雙界河水閘結構設計探討

詹育玄

(深圳市水務規劃設計院有限公司，廣東 深圳 518000)

水閘是水利工程中重要的水工建筑物，一個完整的水閘設計，包括水工結構設計、金屬結構設計、電氣設計和建筑結構設計等，通過各專業綜合設計后施工、運行，發揮水閘工程效益。而水工結構的設計包括閘址選擇、結構布置、效能防沖設計、防滲排水設計、閘室穩定性分析、閘底板和閘墩配筋計算等。廣東珠三角地區屬于沖積平原，地表約有10～20m的軟弱土層，建設在軟土地基上的水閘，需驗算地基沉降，并采取有效的工程措施減少地基沉降。本文結合雙界河水閘的工程設計實例，重點探討水工結構設計中結構布置、穩定分析及地基處理的要點，以供同類工程參考。

1 概述

雙界河水閘位于廣東省深圳市寶安區境內，寶安大道橋與湖濱中路交叉口的河道上游側。閘址上游為寶安、南山兩區建成區，下游為前海合作區。

水閘功能為塑造景觀水面，分隔上下游水體，保障上游河道受污染時不影響下游河道水質以及滿足河道放干清淤檢修的要求。水閘最大過閘流量為88.4m3/s，為小(1)型工程，即工程等別為Ⅳ等，相應建筑物級別為4級，考慮位于防洪(擋潮)堤上的水閘，其級別不得低于防洪(擋潮)堤的級別，確定水閘級別為2級。

2 工程地質

閘址處河道地層從上到下大致可以分為四層。

(1)淤泥：場地淤泥具微透水性，厚度約2.0～3.5m，呈流塑～軟塑狀，含水量平均為57%，壓縮模量2.0MPa，承載力特征值為35kPa。

(2)淤泥質砂：淤泥質砂具中等透水性，厚度約0.5～2.0m，呈松散狀，壓縮模量5.0MPa，承載力特征值為60kPa。

(3)礫砂：礫砂具強透水性，厚度約0.5～1.5m，松散～稍密，壓縮模量9.0MPa，承載力特征值為160kPa。

(4)殘積土：殘積土具弱透水性，厚度約12～16m，可塑～硬塑，壓縮模量5.5MPa，承載力特征值為150kPa。

此外，河道堤身還分布著浮泥、素填土、礫砂等，成分復雜，厚度1.5～2.0m。

3 工程設計

3.1 結構布置

(1)上游鋪蓋段

鋪蓋的位置緊靠閘底板的上游，主要是延長滲徑，并兼有防沖作用。根據我國已建水閘工程經驗，防滲鋪蓋材料以混凝土、鋼筋混凝土或粘土鋪蓋為主。雙界河水閘采用0.5m厚的C30混凝土鋪蓋，經計算分析，順水流方向長15m。

(2)閘室段

閘室段是水閘工程的主體，包括閘底板、閘墩、閘門、工作橋、交通橋等，應綜合考慮水閘擋水、泄水和運行要求布置閘室。

初步設計確定水閘閘孔總凈寬為27.0m，共分三孔，單孔寬皆為9.0m。閘墩厚度根據門槽深度和啟閉機安裝要求確定，邊墩及中墩厚皆為2.0m，閘門軸線錯位布置以減少閘墩厚度。閘室垂直水流方向總寬為35.0m，順水流方向長取18.80m；底板高程0.05m，厚度為1.5m。根據金屬閘門安裝要求，門槽寬1.0m，二期混凝土預留槽寬1.0m，同時于水閘閘室上下游兩側分別設置檢修閘槽，寬1.0m，二期混凝土預留槽寬1.0m。閘墩頂交通橋采用裝配式預制簡支橋，橋跨35.0m，橋面寬5.0m。

(3)消力池段

消力池的作用主要是消除過閘水流的能量，防止沖刷下游河床。效能形式主要有底流式、挑流式和面流式。

平原地區的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流消能方式。雙界河水閘消力池擬采用底流式效能，下挖式結構。根據SL265- 2016《水閘設計規范》計算得消力池深度、長度分別取1.0m、15m，消力池混凝土底板間隔布置塑料排水管，用以加快下游多余滲水排走。

