姚莊閘除險加固工程總體布置與設計

魏 玲 陳亞軍

一、工程概況

姚莊閘位于沂河支流白馬河上重要節制閘，承擔上游441.29km2行洪、28.76km2排澇和周邊5.03萬畝農田的抗旱灌溉任務。該閘設計標準為10年一遇設計、20年一遇校核，最大流量為553m3/s，工程等別為Ⅲ等，規模為中型。水閘設計采用7孔6m升臥式閘門漫水閘結構，閘上及兩側采用高架橋與堤防連接。該水閘在設計細節上，采用工廠化生產的專利產品——止水接頭，既能確保質量又方便施工，對類似工程具有一定的參考價值。

二、地質情況

姚莊閘工程場地位于郯廬斷裂帶西側邊緣地帶，由于郯廬斷裂帶的影響，區域構造穩定性相對較差。根據《中國地震動參數區劃圖》，場地地震動峰值加速度為0.20g，相應場地基本地震烈度Ⅷ度。由于場地受郯廬斷裂構造活動性的影響，抗震穩定性差，工程位于抗震不利地段。

場地地下水類型為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。地下水主要接受大氣降水以及河流等地表水的入滲補給，地下水水位一般在27.50～25.70m，受季節性降水影響，年變幅2.0～3.0m。場地內第①層壤土、①-1層淤泥質壤土透水性相對較弱，為場地內相對隔水層。第③層含砂姜粘土的富水性和透水性與砂姜的富集程度與埋藏條件有關。

根據鉆孔揭露，場地揭露地層為沖洪積地層，根據土層巖性、時代及工程性質可分為4層（不含夾層），自上而下分述如下：（A）層素填土（Qml）為回填土，壤土混粉土、粉砂，局部為淤泥質土，夾粗砂粒、小砂姜。①-1層淤泥質壤土（Q4al+pl）局部夾粉砂層，該層為①層壤土夾層，該層土質軟弱，壓縮性高，承載力低，建議允許承載力為70 kPa，該層不經處理不宜直接作為建筑物持力層。①層壤土（Q4al+pl）夾粉土、粉砂薄層，夾粗砂粒，該層土質不均勻，局部偏軟，壓縮性中等偏高，建議允許承載力為110 kPa。②-1層砂壤土夾粉砂（Q4al+pl）局部為粉砂，夾較多壤土層，局部呈互層狀，該層松散，土質不均勻，防滲抗沖能力差，易發生滲透變形破壞，且為地震液化土層，建議允許承載力為90kPa。②層中粗砂（Q4al+pl）夾壤土層，該層稍密～中密，飽和，防滲抗沖能力差，易發生滲透變形破壞，且為地震液化土層，建議允許承載力為140kPa。③層含砂姜粘土（Q3al+pl）夾較多粗砂層，砂層厚0.1～0.5m，夾小豆狀FeMn結核及粗砂粒，夾砂姜，砂姜局部富集，砂姜直徑1～10cm不等，該層分布穩定，厚度大，壓縮性中等偏低，工程性質較好，建議允許承載力為250 kPa。

三、方案比選

方案一（采用漫水閘+高架橋方案）：開敞式鋼筋混凝土水閘，閘門采用升臥式閘門。閘室共7孔，每孔凈寬為6m。工作橋、檢修便橋布置在閘室上游側，交通橋布置在閘室下游側，兩側與堤防連接采用高架橋。

方案二（漫水閘+連接道路方案）：中間為漫水閘，閘室共7孔，每孔凈寬為6m。兩側連接段采用土方回填連接，閘上交通橋梁底高程按照20年一遇洪水位加0.5m，兩端連接道路路面高程按照橋面確定，接近堤防段放縱坡。

方案三（高閘方案）：開敞式鋼筋混凝土水閘，閘室共7孔，每孔凈寬為7m，閘門采用直升閘門。兩側采用道路與堤防相連。

三個方案經過比選（見表1），設計采用方案一，即7孔6m漫水閘+高架橋方案。

四、水閘總體布置

姚莊閘總體布置上順水流向中心線基本與河道中心線一致，兩側連接段采用引橋與左右兩岸相銜接。由于該閘所在河段河面開闊、排澇水位和行洪水位相差較大，經調查，該閘附近缺少優質土源用來進行回填，需要征地或外購，難度較大。因此采用滿足灌溉蓄水位和排澇水位要求，采用漫水閘方案，該方案行洪時可從水閘和灘面同時行洪，其最大優點是能超標準洪水行洪；同時考慮該地區處于地震高烈度區，為防止閘門阻水和降低工作橋高度，采用升臥式閘門。另外，考慮該閘處于緊鄰鎮政府所在地，為交通頻繁地段，為保證該河道行洪期間的防汛搶險且不中斷當地交通，閘兩側連接段采用高架橋方案。橋梁梁底高程按照20年一遇洪水位加0.5m安全超高確定。

