徒駭河干流南營(yíng)節(jié)制閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

李江波，熊繼斌，李海洋

(德州市水利勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 德州 253000)

1 工程概況

南營(yíng)閘位于山東省禹城市十里望鄉(xiāng)南營(yíng)村徒駭河干流186+950里程處，建于1969年[1]，為17孔鋼筋混凝土開(kāi)敞式Ⅲ等3級(jí)中型閘。改造后水閘總長(zhǎng)125.50 m，閘孔凈寬102.00 m。設(shè)計(jì)防洪流量955.60 m3/s，相應(yīng)閘上水位22.08 m(黃海高程，下同)；排澇流量618.00 m3/s，相應(yīng)閘上水位20.63 m。設(shè)計(jì)蓄水位20.52 m，蓄水量770.00萬(wàn)m3，最大蓄水量910.00萬(wàn)m3，年調(diào)節(jié)水量4000.00萬(wàn)m3。工程任務(wù)為蓄水灌溉為主，兼顧防洪、排澇和工業(yè)用水等功能。

2 工程病險(xiǎn)現(xiàn)狀及安全復(fù)核

南營(yíng)閘運(yùn)行已50年，在蓄水灌溉、防洪排澇上發(fā)揮了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。但由于服役時(shí)間長(zhǎng)，水閘一些特征指標(biāo)不符合現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，工程存在較多安全隱患且呈逐年惡化趨勢(shì)[2]。上下游河槽淤積嚴(yán)重、護(hù)坡滲水明流、閘墩混凝土裂縫及碳化凍融剝蝕、鋼筋外露銹蝕和閘門銹蝕變形等，嚴(yán)重影響水閘的運(yùn)行安全。南營(yíng)閘主要病險(xiǎn)問(wèn)題如圖1所示。

圖1 南營(yíng)閘主要病險(xiǎn)問(wèn)題

根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》，2000年山東省水利科學(xué)研究院對(duì)南營(yíng)閘進(jìn)行了安全鑒定,結(jié)果表明：①上下游河道淤積：南營(yíng)閘的過(guò)流能力滿足行洪和排澇要求。但徒駭河干流地處魯北平原，土壤多為粉細(xì)砂，泥沙和引黃客沙對(duì)上下游河道造成淤積。②排水設(shè)施失效：閘上游止水和閘下游反濾排水設(shè)施存在失效問(wèn)題，造成閘基滲透變形坡降偏大和下游護(hù)坦抗浮能力不足。兩岸下游漿砌石護(hù)坡變形塌陷嚴(yán)重，閘室兩岸和閘基滲流嚴(yán)重[3]，閘基滲流絕對(duì)異常值達(dá)46 mV，已產(chǎn)生滲透變形。③混凝土碳化及鋼筋銹蝕：混凝土裂縫、碳化、剝蝕嚴(yán)重，鋼筋裸露并銹蝕，部分出現(xiàn)在受力區(qū)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。④閘門銹蝕變形：閘門銹蝕、變形嚴(yán)重，止水橡皮老化，附件老化、銹蝕嚴(yán)重，閘門啟閉困難。

南營(yíng)閘超期運(yùn)行，運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程存在嚴(yán)重?fù)p壞，評(píng)定為三類水閘，急需采取合理的除險(xiǎn)加固措施進(jìn)行處理，以恢復(fù)其正常的蓄水灌溉、防洪排澇及生態(tài)環(huán)保等功能效益。

3 南營(yíng)閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，南營(yíng)閘工程建筑物等別為Ⅲ等，節(jié)制閘為3級(jí)建筑物。50 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)：流量955.60 m3/s；底寬118.00 m，水位22.08 m。

3.1 閘墩加固方案優(yōu)化比選

南營(yíng)閘安全復(fù)核計(jì)算表明：水閘行洪及排澇過(guò)流能力、二道消力坎消能防沖性能、閘基抗?jié)B穩(wěn)定、閘室抗滑穩(wěn)定和閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度等均滿足規(guī)范要求。但由于水閘服役時(shí)間較長(zhǎng)，加上日常維護(hù)措施欠落實(shí)，混凝土碳化、剝落，鋼筋銹蝕等損壞嚴(yán)重，存在較大安全隱患[4-5]。設(shè)計(jì)優(yōu)選原閘墩聚合物砂漿加固修復(fù)和拆除重建兩種除險(xiǎn)加固方案進(jìn)行比選，如表1所示。