(4)下游海漫段

流出消力池的水流仍不穩定，為保護河床免受沖刷，需布置一定長度的海漫繼續消除水流的余能。本工程水閘海漫段長18.0m，采用拋填塊石1.0m厚。

3.2 閘室穩定性分析

閘室穩定計算，宜取永久縫間的獨立閘段作為計算單元，本工程水閘縱橫剖面圖如圖1、2所示。

圖1 水閘縱斷面圖

圖2 水閘橫斷面圖

(1)計算工況

根據水閘功能確定排澇河口水閘的工況水位組合如下：

工況一，完建工況：閘上下游無水。

工況二，上游擋水工況：閘上游為景觀蓄水位1.50m，下游無水。

工況三，下游擋水工況：閘上游無水，下游水位為多年平均潮水位為2.12m。

工況四，地震工況：閘上游為景觀蓄水位1.50m，下游水位為多年平均潮位0.26m，發生地震，地震加速度順水流方向。

(2)計算內容

分析計算水閘閘室的抗滑穩定，以及基底壓力分布是否滿足規范要求。

(3)計算結果

各工況基底壓力分布不均勻系數均小于2.0，滿足規范要求，工況二～工況四抗滑穩定系數均大于1.3，滿足規范要求。經對比，各工況中最大壓應力為工況三的基底最大壓應力，即87.75kPa，故本工程水閘地基承載力以此值控制。具體見表1。

表1 計算結果匯總表

由于水閘基底處于淤泥土層，地基承載力不滿足要求，需另行地基處理。

4 地基加固及防滲設計

閘基底土層主要為淤泥及淤泥質砂層，厚約2.0～4.0m，壓縮性高，固結條件差，未能滿足水閘承載力要求，為防止水閘基礎較大的沉陷和不均勻沉陷，還應對水閘及其上下游結構基底處淤泥及淤泥質土的軟弱地基進行處理，以提高地基的承載力、控制地基的沉降變形。

閘址地層從上往下依次為微透水淤泥層、中等透水淤泥質砂層和強透水礫砂層，水閘兩側素填土、填石為中等～強透水地層。

綜合考慮造價、工期和地基沉降控制等因素，閘室結構采用水泥攪拌樁復合地基進行加固，樁徑0.6m，間距0.8m，樁長6.0～7.0m；上游護底及消力池段，采用樁徑0.6m，間距1.5m，樁長5.0m的攪拌樁加固軟弱地基。并在閘室底板中部形成一道攪拌樁截水墻，樁頂伸入閘底板，根據計算，垂直防滲墻的深度采用6.0m且進入殘積土不小于1.0m控制，布置方式為φ600@450，經攪拌樁樁截水后，水閘上下游基本無滲流，水閘地基不存在滲透破壞問題。同時為防止水流從邊墩兩側饒滲，邊墩底部采用雙排旋噴樁處理。

5 結語

水閘工程設計是一項較為復雜的工程任務，必須綜合考慮水閘的功能需求和地域環境等因素，不可直接照搬類似工程設計，尤其是結構設計，如不經過慎重計算分析，輕則影響水閘外觀，重則使工程失事。筆者依據設計經驗，提出以下幾點建議。

(1)水閘建設前期應充分論證其建設必要性，確定水閘的功能定位并選擇合理的建閘位置，避免無意義投資。

(2)必須獲得準確的閘址地質勘測資料，以綜合考慮，確定基礎處理方案。施工時如遇地質情況與勘察資料有較大差異，應及時報告建設單位，由設計單位出具變更方案。

(3)對于軟土地基上的水閘地基處理，水泥攪拌樁是一種行之有效且節省投資的處理方式。注意施工時應換填一定厚度的上部軟土，以創建樁基施工平臺，設計時應當考慮。

[1] 鄒立博. 沖沙閘滲透穩定計算及消力池防沖設計[J]. 水利規劃與設計, 2016(09)．

[2] 羅啟鉅. 加強水閘施工中的軟基處理工作探析[J]. 中國高新技術企業, 2015(09)．

[3] 安普太. 土基水閘滲流穩定分析與防滲措施探討[J]. 水利規劃與設計, 2015(10)．

[4] 梁曉明. 采用灌注樁進行水閘基礎處理實例[J]. 黑龍江水利科技, 2006(02)．

[5] 沈杰, 許海紅. 幾種水閘維修加固的新方法[J]. 水利規劃與設計, 2013(08)．

[6] 曹成. 淮北平原大溝建閘蓄水技術方案探析——以埇橋區隨堤溝建閘蓄水為例[J]. 水利規劃與設計, 2017(01) ．

[7] 唐安軍, 劉紅. 論水利工程常用地基處理方法[J]. 水利規劃與設計, 2010(06)．

[8] 楊代齊. 水工建筑物基礎處理探討[J]. 水利規劃與設計, 2015(08)．

[9] 孫桂喜. 渾河閘應急除險加固工程建設探究[J]. 水利技術監督, 2016(07)．