淺談鐘灣閘除險加固工程方案比選

陳金武

（桐城市大沙河管理委員會辦公室，安徽 桐城 231400）

節制閘和實體堰都是常見的水工建筑物，都有調節上下游水位，控制下泄流量的作用。建設節制閘相對來說工程量比較大，除了土建項目外還有機電設備，所以投資較多，但是節制閘相比實體堰自動化程度高，可通過開啟閘門孔數及高度來調節水位，后期維護也方便，蓄水功能較好，而且實體堰堰型易受地形、地質等因素的制約[1]。因此在除險加固設計中，就需要針對具體工程實際來選擇節制閘和實體堰的設計方案。本文以鐘灣閘除險加固工程為研究對象，對節制閘和實體堰方案進行對比分析。

1 工程概況

鐘灣閘位于長江北岸的菜子湖流域龍眠河故道上，閘址座落在桐城市金神鎮包圩村境內，是一座集蓄水灌溉、排洪、交通為一體的綜合性水利工程。

該閘初建于1964年，續建于1987年，其結構形式為開敞式圬工結構節制閘，共16孔，閘頂高程（橋面）15.6 m。其中左側1#～5#孔為淺孔閘，閘底板高程12.5 m，單孔凈寬2.1 m；中間6#～8#孔為深孔閘，閘底板高程11.0 m，其中6#、7#孔單孔凈寬2.2 m，第8孔凈寬4.0 m；右側9～16孔為無控制堰閘形式，閘底板（堰頂）高程12.3 m，單孔寬3.5 m。運行40多年來，工程年久失修，老化現象嚴重。所以需要對其除險加固。

2 鐘灣閘現狀及存在問題

該閘初建于1964年，續建于1987年，運行40多年來，工程年久失修，老化現象嚴重，且該閘在建設初期因受到技術、經濟等因素的影響，施工質量難以得到保證，存在著不同程度的安全隱患。經過現場檢查及復核，工程現狀存在問題如下：

（1）工程為Ⅲ等，主要建筑物為3級，水閘安全超高下限值及閘頂高程計算值見表1、表2。由表1、表2可知，閘頂高程應不低于17.48 m，而目前閘頂高程為15.6 m，不滿足規范要求。

表1 水閘安全超高下限值 單位：m

表2 閘頂高程復核計算表 單位：m

（2）閘室為圬工結構，砌體老化、砌筑砂漿多處脫落，損壞嚴重，強度不滿足規范要求。

（3）下游消力池水毀嚴重，無海漫及防沖槽，上、下游連接段翼墻損壞嚴重。

（4）交通橋兩側欄桿局部倒塌，中間第8孔橋面板采用圓木拼接，已腐朽，存在交通安全隱患。

（5）閘門及啟閉設施損壞或缺失：左起第8#孔閘門缺失、1#～7#孔預制砼板門露筋、斷裂；左側1#～5#孔啟閉機損壞、6#～7#孔啟閉機失靈，無法運行，8#孔無啟閉機。

3 工程設計方案

針對現狀鐘灣閘存在的問題，本次工程拆除重建方案選用以下兩個方案進行比選。

3.1 方案一：開敞式節制閘

節制閘主體由閘室、兩岸及上下游連接建筑物組成[2]，連接建筑物包括上下游翼墻、兩岸護坡、護底、鋪蓋、消力池、海漫及防沖槽等。

閘室結構為開敞式。閘室垂直水流向過水凈寬34.0 m，總寬41.1 m，底板高程11.0 m，閘頂高程18.0 m。閘室共5孔，單孔凈寬5.0 m，設平面定輪鋼閘門，啟閉機控制，兩側橋頭堡以下為無控制堰閘型式，堰頂高程12.8 m，堰寬4.5 m。閘室順水流向長13.5 m，上部順水流依此布置有檢修平臺、啟閉機臺和交通橋。

