息縣樞紐閘室設計研究

馮 帥 楊子江 歐 勇

（1.國家投資項目評審中心 北京 100037 2.中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

息縣樞紐是2019年開工建設的河南省大別山革命老區引淮供水灌溉工程三大主要建設內容之一，同時也是河南省大別山革命老區引淮供水灌溉工程的控制性工程。息縣樞紐位于淮河干流息縣水文站下游約6.7km 處，上游距出山店水庫壩址約130km，下游距省界王家壩約100km。 息縣樞紐具有城鎮供水、農業灌溉和改善生態環境等綜合功能，其中城鎮供水范圍為息縣、潢川兩縣縣城，灌溉范圍涉及息縣、淮濱兩縣沿淮35.7 萬畝灌區。息縣樞紐正常蓄水位39.2m，蓄水庫容1.2 億m3，興利庫容0.92億m3，多年平均供水量1.65 億m3，其中向城市供水1.03 億m3，灌溉供水0.62 億m3。

2 建筑物級別及設計標準

息縣樞紐位于淮河干流，設計洪水流量9300 m3/s，校核洪水流量15600m3/s。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，確定主要建筑物級別為1 級，次要建筑物級別為3 級；設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準200年一遇。

3 樞紐位置

息縣樞紐選址位于淮河息縣水文站下游約6.7km 處，此處河底寬240～420m，閘址上、下游河底高程25～29.5m，局部采砂坑底高程19.0m。閘址上游有河灘地，寬70.0～120.0m，地面高程31.5～35.0m，其他處無灘地。右岸一級階地地面高程36.5～41.0m，團山、伊山等低山丘陵區地面高程43.0～64.0m；左岸為沖洪積平原，地面高程37.5～41.0m。息縣樞紐布置在淮河主槽內，結合地形地質條件，選擇全深孔閘行洪方案。

4 閘室設計

4.1 閘檻高程比選

閘檻高程的確定應滿足蓄水、泄洪等功能，并結合上、下游河道高程和河道縱坡進行多方案比選。息縣樞紐閘檻高程比選方案如表1所示。3 個方案的過閘落差均為0.2m。

息縣樞紐節制閘下游河床土質為中粗砂，兩岸邊坡土質為輕粉質壤土、粉細砂及中粗砂，抗沖能力較差。本工程河床土層水力半徑為1m 時的抗沖流速取0.7m/s，設計水深情況下允許不沖流速計算結果為1.72m/s。從表1中可以看出，方案1 校核洪水下游河道流速1.78m/s 大于允許不沖流速，不滿足要求。故重點對方案2 和方案3 進行技術經濟比選。從土方填挖工程量、基礎處理和工程占地方面進行比較，方案2 均占優。經測算，方案2 可比投資54492 萬元小于方案3 可比投資57214 萬元。結合工程安全和技術經濟分析綜合比較，息縣樞紐閘檻高程推薦采用方案2，閘檻高程確定為29.0m。

4.2 閘孔孔徑比選

根據確定的閘檻高程，通過水力計算確定閘室總凈寬需383m。節制閘正常擋水高10.2m，結合淮河干流已建大型水閘運行情況，選取單孔凈寬10.0m×39 孔、15.0m×26 孔和20.0m×20 孔3 種不同孔徑方案進行比選，比選情況如表2所示。3 個方案的過流能力均滿足要求，方案3 超泄能力相對較大。就溫度控制和啟閉機房大梁施工難度兩項，均是方案1 占優，方案3 難度較大，方案2 介于兩者之間。從可比投資看，方案2 ＜方案1 ＜ 方案3。綜合比較分析，推薦采用方案2，即孔徑為15m。

4.3 閘室結構比選

息縣樞紐節制閘具有蓄水和泄洪功能，閘室宜采用開敞式，常用的閘室結構型式有整體式和分離式。閘室結構型式選擇整體式結構和分離式大小底板結構，結合不同的地基基礎處理方案進行綜合比選。

方案1：整體式結構。閘底板采用整體式結構，閘總凈寬390m，單孔凈寬15.0m，共26 孔，2 孔一聯，共13 聯。每聯在閘墩處分縫，中墩厚2.5m，邊墩及縫墩均厚1.8m，每塊底板垂直水流向寬36.1m，閘室總寬469.3m。邊墩與岸墻之間以永久縫分隔，使邊墩不受側向土壓力的作用。閘室上部布置有檢修橋、工作橋和公路橋，工作橋頂部布置啟閉機房，兩側岸墻頂部布置橋頭堡。閘室地基采用振沖擠密砂樁加固，樁徑1.0m，樁間距1.9m，平面上樁呈三角形布置，置換率25%。上游護底、鋪蓋和下游的消力池、海漫也采用擠密砂樁進行處理，樁徑1.0m，樁間距2.5m，三角形布置。閘室范圍樁頂換填2.0m厚水泥土褥墊層，兼顧防止基礎接觸沖刷。

