淠河總干渠戚家橋泄水閘拆除重建工程設(shè)計

李國齊

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計院，安徽 合肥 230000)

戚家橋泄水閘已運行50余年， 2009-03月進行了安全檢測和鑒定，鑒定結(jié)論如下：① 水閘閘墩為漿砌石結(jié)構(gòu)，風(fēng)化嚴(yán)重，不滿足抗震強度安全要求；② 閘室混凝土結(jié)構(gòu)破損開裂，鋼筋銹蝕嚴(yán)重；③ 下游翼墻基底應(yīng)力不滿足規(guī)范要求；④ 消力池長度、深度均不滿足要求，無防沖槽；⑤ 鋼閘門及門槽埋件銹蝕嚴(yán)重，啟閉機設(shè)備老化；⑥ 無觀測設(shè)施，管理設(shè)施陳舊簡陋。

按照《水閘安全鑒定規(guī)定》規(guī)定，戚家橋泄水閘評定為(三)類閘，擬對該閘進行拆除重建。

1 工程布置及主要建筑物設(shè)計

1.1 閘址選擇

根據(jù)工程地質(zhì)勘探報告，該閘址工程地質(zhì)條件較好，閘址建基面位于②層粘土夾粉質(zhì)粘土上，承載力較高，滲透性弱。原址重建可以利用原泄水通道，減少大量土方開挖和工程占地，節(jié)約工程投資，故本次設(shè)計擬在原閘址進行拆除重建。

1.2 建設(shè)方案比選

(1)閘室結(jié)構(gòu)型式比選。考慮到閘上水頭較高，設(shè)計擬定開敞式和潛孔式2種閘室型式進行技術(shù)經(jīng)濟比較，如表1所列。

表1 戚家橋泄水閘閘室結(jié)構(gòu)經(jīng)濟比較表

注：2方案相同項目工程量未列入比較范圍。

根據(jù)上述比較結(jié)果，潛孔式閘室方案存在工程投資較省、操作運行方便、可靠性高等優(yōu)勢，故本設(shè)計確定采用方案2潛孔式閘室結(jié)構(gòu)。

(2)底檻高程選擇。本次戚家橋泄水閘加固方案為原址拆除重建，原閘坎高程47.33m，與上下游渠底高程銜接順暢，且原閘基座落在粉質(zhì)粘土層，其下為細(xì)砂層，不宜作為閘室基礎(chǔ)，故選擇閘底檻高程不變。

(3)閘孔凈寬比選。閘檻高程確定后，根據(jù)水閘的設(shè)計流量及水位，計算確定閘室凈寬14m，考慮選擇多孔閘。為便于閘門的對稱開啟，使水閘水流均勻，閘孔數(shù)以單數(shù)為好，因此選擇3孔和5孔2種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

表2 閘孔孔徑技術(shù)經(jīng)濟比較表

注：2方案相同項目工程量未列入比較范圍。

以上2種孔徑均能滿足過流要求，方案2投資較大，因此本設(shè)計選用方案1。

(4)閘室底板結(jié)構(gòu)型式比選。戚家橋泄水閘閘基為土基，閘室底板總寬度19.4m，閘頂設(shè)有交通橋，橋面板厚度較大，整體結(jié)構(gòu)受力條件較好，閘室橫剖面可作為箱涵框架考慮，根據(jù)《水工鋼筋混凝土設(shè)計規(guī)范》混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距可達(dá)30m，故閘室底板采用整體式結(jié)構(gòu)。

1.3 水閘總體布置

1.3.1 閘室布置

(1)底板結(jié)構(gòu)布置。閘室基礎(chǔ)為土基，為有效減小邊墻2側(cè)土壓力的影響，閘室底板采用箱涵式整體結(jié)構(gòu)，3孔1聯(lián)。

(2)閘墩結(jié)構(gòu)布置。為滿足閘室穩(wěn)定要求，增加閘室有效重量和獲得較理想的閘室流態(tài)，閘墩采用鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)，其長度與閘室底板等長，中墩厚度根據(jù)主門槽及啟閉機臺排架柱的布置要求確定為1.0m，上、下游作成圓弧形墩頭，以改善閘室上下游流態(tài)。邊墩設(shè)計充分考慮兩側(cè)土壓力荷載影響，由于本閘室為箱涵式整體結(jié)構(gòu)，受力條件較好，邊墩厚度取1.0m。

(3)閘門及啟閉臺。該閘座落在粉質(zhì)粘土上，綜合考慮閘址和兩岸連接道路情況，將工作門、啟閉機臺布置在下游側(cè)，交通橋布置在上游側(cè)。工作閘門選用直升式露頂平板定輪鋼閘門，在工作門上游側(cè)布置檢修門槽。胸墻頂與閘門齊平，與閘墩固結(jié)，增加閘室結(jié)構(gòu)橫向剛度。

