張公橋除險加固工程泄洪建筑物布置與設計

劉 振，白 斌

(1.江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工結構工程技術中心，江西 南昌 330029；3.四川大學水電學院，四川 成都 610207)

1 工程概況

張公橋水閘坐落在江西省鷹潭市余江縣張公橋農場，位于青田港出口與白塔河匯合處，距縣城鄧埠鎮1km。張公橋水閘的功能主要為泄洪，非洪水期下閘擋水進行灌溉，設計灌溉面積1萬畝。水閘最大過閘流量為2750m3/s，根據SL 265—2001《水閘設計規范》規定[1]，屬大(2)型工程，工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。除險加固工程維持水閘原有規模不變，正常蓄水位38.05m。設計洪水標準仍確定為30年一遇，洪水位為41.73m；校核洪水標準為100年一遇，洪水位為42.81m。

2 工程主要問題

張公橋水閘建于1976年，1978年投運。1981年進行維修加固，并修建消力池。泄洪建筑物由泄洪閘、翻板閘組成。工程經多年運行存在翻板閘閘室及下游消力池底板沖毀；混凝土翻板閘門全部啟閉失效，混凝土閘門破損、止水失效、漏水；樞紐建筑物設計、布局不合理，閘址上游河床淤積；水閘過流能力偏低等問題[2]。泄洪建筑物現存典型問題，如圖1所示。

張公橋水閘一旦失事或閘門無法正常運行，汛期致使洪水下泄受阻，洪水將危及到縣城人民群眾的生命和財產的安全，枯水期將嚴重影響著縣城居民的生活生產用水和下游農田灌溉用水，使當地經濟造成重大損失[3]。經安全鑒定張公橋水閘評定為四類閘，急需拆除重建恢復水閘正常的灌溉和防洪功能。

3 泄洪建筑物除險加固方案

3.1 除險加固方案比選

張公橋水閘工程泄洪建筑物由泄洪閘、翻板閘組成。校核洪水位(P=1%)上游為42.81m，下游為42.12m，相應最大下泄流量2750m3/s；設計洪水位(P=3.3%)上游為41.73m，下游為41.18m，相應最大下泄流量2150m3/s；正常蓄水位38.05m。根據泄洪特點、運行條件、地形條件[4]，以及張公橋水閘工程總體要求，擬采用二種方案進行優化比選。

方案一：泄洪兼沖砂閘+翻板鋼壩閘方案

根據地形條件，經設計計算，采用3孔泄洪兼沖砂閘和2孔翻板鋼壩閘。泄洪兼沖砂閘采用胸墻式平底閘[5]，閘底板高程為34.75m，3孔，孔口寬×高尺寸為2.5m×3.3m(現狀孔口寬度為3m×2.5m)，泄洪兼沖砂閘設工作閘門一道。翻板鋼壩閘，采用開敞式平底閘，底板高程為33.05m，設2孔，閘室泄流凈寬72.0m，每孔凈寬36.0m。每孔各設工作閘門一道，工作閘門采用平面翻板鋼壩閘門。

圖1 泄洪建筑物現存典型問題

方案二：9孔泄洪閘方案

經泄流計算與工程布置，泄洪閘采用開敞式平底閘，閘底板高程為33.05m，閘室泄流總凈寬81.0m，共設9孔，每孔凈寬9.0m。設檢修、工作閘門各一道，其中檢修門為9孔共用。檢修、工作閘門均采用平面鋼閘門。

經分析，上述兩方案均可以滿足控制調節上游正常蓄水、泄洪及防洪等要求。①地形方面：方案一泄洪兼沖砂閘和鋼壩閘總寬100.3m，方案二泄洪閘總寬101.0m，橫向結構寬度相當，工程布置均滿足閘址處河道地形要求。②工程布置方面：方案一采用泄洪兼沖砂閘與翻板鋼壩閘結合布置。翻板鋼壩閘雖新穎、美觀，結構較簡單，但采用兩種閘布置，整體結構布置較方案二復雜。方案二9孔閘結構尺寸相同，布置統一，整體結構布置優于方案一。③工程運行方面：方案一翻板鋼壩閘，立門蓄水、臥門行洪，可通過閘門頂過水，形成人工瀑布的景觀效果。但閘門易受河道污物卡塞，閘門運行可靠度差，且閘門無檢修條件。而方案二9孔泄洪閘，技術成熟、閘孔孔數適中、閘門運行靈活可靠，可分開檢修，較方案一更優。④施工方面：方案一、方案二均需采用二期導流施工，兩方案施工布置相當。⑤工程投資方面：方案一較方案二除金屬結構投資多241.08萬元，建筑工程方案一與方案二相當，總投資方案一比方案二多168.94萬元，方案二較優。