表1 閘檻高程比選方案參數表

表2 閘孔孔徑比選情況表

方案2：分離式結構。閘底板采用分離式結構，大、小底板垂直水流方向寬度分別為8.5m 和9.0m，兩側岸墻兼作閘室邊墻。閘孔凈寬15m，墩厚2.5m。閘室總寬457.5m。分離式大底板基底應力大，擬采用灌注樁群樁基礎，灌注樁樁徑1.2m，樁間距3.0m，樁長15.0m。為防止大、小底板不均勻沉降，小底板基礎范圍也采用灌注樁群樁基礎，樁徑0.6m，樁間距3.0m，樁長12.0m。為防止混凝土底板接觸沖刷破壞，閘底板換填1.0m 厚水泥土。上游護底、鋪蓋和下游的消力池、海漫采用擠密砂樁進行處理，樁徑1.0m，樁間距2.5m，三角形布置。

方案1 結構整體性好，不易產生不均勻性沉降，地基處理措施簡單，工期較短，缺點是占地較多；方案2 占地較少，但易產生不均勻性沉降，結構整體性較差，樁基礎處理工藝較復雜，施工周期較長，不利于工程度汛。息縣樞紐閘門長期處于擋水狀態，且水頭較高，若遇緊急情況因不均勻沉降造成弧門無法開啟，將造成不可估量的損失。整體式閘室結構能更好地適應地基的沉降，即使縫墩兩側發生不均勻沉降，也不影響閘門啟閉。如采用分離式閘室結構，地基承載力要求較高，結構整體性較差，本閘單孔凈寬達15.0m，雖采用灌注樁進行處理，底板分縫間仍易產生不均勻沉降，影響閘門啟閉。綜合分析，息縣樞紐閘室采用方案1，閘室確定為整體式結構。

4.4 閘頂高程確定

節制閘正常蓄水位為39.20m，設計洪水位43.82m（50年一遇），校核洪水位45.05m（200年一遇），根據波浪計算成果及水閘安全超高取值，計算結果如表3所示。閘頂高程計算值為46.05m。根據《水閘設計規范》，工作橋、檢修橋和交通橋的梁底高程均應高出最高洪水位0.5m。息縣樞紐檢修橋梁高1.7m，為滿足梁底超高要求，綜合考慮，閘頂高程確定為47.30m。

4.5 結構尺寸擬定

表3 閘頂高程計算表

中墩和縫墩（邊墩）厚度根據門槽布置要求分別確定為2.5m 和1.8m；閘室順水流方向長度根據閘門及上部結構布置要求確定為31.00m；閘底板厚度根據結構計算確定為3.0m。

4.6 閘室結構布置

4.6.1 閘室

閘室每孔凈寬15.0m，共26 孔，總凈寬390.0m，總寬469.5m，閘底板頂高程29.0m。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結構，二孔一聯整體式底板，閘墩分縫，底板厚3.0m；閘室順水流方向長31.0m；閘墩頂高程47.3m，中墩厚2.5m，縫墩及邊墩厚1.8m。

4.6.2 閘門

節制閘工作閘門采用弧形鋼閘門，閘門布置于上游側，配QH-2×800kN-19m 固定卷揚式啟閉機。工作閘門上游側設置檢修閘門，配門機啟閉。

4.6.3 公路橋

公路橋布置在閘室下游側，采用預應力混凝土空心板結構。橋頂中心高程47.30m，橋面凈寬7.50m，兩邊設1.25m 寬的人行道和護欄，公路橋總寬10.0m。

4.6.4 工作橋

工作橋橋頂高程54.30m，其下通過排架與閘墩相連，上設啟閉機房，寬7.00m，房內布置26 臺啟閉機和相應的電氣設備。工作橋主梁為單跨簡支梁，采用現澆混凝土箱型結構，梁高1.80m。

4.6.5 檢修橋

檢修橋橋面高程47.30m，橋面總寬9.7m，采用鋼筋混凝土單跨簡支箱梁結構。

4.6.6 橋頭堡

閘室兩側的橋頭堡布置在岸墻上，為三層鋼筋混凝土框架結構，內設集中控制室。每側橋頭堡垂直水流向長16.00m，順水流向長10.00m，總建筑面積960m2。

5 結語

息縣樞紐是淮河干流上的1 級建筑物，設計時應結合樞紐選址地質地形條件，同時考慮施工難度，通過多方案技術經濟比選確定息縣樞紐閘檻高程、閘孔孔徑、閘室結構形式、閘頂高程、結構尺寸、閘室結構布置等重要設計內容。實施過程要加強管理，重視基礎處理，保證施工質量，從而保證工程建成后安全運行■