五、水閘設計

姚莊閘閘室共7孔，每孔為6m凈寬，共3聯，其中中間3孔1聯，兩邊側2孔1聯。工作橋、檢修便橋布置在閘室上游側，交通橋布置在閘室下游側，閘室兩側設置管理房和控制室。

閘室底板頂高程23.50m（廢黃河高程系，下同），底板底高程22.50m，閘頂高程28.70m，閘室底板順水流方向長16.0m，垂直水流方向總長51.84m，檢修橋橋面高程為28.70m，寬2m；閘上交通橋設計荷載標準：公路—Ⅱ級，橋面高程為32.07m，橋面寬度為凈7.5m+2×0.5m，橋板采用預制混凝土空心橋板，橋板跨徑隨閘室尺寸，分別為7.06m、6.96m；閘兩側引橋設計荷載標準：公路—Ⅱ級，橋面高程為32.07m，橋面寬度為凈7.5m+2×0.5mm，橋板采用10m跨預制混凝土空心橋板，雙柱排架式結構，基礎采用直徑80cm灌注樁基礎，橋臺采用樁柱+擋土墻組合式橋臺；上游鋪蓋采用鋼筋混凝土鋪蓋，長13m，下游鋼筋混凝土消力池，水平段共長20m，池深1.5m，下游混凝土海漫長50m；水閘末端設2m深防沖槽；閘上、下游河道護砌：護底為現澆混凝土，護坡為預制混凝土塊；水閘范圍內灘面及堤防內護坡采用植草磚進行護砌；閘上、下游翼墻平面布置采用直線加圓弧組合的布置型式，緊挨閘室第一、二、三節翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式翼墻，閘上翼墻底板底高程23.00m，閘下翼墻底板底高程20.90m，第四節翼墻采用鋼筋混凝土懸臂式翼墻，閘上底板底高程23.00～26.00m，閘下底板底高程22.60～27.10m。

在閘室兩側設橋頭堡，用作中控室兼管理房（賠償原管理房），為板梁柱結構，平面尺寸為12.45m×6.0m，共兩層。升臥式主閘門采用5.96m×4.4m平面閘門，配QPQ-280kN雙吊點卷揚式啟閉機7臺套，配套電機功率為7.5kW。另設檢修鋼閘門一套，配30kN雙吊點電動葫蘆1臺。由于該閘底板坐落在第②-1層砂壤土夾粉砂層上，該層為地震液化土層。該工程采用換填12%水泥土進行換基處理，壓實度不小于0.95。

表1 各方案優缺點比較表

姚莊閘工程閘室布置根據上部結構功能要求進行布置，根據計算，該建筑物的雙向抗滑、地基應力和不均勻系數方面均滿足規范要求，其最不利計算工況由地震期不均勻系數控制。

根據水閘上下游水位、下游Q～H曲線、閘門開度等，經計算，在小流量（65m3/s）時，消力池計算深度最深（1.35m）；在較大流量（451.7m3/s）時，消力池計算長度最長（18.9m）；在最大流量（553m3/s）時，消力池計算厚度最厚（0.8m）。根據閘單寬流量、上下游水位和地質情況等，經計算，海漫長度最長為48m，海漫末端河床沖刷深度計算最深為3.8m，均滿足設計要求。

六、結語

姚莊閘緊鄰鎮區，是地震烈度較大、正常擋水和行洪水位相差較大的水閘，再加上山區可能超標準來水，因此在水閘總體布置要統籌考慮。該閘在設計時，考慮其位于8度地震區，采取升臥式閘門方案，可顯著降低排架高度，有利于抗震；閘室底板段的檢修門槽和主門槽間墩墻范圍內，內側由上往下漸變縮小了2cm，形成上大下小的楔形結構，止水效果較好且便于運行管理。在設計中，水平止水之間、水平與垂直止水連接均采用定型連接接頭（類似于管路的三通接頭），既能保證施工質量，止水效果好，又能提高施工效率。目前水平止水連接裝置已取得國家實用新型專利；垂直止水與水平止水的連接裝置已由國家知識產權局受理，正在辦理。該工程設計成果對今后徐州東北部沂蒙山區來水片區的水閘設計具有一定的借鑒作用