前艾攔河閘除險加固工程設(shè)計

石 昊

(德州市水利勘察設(shè)計研究院，山東 德州 253000)

1 工程概況

前艾閘位于山東省德州市寧津縣前艾干溝柴胡店鎮(zhèn)前艾村東，寧津新河24+100處，建成于1980年5月。原閘總長55.5m，共設(shè)5孔，每孔凈寬3m。采用直升式鋼筋混凝土平板閘門，配有手搖單吊點螺桿式啟閉機(jī)5臺，啟閉力均為10噸∕臺。設(shè)計防洪流量113.1m3/s，相應(yīng)閘上水位12.40m，排澇流量78.6m3/s，相應(yīng)閘上水位11.48m，該閘設(shè)計蓄水量50萬m3，設(shè)計蓄水位11.20m，屬中型水閘。工程主要任務(wù)以攔蓄水源進(jìn)行灌溉為主，兼顧水域生態(tài)環(huán)境等綜合利用，控制流域面積424.8km2，設(shè)計灌溉面積3萬畝。前艾閘為中型規(guī)模，工程等別為Ⅲ等，攔河主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

2 工程安全復(fù)核

前艾閘建成運行近40年，蓄水灌溉效益顯著。由于運行時間較長，日常運行維護(hù)措施不到位，長期“帶病”運行。河道淤積、堤防破壞、建筑物老化等問題，致使河道排水能力明顯降低，工程效益連年降低，流域內(nèi)澇災(zāi)害逐年加劇；整體混凝土強度偏低，碳化、脫落嚴(yán)重，最大碳化深度69mm，鋼筋外露銹蝕，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性；排架柱、機(jī)架橋混凝土裂縫較多，鋼筋裸露銹蝕，承載能力不能滿足規(guī)范要求；閘門鋼筋混凝土開裂剝落，橡膠止水老化破損，閘門無法正常啟閉，啟閉機(jī)嚴(yán)重銹蝕，螺桿損壞；無觀測設(shè)備，無配套的電氣設(shè)備，無橋頭堡。前艾閘現(xiàn)存典型病險問題，如圖1所示。

圖1 前艾閘現(xiàn)存典型病險問題

根據(jù)《山東省海河流域防洪規(guī)劃》，前艾閘設(shè)計按寧津新河洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行河道治理及水位推算，防洪標(biāo)準(zhǔn)流量為113.1m3/s，底寬11m，防洪水位為12.40m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇，經(jīng)實測暴雨資料推求校核流量為165.8m3/s，相應(yīng)校核水位為13.52m。原閘現(xiàn)狀排架柱、機(jī)架橋、閘墩、生產(chǎn)橋柱及蓋梁承載能力不滿足規(guī)范要求，基本失去功能；最高水位情況下，地基承載力不滿足要求，地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均大于規(guī)范允許值，閘室段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定值，不滿足要求；閘門混凝土碳化、脫落，鋼筋外露銹蝕嚴(yán)重，閘門整體強度均不滿足規(guī)范要求；閘門槽埋件銹蝕嚴(yán)重，止水橡皮老化嚴(yán)重，局部斷裂和缺損，漏水嚴(yán)重[1]。前艾閘現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)運用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程存在嚴(yán)重安全問題，評定為四類水閘，需盡快報廢改建，以恢復(fù)水閘正常的農(nóng)業(yè)灌溉和防洪排澇功能。

3 除險加固設(shè)計

前艾閘附交通橋連接周圍村莊，且閘管所位于閘附近，為保證兩岸交通道路的連接和管理方便，設(shè)計在原址(寧津新河樁號24+100處)直接拆除重建，不再易址。

3.1 拆除重建方案優(yōu)化比選

前艾閘為原閘址直接拆除重建，以恢復(fù)水閘攔蓄水源灌溉等功能效益。攔蓄工程水閘型式主要有提升閘、底軸翻板鋼閘、橡膠壩三種，現(xiàn)對這三種方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的比較，見表1。

表1 前艾閘閘型方案比選

設(shè)計優(yōu)選的3種閘型各有優(yōu)缺點，綜合考慮前艾閘的工程地質(zhì)、流域水文和運行管理經(jīng)驗等因素，優(yōu)選工程投資適中、維修養(yǎng)護(hù)便捷、運行操作成熟的直升式平板閘方案。

3.2 總體布置

攔河閘布置在主河槽內(nèi)，為4孔開敞式水閘，每孔凈寬4.0m。閘墩為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中墩厚1.0m，邊墩厚1.0m，墩高6.4m。底板為C25鋼筋混凝土整體式底板，厚1.0m，順?biāo)蜷L12m，總寬21m。閘底板高程為6.7m，閘墩頂高程13.1m。設(shè)4m×5m工作閘門和檢修閘門，配卷揚式啟閉機(jī)和電動葫蘆，墩頂上游設(shè)凈寬0.7m的C30鋼筋混凝土檢修橋、高5.5m的C30鋼筋混凝土排架和4.0m寬的C30鋼筋混凝土機(jī)架橋，上設(shè)4.0m寬啟閉機(jī)房。閘墩頂設(shè)C30鋼筋混凝土交通橋，凈寬4.0m、長37m(包括兩岸各8m長橋頭搭板)，采用裝配式鋼筋混凝土空心板結(jié)構(gòu)。閘室左岸設(shè)橋頭堡，橋頭堡共3層，6.12m×4.36m，設(shè)柴油發(fā)電機(jī)室、配電室、啟閉機(jī)集中控制室、滲壓集中觀測室等。前艾閘控制段簡圖，如圖2所示。