(4)閘上交通橋和檢修便橋。考慮到與現(xiàn)狀閘頂交通橋兩岸道路的順暢連接，閘上交通橋布置在閘室上游側(cè)，與閘墩整澆，橋面寬6.0m，梁板式結(jié)構(gòu)，在工作門前后均布置檢修便橋。

(5)橋頭堡布置。橋頭堡緊鄰左右邊墩布置，采用空箱式岸墻基礎(chǔ)，橋頭堡內(nèi)布置監(jiān)控室。

1.3.2 地下輪廓布置

水閘地下輪廓線的長度取決于閘基的地質(zhì)條件和水閘上下游水位差等因素，閘基防滲長度參照土基水閘閘基防滲長度式(1)計算：

L=C×ΔH

(1)

該上下游最大水頭差4.6m，閘基防滲長度需23m，閘基實際防滲長度為30.9m，滿足防滲要求。

1.3.3 消能防沖布置

閘下消能設(shè)施一般有挖深式、尾坎式和綜合式，本次設(shè)計采用綜合式消力池，消力池末端設(shè)干砌石海漫和防沖槽。

1.3.4 兩岸連接布置

根據(jù)地形情況，上游兩側(cè)翼墻采用圓弧形重力式毛石混凝土擋墻，墻高5.0m，順?biāo)飨蜷L10.0m。

閘室下游翼墻采用C25鋼筋混凝土扶臂式結(jié)構(gòu)，墻高6.60m，垂直水流向長12.6m。

1.3.5 觀測設(shè)施布置

為監(jiān)測水閘的工作狀態(tài)，本工程設(shè)置了水位標(biāo)尺、沉降標(biāo)點、測壓管等觀測設(shè)施。

1.4 水力設(shè)計

1.4.1 過流能力復(fù)核

表3 戚家橋泄水閘過流量計算成果表

1.4.2 消能防沖計算

水閘消能防沖計算應(yīng)根據(jù)該閘實際功能和后期運行調(diào)度工況，選取最惡劣工況進行控制計算。

(1)消力池池深計算。消力池設(shè)計初擬尾坎式消能工進行試算，水躍計算利用《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄B公式計算。

(2)消力池長度。消力池長度采用式(2)計算：

Lsj=Ls+βLj

(2)

Lj=6.9(h〃c-hc)

(3)消力池底板厚度。消力池底板厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求按以式(3)、式(4)計算，并取其最大值：

(3)

(4)

(4)海漫長度計算。海漫長度按式(5)計算：

(5)

(5)河床沖刷坑深度計算。海漫末端的河床沖刷坑深度按式(6)計算

(6)

上游鋪蓋首段沖刷深度：

(7)

通過計算，消能防沖設(shè)計計算值與設(shè)計值對照如表3所列。

表3 戚家橋泄水閘消能防沖計算成果表

根據(jù)以上計算結(jié)果，設(shè)計布置的消力池長、墻高、底板厚度及海漫長度、防沖槽深度均滿足要求。

1.5 穩(wěn)定計算

1.5.1 閘室抗滑穩(wěn)定驗算

為了保證水閘的穩(wěn)定性，故需對閘室穩(wěn)定進行校核。

(1)抗滑穩(wěn)定計算。抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kc按式(8)計算:

kc=f∑G/∑H

(8)

(2)閘室基底應(yīng)力計算。閘室基底應(yīng)力P按式(9)計算:

P=∑G/A±∑M/W

(9)

(3)地震慣性力的計算。采用擬靜力法計算地震慣性力，沿建筑物高度作用于質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值按式(10)計算:

F1=αhεGE1α1/g

(10)

表4 閘室穩(wěn)定計算成果表

計算結(jié)果表明,閘室基底應(yīng)力小于地基承載力，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。

1.5.2 閘室抗浮穩(wěn)定驗算

當(dāng)閘室設(shè)有兩道檢修閘門或只設(shè)一道檢修閘門，利用工作閘門與檢修閘門進行檢修時，應(yīng)進行閘室抗浮穩(wěn)定計算。計算公式如式(11)：

Kf=∑V/∑U (11)

計算結(jié)果表明，閘室抗浮穩(wěn)定滿足要求。

1.5.3 翼墻穩(wěn)定計算

選取最大墻高處作為典型計算剖面，計算結(jié)果如表6、表7所列。

表6 上游毛石擋土墻穩(wěn)定計算成果表

表7 下游扶壁擋土墻穩(wěn)定計算成果表

經(jīng)計算，戚家橋泄水閘擋土墻抗滑、抗傾穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

2 結(jié)束語

安徽省水利廳以皖水基涵[2012]166號文對戚家橋泄水閘拆除重建工程進行了批復(fù)，批復(fù)總投資914萬元，工程于2012-09月開工建設(shè)，2013-12月通過省水利廳組織的竣工驗收并投入運行，工程質(zhì)量優(yōu)良。該項目的實施在防洪減災(zāi)及改善灌溉面積方面每年直接經(jīng)濟效益215萬元，投資回收期12年，工程效益十分可觀。