考慮工程位于縣城附近，從布置、運行及投資等方面比選，推薦方案二為除險加固方案。

3.2 泄洪建筑物布置

泄洪閘位于河道右側，緊靠進水閘布置，閘軸線長101.0m，設9孔，每孔凈寬9.0m。閘室泄流總凈寬81.0m，順水流長12.1m。采用開敞式平底閘，閘底板高程35.05m，為整體式C25混凝土底板，厚1.5m。泄洪閘左右側每兩孔為一聯，中間一孔為一聯，共五聯。閘段間設伸縮縫，縫寬2cm，縫間采用紫銅片止水。閘墩長10.35m，頂高程43.90m，邊、中墩為厚2.0m，縫墩為厚1.0m，為C15混凝土。泄洪閘每孔設檢修、工作閘門各一道，其中檢修門為9孔共用，檢修、工作閘門均采用平面鋼閘門。閘門正常蓄水位38.05m，門頂高程38.05m，超正常蓄水位門頂溢流或開啟閘門泄流。閘墩頂設交通橋、啟閉排架及閘房。

為防止水流沖刷破壞，張公橋水閘上游設置混凝土護坦，底板高程為35.05m，長10.0m，寬112.10m，厚20cm，為C20混凝土，下設0.10m厚砂卵石墊層。

泄洪閘采用底流消能，消力池緊接閘室下游布置[6- 7]。消力池寬97.0m，為C25混凝土。底板設縱縫十條，縫寬2cm，縫間設紫銅片止水。底板設置梅花狀2.0×2.0m排水孔，孔徑50mm。兩側均設混凝土翼墻，左翼墻與進水閘翼墻共用，長12.0m，墻厚1.2m，C20混凝土；右翼墻位于泄洪閘右側，墻長23.0m，墻底板高程為34.05～33.05m，墻頂高程43.9m。右翼墻墻體設排水孔，孔徑10cm，縱橫間距2.0m，梅花型布置，墻后排水孔口設反濾排水。消力池后設置防沖槽，防沖槽長10.0m，槽底寬5m，槽深2.5m。

4 泄水建筑物設計

4.1 泄流能力分析

張公橋水閘除險加固設計為9孔泄洪閘，堰頂高程基本與壩址河床底相平，堰型屬無坎寬頂堰，堰頂高程35.05m。按SL 265—2001中孔流公式進行計算[8]，即：

(1)

式中，Q—閘壩泄流流量，m3/s;H0—計入行進流

表2 泄洪閘閘壩頂高程計算成果表

速水頭的堰上水深,m；B0—閘孔總凈寬度，m;μ—孔流流量系數；σ′—孔流淹沒系數；he—孔口高度,m;g=9.81m/s2。

張公橋水閘泄流能力計算成果，見表1。

表1 泄洪閘泄流能力計算成果

經計算，水閘校核洪水位(P=1%)為42.81m(相應下游水位42.12m，上下游水位差0.69m)，相應最大下泄流量2750m3/s；設計洪水位(P=3.3%)為41.73m(相應下游水位41.18m，上下游水位差0.45m)，相應最大下泄流量2150m3/s。與現狀水閘泄流規模相比，加固后的水閘上下游水位差已減小較多，重建后泄水閘的泄流規模恰當。

4.2 閘壩頂高程確定

張公橋水閘除險加固工程，設計正常蓄水位為38.05m。波浪要素采用莆田試驗站公式計算[9]，得：風速Vo=20.1m/s，水域平均水深Hm=5.37m，風區長度D=530m。根據SL 265—2001，計算得閘壩頂高程成果，見表2。

表2可知：計算高程最大為校核洪水期擋水時，高程為43.84m，取閘頂高程為43.9m。

4.3 穩定及結構計算

根據結構布置、受力等條件，閘室采用一個閘門段，按SL 265—2001推薦公式[10]，計算得泄洪閘穩定計算成果，見表3。

表3 泄洪閘閘室穩定計算成果表

計算結果表明，泄洪閘沿建基面的抗滑穩定安全系數及地基應力均滿足規范要求。地基應力均小于地基允許承載力[σ]=500kPa，不需對地基進行加固處理。

5 結論

張公橋水閘是余江縣重要的擋水灌溉和汛期防洪工程，由于建設、管理水平偏低，加上幾十年運行，泄洪閘存在泄流能力不足、效能設施沖毀及導墻基礎掏空、閘門嚴重漏水、河床淤積等問題，急需通過重建以確保水閘灌溉和防洪功能正常穩定發揮。結合項目安全鑒定結論，綜合考慮樞紐整體布置、工程運行、施工和投資等條件，優選與工程實際相匹配的9孔泄洪閘方案。通過泄洪建筑的加固及重建處理，不僅可以促進項目區農業經濟的穩定發展，同時可以為城市封閉防洪體系建設奠定基礎。