圖2 前艾攔河閘控制段簡圖

前艾攔河閘控制段上游連接段由鋪蓋、上游護(hù)坡組成。鋪蓋前兩側(cè)采用干砌石護(hù)坡，長6.0m。C25鋼筋混凝土鋪蓋兩段，分別長15.0、10.0m，寬均為19m，厚均為0.4m，兩岸采用C20鋼筋混凝土護(hù)坡及C25鋼筋混凝土圓弧擋土墻，圓弧擋土墻頂高程13.1m上游護(hù)坡頂高程11.7m。下游連接段由消力池、海漫、下游防沖槽及下游護(hù)坡組成。消能池為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池深1.0m，寬20m，總長22.0m，底板厚0.5m，消力池兩側(cè)采用C25鋼筋混凝土圓弧擋土墻；其后為長30m的M10漿砌塊石海漫，海漫頂高程6.7m，護(hù)砌厚度0.4m，兩側(cè)采用干砌石護(hù)坡；海漫下游為拋石防沖槽，順?biāo)鏖L度為8.0m，拋石深度2.0m，兩側(cè)采用M10漿砌石護(hù)坡。下游護(hù)坡頂高程11.7m。

4 建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 過流能力分析

前艾攔河閘50年一遇設(shè)計防洪流量165.8m3/s，設(shè)計防洪水位13.52m，閘孔總凈寬16m，閘底板高程6.7m。上下游水位差0.13m時，閘孔可過流量168.56m3/s，大于設(shè)計流量165.8m3/s，水閘過流能力滿足50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)流量設(shè)計要求。

4.2 改造前后雍水影響

前艾攔河閘改造前按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防；改造后按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。采用平底閘堰流過流公式對河道行洪阻力進(jìn)行分析[11- 13]，計算得前艾攔河閘改造前后對河道的壅水影響見表2。

從表2可知，前艾閘改造后壅水高度低于改造前，且經(jīng)與防洪規(guī)劃部門溝通，確定改造后的水閘壅水高度在允許范圍內(nèi)。

4.3 消能防沖復(fù)核

水閘渠底寬11m，邊坡1∶3，比降1/14000，糙率選用0.025。最不利條件下，閘前可能出現(xiàn)最高水深為4.5m。根據(jù)閘門實際運用工況，確定閘門下游消能水力條件[14]。在開閘時，按閘門提起高度來計算，下泄一定流量；當(dāng)開啟一孔閘門時為最不利工況，按照一孔先提起0.25、0.5、1，1.5m等高度進(jìn)行消能分析，計算成果見表3。

參照SL265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》條文說明防沖槽計算值一般較大，如按條文計算值作為防沖槽深度，既不經(jīng)濟(jì)，施工也困難[15]。工程經(jīng)驗一般取防沖坑深度1.5～2.0m，前艾攔河閘防沖槽設(shè)計取槽深2m。根據(jù)表3計算成果，綜合考慮工程地質(zhì)水文等特性并參照類似項目設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計優(yōu)選消能防沖設(shè)施尺寸為：閘門開度4.5m，消力池深度為1.0m，消力池長19.0m，消力池底板厚0.5m，海漫長30.0m，防沖槽深度2.0m。

4.4 閘室穩(wěn)定性分析

前艾閘為鋼筋混凝土開敞式中型水閘，閘室總長21.0m，設(shè)4孔4m×5m(寬×高)的平板鋼閘門。底板為鋼筋混凝土整體式底板。底板厚1.0m，順?biāo)蜷L12m。中墩厚1.0m，邊墩厚1.0m，墩高6.4m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上設(shè)鋼筋混凝土排架、機(jī)架橋、檢修橋、交通橋及啟閉機(jī)房。閘室穩(wěn)定性分析計算工況為：①完建無水工況；②正常擋水工況:閘上游水位：11.20m，閘下游無水6.70m。按SL265—2016推薦公式[16]，計算得前艾攔河閘閘室順?biāo)鞣较蚍€(wěn)定性分析成果見表4。

表2 前艾攔河閘改造前后壅水成果

表3 不同工況消力池水力特性計算成果

表4 閘室順?biāo)鞣较蚍€(wěn)定性計算成果

從表4可知，不同運用工況下，閘室地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范允許值[2.0]指標(biāo)；正常擋水工況下，閘室段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值3.0大于規(guī)范規(guī)定值[1.10]指標(biāo)，滿足規(guī)范要求。不同運用工況下。地基承載力均小于允許值[80kPa]指標(biāo)，不滿足規(guī)范要求。但平均基底應(yīng)力接近地基承載力允許值，為保證工程安全，需對閘室地基進(jìn)行加固處理，提高閘室段及上下游圓弧擋土墻地基承載力。采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固處理，使地基承載力達(dá)到120kPa，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

通過對前艾攔河閘除險加固工程設(shè)計中的水閘病險現(xiàn)狀、閘址選擇、閘型比選和建筑物布置及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行論證分析，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和安全復(fù)核計算成果，前艾攔河閘存在閘前淤積、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、地基承載力低、止水設(shè)施老化滲漏嚴(yán)重、配套設(shè)施缺失等問題，評定為四類水閘，急需拆除重建，確保其蓄水灌溉功能正常穩(wěn)定發(fā)揮，增加運營經(jīng)濟(jì)效益。

(2)經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面優(yōu)化比選，綜合考慮運行經(jīng)驗等因素，設(shè)計優(yōu)選投資適中、操作靈活和工程適應(yīng)性較強的原閘址拆除重建方案和直升式平板閘閘型。

(3)水閘過流能力及穩(wěn)定性計算成果表明，改造后閘孔凈寬增加，壅水高度降低，行洪過流通暢；采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固處理，水閘地基承載力、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)和抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，整體安全可靠。