表1 閘墩除險(xiǎn)加固方案

從表1可以看出，兩種閘墩加固處理方案均能排除水閘現(xiàn)有險(xiǎn)情，確保其功能正常穩(wěn)定發(fā)揮。閘墩拆除重建方案雖比原閘墩加固處理方案投資大，但在施工技術(shù)難度、施工質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行檢修和使用壽命等方面具有較大優(yōu)越性，故優(yōu)選閘墩拆除重建方案。

3.2 水閘構(gòu)建物布置

南營(yíng)閘改造包括閘室控制段和上下游連接段。按50 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，設(shè)計(jì)蓄水位20.52 m(對(duì)應(yīng)蓄水量770.00萬(wàn)m3)，最大蓄水位21.02 m(對(duì)應(yīng)蓄水量910.00萬(wàn)m3)，設(shè)計(jì)排澇流量618.00 m3/s(對(duì)應(yīng)水位20.63 m)，設(shè)計(jì)防洪流量955.60 m3/s(對(duì)應(yīng)水位22.08 m)。

3.2.1 閘室布置

除險(xiǎn)加固將底板以上閘墩、排架、機(jī)架橋拆除重建，共17孔，每孔凈寬6.00 m，多連孔中墩厚1.00 m，縫墩厚0.75 m，邊墩厚1.00 m，總寬125.50 m。底板為整體式底板，共分六聯(lián)，底板厚1.50 m，順?biāo)蜷L(zhǎng)13.00 m，底板頂高程為16.02 m，閘墩頂高程22.62 m。安裝6.00 m×5.00 m雙吊點(diǎn)平板鋼閘門，其上游設(shè)檢修工作門槽，配鋼結(jié)構(gòu)疊梁平板門；上游設(shè)凈寬1.00 m工作橋，中部相對(duì)閘門槽兩側(cè)設(shè)二根鋼筋混凝土排架柱；其頂設(shè)機(jī)架橋，上設(shè)啟閉機(jī)房，在排架柱上高程26.22 m處設(shè)檢修門吊車梁牛腿，兩側(cè)設(shè)橋頭堡；重建交通橋，橋?qū)挒?.50 m。

3.2.2 防滲排水布置

更換原水閘止水，在閘底板距離上游齒墻內(nèi)側(cè)20.00 cm處設(shè)高壓噴射帷幕灌漿，孔距1.50 m，孔深10.00 m，用于增加滲徑，提高滲透穩(wěn)定性[6]；在閘底板下設(shè)壓力灌漿，孔距2.00 m，孔深3.00 m，梅花狀布置，用以提高地基承載力，提高抗?jié)B穩(wěn)定性；反濾層及蓋板更換。

3.2.3 兩岸連接布置

為增加繞滲的滲徑，提高滲透穩(wěn)定性，在閘室上、下游兩岸分別設(shè)C25鋼筋混凝土翼墻，翼墻圓弧半徑10.00 m，斷面為扶臂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，翼墻頂高程為22.62 m，翼墻頂設(shè)安全護(hù)欄，墻后回填黏性土，閘室下游墻面設(shè)PVC排水管及反濾層。

3.2.4 上游連接段布置

閘室上游將原漿砌石鋪蓋更換為長(zhǎng)20.00 m厚50.00 cm鋼筋混凝土鋪蓋；將原三合土鋪蓋更換為長(zhǎng)10.00 m厚40.00 cm漿砌石鋪蓋；將原黏土護(hù)坡和三合土護(hù)坡更換為長(zhǎng)20.00 m厚30.00 cm 漿砌石護(hù)坡；將原漿砌石護(hù)坡更換為長(zhǎng)20.00 m 厚40.00 cm鋼筋混凝土護(hù)坡。

3.2.5 消能防沖布置

水閘采用底流式水躍消能，在下游布置16.00 m 鋼筋混凝土消力池，厚50.00 cm，二道坎型式,一級(jí)齒坎高1.00 m,二級(jí)齒坎高0.60 m；15.00 m漿砌石海漫，厚40.00 cm；8.00 m拋亂石防沖槽，倒梯形，槽深1.50 m，底寬6.00 m。經(jīng)多年運(yùn)行，護(hù)坦混凝土剝蝕、凍融破壞嚴(yán)重，海漫及防沖槽沖蝕嚴(yán)重。設(shè)計(jì)采用甲丙乳砂漿對(duì)護(hù)坦混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，維修海漫、防沖槽及下游漿砌石護(hù)坡。

