，出閘水流經(jīng)消力池消能后，經(jīng)過海漫段和防沖槽調(diào)整，能較平順與下游河道水流銜接。③由于本次為斷面模型試驗，無法模擬分區(qū)消能。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，消力池內(nèi)增加導(dǎo)墻后，池內(nèi)水流分布稍不均勻，流態(tài)稍差。由于本工程水閘閘孔僅10 孔，分區(qū)消能必要性不大。④在一級消力池和二級消力池內(nèi)各增加一排消力墩后，水流銜接平順，顯著改善了消力池內(nèi)及出池的流態(tài)。

（4）消能防沖布置

根據(jù)水力計算，結(jié)合水工模型試驗初步成果，確定消能防沖布置方案如下。

消能防沖采用底流消能方式，設(shè)兩級消力池。一級消力池池深2.4 m，水平段池長16.9 m，尾檻頂高程3.8 m ；二級消力池池深1.0 m，水平段池長25.3 m，尾檻頂高程-2.2 m。一級消力池采用1.2 m厚鋼筋混凝土襯護，二級消力池采用1 m 厚鋼筋混凝土襯護。連接一級消力池的斜坡坡比1∶4。連接二級消力池的斜坡坡比1∶3.314。在一級和二級消力池內(nèi)各增加一排消力墩，高度分別為2.0 m 和1.2 m。海漫長度為63 m，其中18 m 水平段采用厚0.5 m 鋼筋混凝土襯護，45 m 斜坡段采用鋼筋混凝土框格固定漿砌石海漫，漿砌石厚0.5 m。混凝土海漫末端設(shè)0.5 m 厚混凝土防沖墻，墻底入全風(fēng)化層2 m。漿砌石海漫末端設(shè)拋石防沖槽深2.5 m 消能防沖布置見圖3。

2.5 基礎(chǔ)處理及防滲排水布置

水閘地基為中粗砂和礫沙，承載力較高。考慮原水閘沉降基本穩(wěn)定，基礎(chǔ)密實度好，可采用天然基礎(chǔ)。②-3 層中粗砂、礫砂上部松散層為可能液化土，液化等級輕微～中等，位于水閘建基面以上，大部被挖除，余下考慮進行基礎(chǔ)換填處理，采用摻8%水泥砂石混合料分層碾壓處理。

由于水閘基礎(chǔ)為砂礫石層，其基底滲透壓力計算采用改進阻力系數(shù)法。選用水閘中部地質(zhì)斷面作為典型斷面進行滲流計算，水閘基礎(chǔ)為砂礫層，厚度約3.5 m。上游正常蓄水位8.72 m，下游最低水位1.4 m，上、下游水頭差7.32 m，防滲長度31 m。計算水平滲流坡降為0.181，出口段滲流坡降為0.511。由于閘基為中粗砂、礫砂，其滲透系數(shù)為5.75×10-1cm/s～2.13×10-2cm/s，具強透水性，水閘抗?jié)B穩(wěn)定按水平段[J]=0.1(中砂、礫砂)，出口段[J]=0.35(中砂)控制，計算水平滲流坡降及出口段滲流坡降均大于規(guī)范允許值，不滿足滲透穩(wěn)定要求，需進行基礎(chǔ)防滲處理。故水閘防滲措施采用垂直砼防滲墻，墻底入全風(fēng)化層2 m。閘基采用垂直混凝土防滲墻后，水閘滲流出口處的水力坡降為0.267，小于規(guī)范允許值，滿足滲透穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語

饒平縣新高堂水閘已建成（見圖5），運行良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，驗證了工程布置的科學(xué)合理。

圖5 高堂水閘重建后現(xiàn)狀