紅石嘴樞紐沖砂閘水毀加固方案設(shè)計(jì)

劉 志

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局，安徽 六安 237005)

2016年汛期,強(qiáng)降雨造成上游梅山水庫泄洪,紅石嘴樞紐洪峰流量達(dá)900 m3/s,樞紐工程溢流壩、沖沙閘、洪河泄水閘均局部受損。為保證工程安全運(yùn)行,應(yīng)對水毀工程進(jìn)行修復(fù)。

1 水毀原因分析及設(shè)計(jì)思路

通過現(xiàn)場查勘,分析了工程運(yùn)行條件,認(rèn)為形成水毀根本原因是樞紐下游老史河亂采砂石現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致河床每年以1m～2m速度下切,河床下切后造成消力池下游水位下降(現(xiàn)狀河床低于消力池尾坎約2.0m),消能條件發(fā)生改變,導(dǎo)致消能不足。針對水毀原因分析,為解決消能不足,本次加固方案擬對1級消力池維修加固,并增建2級消能設(shè)施;為防止河床繼續(xù)下切導(dǎo)致上游消力池及閘室破壞,擬在2級消力池末端增建混凝土灌注樁防沖墻對河床進(jìn)行保護(hù)。

2 計(jì)算分析

2.1 消能防沖復(fù)核

沖砂閘消能防沖設(shè)計(jì)條件為:上游水位為69.00m,下游水位為63.50m,開閘下泄流量347m3/s。

(1)池內(nèi)計(jì)算。依據(jù)文[1],按式(1)～(3)計(jì)算池內(nèi)躍后水深

(1)

(2)

(3)

經(jīng)計(jì)算hc″=5.17m。現(xiàn)消力池底板高程為60.00m,只有下游水位大于65.17m時(shí)能滿足池內(nèi)水深,下游水位低于65.17m時(shí)均需設(shè)置突坎消力池。

(2)坎后計(jì)算。按式(4)～(6)計(jì)算坎高

(4)

其中,qs為尾坎處(消力池末端)單寬流量,qs=Q/b2;σs為消力坎(尾坎)的淹沒系數(shù);m1為尾坎的流量系數(shù),可取0.42;

(5)

其中,σ為消力池內(nèi)水躍淹沒系數(shù),可采用1.05～1.10;v10為尾坎處斷面水流平均流速。

(6)

經(jīng)計(jì)算坎高C=2.09m

hs/H10>0.45時(shí),過坎水流為淹沒堰流,按淹沒堰流計(jì)算。經(jīng)復(fù)核計(jì)算,下游水位60.00m～63.73m時(shí)尾坎后為非淹沒流,下游水位超過63.73m按照淹沒流進(jìn)行復(fù)核。其中,hs為由坎頂起算的下游水深

計(jì)算坎后水躍收縮水深:T1=C+H10=5.715m帶入式(3),試算得到hc1=1.44m。當(dāng)hthc1″時(shí),尾坎后為淹沒式水躍;其中,ht為消力池底板起算的下游水深。

經(jīng)復(fù)核,下游水位60.00m～61.44m時(shí),尾坎后為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,需增設(shè)2級消能;下游水位61.44m～63.73m時(shí),尾坎后為淹沒式水躍,不需增設(shè)2級消能;下游水位63.73m～65.17m時(shí)尾坎后為淹沒流,尾坎高度2.09m。

(3)消力池長度復(fù)核。按式(7)～(8)計(jì)算消力池長度

Lsj=Ls+βLj

(7)

Lj=6.9(hc°-hc)

(8)

其中,Lsj為消力池長度m;Ls為消力池斜坡段水平投影長度m;β為水躍長度校正系數(shù),可采用0.7～0.8;Lj為水躍長度,m。

計(jì)算所需消力池長度41.17m(含消力池斜坡段),取消力池長度42.00m。原消力池長度為38m,不能滿足設(shè)計(jì)條件。

復(fù)核結(jié)論:紅石嘴沖砂閘現(xiàn)狀突坎式消力池,坎高1.8m小于計(jì)算值2.09m,消力池長度38m小于計(jì)算值42m,坎高和長度均不能滿足設(shè)計(jì)要求。另外下游河道比降較大,流速較快。下游水位一般小于61.44m,一般情況下尾坎后為非淹沒流,發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,故需要增設(shè)2級消力池。復(fù)核結(jié)果如表1所列。

表1 沖砂閘消能防沖復(fù)核結(jié)果

2.2 翼墻抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)推薦的公式(9)驗(yàn)算擋土墻的穩(wěn)定性,結(jié)果如表2所列。

表2 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算,沖砂閘消力池兩側(cè)擋土墻抗滑、抗傾穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3 加固方案設(shè)計(jì)

3.1 1級消力池加固

根據(jù)消能防沖復(fù)核,沖砂閘現(xiàn)狀消能工不能滿足設(shè)計(jì)消能要求,需增加一級消力池尾坎高度。經(jīng)計(jì)算1級消力池尾坎高度2.1m,現(xiàn)狀消力坎高為1.8m。本次加固對原消力坎及海漫表面鑿除100mm,澆筑400mm厚鋼筋混凝土面層,加固后消力坎頂高程為62.10m,將原海漫接長15m后與2級消力池銜接。

3.2 增建2級消力池

本次修復(fù)采取增加2級消力池,2級消力池?cái)M采用挖深式消力池,上游以一級消能的尾坎為堰的堰流下泄進(jìn)行2級消能計(jì)算。計(jì)算上游水位采用尾坎上水深H10。

采用文[1]消能防沖計(jì)算公式,對沖砂閘2級消能計(jì)算結(jié)果如表3所列。

表3 沖砂閘2級消力池計(jì)算結(jié)果

本次加固中增建2級消力池,池長35m,池深1.6m,池底高程57.30m,底板厚0.5m,沿底板中心線分縫,縫間高止水。

3.3 上游灌注樁設(shè)計(jì)

為防止河床繼續(xù)下切導(dǎo)致上游消力池及閘室破壞,本次加固擬在沖砂閘2級消力池末端防沖槽底部增設(shè)鋼筋混凝土灌注樁防沖墻,灌注樁底部深入基巖0.5m。采用單排直線型布孔,垂直水流方向長度分別為44m,孔徑0.9m,孔距0.75m,樁與樁之間互相咬合,樁頂嵌固在“L”型板防沖槽底部,形成“樁墻”。為提高樁的質(zhì)量和承載能力,沉管灌注樁采用單打法,撥管時(shí)每提升0.5m～1.0m,振動5～10s,然后再撥管0.5m～1.0m,這樣反復(fù)進(jìn)行,直至全部撥出。

4 結(jié)束語

紅石嘴樞紐沖沙閘水毀修復(fù)工程設(shè)計(jì)方案的實(shí)施,解決了原1級消能設(shè)施消能不足問題,同時(shí)對河道下切造成消能設(shè)施的破壞進(jìn)行了防護(hù),從根本上保證了樞紐工程安全運(yùn)行。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] SL265-2016，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] JTJ248-2001,港口工程灌注樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[3] 朱蓉．水利水電工程中水庫加固施工管理論述[J]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2017，(1)：96-97.