4 水閘構(gòu)建物設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 行洪泄流能力分析

設(shè)計(jì)防洪流量955.60 m3/s，防洪水位22.08 m，閘孔總凈寬B0=102.00 m，相應(yīng)閘前水深h=22.08-16.02=6.06 m。當(dāng)上下游水位差Z=0.15 m時(shí)，水閘最大可過(guò)流量為1016.35 m3/s，大于50 a一遇設(shè)計(jì)防洪流量955.60 m3/s，行洪排澇安全可靠性高。

4.2 消能防沖計(jì)算

南營(yíng)閘屬于平原地區(qū)水閘，行洪排澇期間全部閘孔閘門敞開(kāi)，閘室上下游水位差很小，閘下游消能不是危險(xiǎn)情況。由于水閘孔數(shù)較多，要全部閘孔齊步開(kāi)啟，不易做到。部分閘孔開(kāi)啟是下游消能最危險(xiǎn)的工況，要控制開(kāi)啟速度和開(kāi)度(每次增加開(kāi)度不得超過(guò)0.50 m)，以求下游水位接近相應(yīng)流量。水閘消能防沖計(jì)算成果，如表2所示。

表2 水閘消能防沖計(jì)算成果 m

從表2可知，現(xiàn)狀消力池池長(zhǎng)、坎高及底板厚和海漫長(zhǎng)度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。防沖槽深度現(xiàn)狀值不滿足計(jì)算值要求，計(jì)算值明顯偏大。但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取防沖坑深度1.50～2.00 m，現(xiàn)狀1.50 m 槽深滿足實(shí)際需求，無(wú)需額外加厚。

4.3 閘室穩(wěn)定性分析

南營(yíng)閘為鋼筋混凝土開(kāi)敞式中型節(jié)制閘，閘室總寬125.50 m，設(shè)17孔6.00 m×5.00 m(寬×高)的平板鋼閘門。底板為鋼筋混凝土整體式底板，共分六聯(lián)。底板厚1.50 m，順?biāo)蜷L(zhǎng)13.00 m。多連孔中墩厚1.00 m，縫墩厚0.75 m，邊墩厚1.00 m，墩高6.60 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘室穩(wěn)定性分析計(jì)算工況為：①完建工況:無(wú)水；②校核工況:閘上游水位：21.02 m，閘下游無(wú)水16.02 m。③地震工況：正常擋水時(shí)期閘門全關(guān)，遭遇強(qiáng)震。穩(wěn)定性分析主要計(jì)算閘室地基承載力及抗滑穩(wěn)定系數(shù)，如表3和表4所示。

南營(yíng)閘為3級(jí)建筑物，其沿閘室底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值基本組合時(shí)為1.25，特殊組合時(shí)為1.10。從表3和表4可知，各工況條件下，閘室地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范允許值，閘室段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。校核工況及地震工況下，閘室邊聯(lián)地基承載力均不滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)采用壓力灌漿對(duì)底板進(jìn)行加固處理，并嚴(yán)格控制灌漿質(zhì)量，使地基承載力達(dá)到150.00 kPa，以改善底部受力，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

表3 順?biāo)飨蛑新?lián)計(jì)算成果

表4 順?biāo)飨蜻吢?lián)計(jì)算成果

5 結(jié) 語(yǔ)

南營(yíng)節(jié)制閘是徒駭河流域干流重要的蓄水灌溉和防洪排澇的中型水閘，由于近50年的超期服役，加上未經(jīng)系統(tǒng)病險(xiǎn)調(diào)查及修復(fù)處理，水閘存在上下游河槽淤積、上游止水及下游反濾設(shè)施失效、漿砌石護(hù)坡變形塌陷、閘基及閘室滲透失穩(wěn)、閘墩混凝土裂縫及碳化剝落、閘門銹蝕變形等病險(xiǎn)問(wèn)題，急需通過(guò)合理除險(xiǎn)加固改造以恢復(fù)水閘功能效益。結(jié)合水閘安全復(fù)核成果，綜合考慮病險(xiǎn)現(xiàn)狀、工程地質(zhì)條件和運(yùn)行管理需求，設(shè)計(jì)優(yōu)選原閘址閘墩拆除重建方案，能有效提高水閘防洪標(biāo)準(zhǔn)和行洪泄流能力，確保其具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。