閘室上游順水流向依次設有7.5 m長干砌石護底、7.5 m長漿砌石護底及15 m長鋼筋砼鋪蓋，兩側翼墻為鋼筋砼懸壁式擋土墻。閘室下游兩側翼墻為鋼筋砼懸臂式擋土墻，下游消力池長15 m，池底高程10.5 m，消力池后接15 m長漿砌石海漫、5 m長干砌石海漫，海漫末端接堆石防沖槽。

3.2 方案二：實體堰

堰體采用WES型式，堰頂高程12.8 m，堰底板高程11.0 m。通過計算得堰寬為46.8 m，取堰寬48 m，又由于現狀鐘灣閘有交通要求，堰頂需架設交通橋，交通橋寬6.5 m。其中車道寬4.5 m，兩側人行道寬1.0 m），橋面高程18.0 m。堰體分為4孔，每孔12 m，邊墩厚1.2 m，中墩厚1.0 m，堰體底板厚0.8 m。堰體順水流向長7.7 m，上游鋼筋砼鋪蓋長15 m，下游消力池長15 m，池底高程10.5 m，漿砌石海漫長20 m，海漫后接堆石防沖槽。

4 節制閘和實體堰方案比較

4.1 節制閘和實體堰過流能力比較4.1.1 節制閘方案過流能力計算

泄洪工況下，考慮閘門全部開啟，兩側橋頭堡下實體堰參與泄洪，設計流量Q引=173 m3/s，下游水位15.99 m，水深H上=4.99 m。

高淹沒度時，可采用公式：

式中：Q為過閘流量，m3/s；B為閘孔總凈寬，m；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；σ為堰流淹沒系數；ε為堰流側收縮系數；μ0為淹沒堰流的綜合流量系數；m為堰流流量系數，可采用0.385。

假定過閘落差Δ=0.1 m，則下游水深H上=16.09 m，hs/H=0.98，則 μ0=0.986。此時計算得Q1=173.29 m3/s，滿足要求。兩側實體堰過流能力計算按方案二公式計算得Q1=33.99 m3/s，則Q總=207.28 m3/s。

4.1.2 實體堰方案過流能力計算

溢流堰過流計算時，仍采用試算方法，其中堰上下游水位與閘上下游水位一致，即H堰上=H閘上、H堰下=H閘下。

式中：Q為過閘流量，m3/s；B為閘孔總凈寬，m；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；σc為側收縮系數；σs為淹沒系數；m為堰流流量系數。

通過試算，20年一遇設計工況下對應流量及水位見表3。由表3可知：①過流落差相同時，兩種方案過水面積相近，均接近于現狀過水面積；②相同設計條件下，節制閘方案過流優于實體堰方案。

表3 計算成果表

4.2 節制閘和實體堰投資比較

節制閘和實體堰的工程量及投資見表4。從表4可知：建設節制閘的投資將近是建設實體堰投資的1.6倍。主要因為節制閘相比實體堰主體工程量要大，實體堰只有土建項目，而節制閘不僅有土建項目，還有金屬結構及機電設備。另外，土建項目中，節制閘要比實體堰項目多，且土建項目更大。

表4 投資比較表

4.3 方案選取

兩種方案初步從優缺及投資方面進行比較，見表5。

表5 節制閘和實體堰優缺點對比表

由表5可知：節制閘方案投資相對較高，實體堰成本較低；節制閘方案自動化程度高，可通過開啟閘門孔數及高度來調節水位，后期維護也方便，且過流能力優于實體堰方案，而實體堰方案不能自由調節水位高度；另外，該樞紐的主要功能為蓄水，兩方案中，節制閘在后期運用中，維護方便，且最能有效保障蓄水功能；綜合考慮，本次鐘灣閘拆除重建工程最終選取開敞式節制閘方案。

5 結論

本文以桐城市鐘灣閘除險加固工程為研究對象，結合具體情況，通過對節制閘和實體堰的過流能力、投資、后期維護和蓄水保障功能等方面的考慮，在這兩個方案中進行比選，最終選擇更加適合鐘灣閘的節制閘方案。