石馬河馬灘水閘改擴建工程結構方案探究

周達杰

(東莞市運河治理中心，廣東 東莞 523000)

1 工程概況

馬灘水閘是原東深供水工程第二個攔河梯級，位于石馬河干流清溪鎮馬灘村，于1965年建成投入使用，后歷經3次改擴建，形成了現在的規模，水閘原設計正常蓄水位16.244 m，閘址見圖1。馬灘水閘主要建筑物自左至右依次為土壩(東深二期出水涵閘)、14孔泄洪閘、1孔溢流壩、東深三期出水涵閘及一期泵房。泄洪閘14孔，每孔寬6 m，堰頂高程為11.244 m；溢流壩堰頂高程為16.244 m，寬9.75 m。閘頂上設2 m寬人行橋和啟門設備平臺及構架，均為鋼筋砼結構，閘壩建于弱～微風化花崗巖基礎上。

圖1 馬灘水閘閘址圖

本工程設計標準、閘室穩定、基底最大最小應力比等基本滿足現行規程規范要求，但閘室結構強度及混凝土結構及耐久性、工作橋等方面都難以滿足使用要求。根據《水閘安全評價導則》(SL 214-2015)的有關規定[1]，需要對馬灘水閘進行除險加固處理，處理后的馬灘水閘即可以在初汛期蓄水，控泄流量，起到蓄污調節的作用，增加石馬河河口調污工程的引污能力，又可增加河道水量，輔以河道水生態系統構建及閘壩復氧等措施，有利于形成河道濕地生境，增加水體溶解氧濃度，提高污染物的降解能力，可改善水環境、水生態[2]。

2 石馬河馬灘水閘結構設計

2.1 堰頂高程及閘室底板高程

在進行堰型選擇時需要考慮的主要方面有排沙防淤、泄流能力和施工方便等。舊閘堰型型式為開敞式實用堰，堰頂高程11.244 m。

圖2 舊閘堰面曲線圖

《水閘設計規范》(SL 265-2016)條文說明第4.2.7條，“一般情況下，為了多泄(引)水，多沖砂，節制閘、泄洪閘、進水閘或沖砂閘閘檻高程宜與河(渠)底齊平”。以利于泄水沖沙和減小工程投資[3]。

若抬高閘底板高程，優點是可以降低閘室高度，缺點如下：

1)減小了水閘泄洪能力，需要增加閘孔寬度。

2)下游水墊深度減小，需增加消能防沖設施工程量。

3)容易引起閘上泥沙淤積。

若降低閘底板高程，帶來的不利影響如下：

1)基礎及兩岸邊坡開挖工程量增加，閘室及兩岸邊坡增加高度，對安全穩定不利。

2)為保證進出口水流平順及減小下游沖刷，需對水閘上下游附近河道進行開挖，改變現狀水下地形。

為提高河道蓄污調節能力，本階段新建閘段選擇閘底板高程8.944 m為推薦方案，相應選擇開敞式平底寬頂堰為推薦堰型。

表1 舊閘堰面曲線坐標表

2.2 閘孔數及水閘總凈寬

馬灘水閘舊閘由14個閘孔組成，單孔凈寬6 m，新建水閘沿用舊閘孔寬度。設計、校核工況下，水閘所有閘門全部打開，水閘過流能力按下式堰流公式進行計算：

(1)

式中：B0為閘孔總凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；g為重力加速度，可采用9.81，m/s2；m為堰流流量系數；ε為堰流側收縮系數；σ為堰流淹沒系數[4]。

馬灘水閘50 a一遇設計洪水流量為2625 m3/s，200 a一遇校核洪水流量3425 m3/s。石馬河現狀河床淤積嚴重，水閘上下游局部淤積高程達12.5 m；正在實施中的石馬河整治工程位于馬灘水閘位置上游河床清淤高程9.044 m；本次水閘過流能力計算上游河床高程取清淤高程8.944 m，下游河床結合堰面出口高程取8.744 m，計算結果見表2。

表2 水閘過流能力計算結果表

經計算確定當水閘閘孔大于等于19孔時，過閘水頭差可滿足《水閘設計規范》(SL 265-2016)中水閘的過閘水位差為0.1 m～0.3 m的要求[1]。若布置20孔(即擴建6孔)水閘，右岸將會產生較大的開挖量及高邊坡處理問題，從節約投資及現有右岸寬度兩方面考慮，本次改擴建工程水閘布置19孔(即擴建5孔)，單孔寬度6 m，過流總凈寬114 m。

2.3 泄水閘閘頂高程計算

本工程為Ⅱ等大(二)型工程，水閘級別為2級，根據《水閘設計規范》(SL 265-2016)[1]第4.2.4條規定，水閘閘頂高程應根據擋水和泄水兩種運用情況確定。

閘頂高程計算結果見表3。

從表3中計算結果可知：閘上校核洪水位(P=0.5%)加相應安全超高值的閘頂高程(泄水時)21.477 m為最不利工況。舊閘現閘頂高程為24.744 m大于所需閘頂高程21.477 m。因此，水閘按現閘頂高程進行擴建[5]。

表3 水閘閘頂高程計算表 單位：m

2.4 閘室穩定及基底應力計算

(1)計算斷面

取一塊新建閘段閘室分塊寬度15 m作為計算斷面進行穩定分析。計算斷面見圖3，計算段沿水流方向長13 m。

圖3 水閘整體穩定分析橫斷面圖(單位：高程，m；其余，mm)

(2)閘室穩定及基底應力計算

閘室的抗滑穩定計算公式：

(2)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數，采用0.5；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載[6]，含底板上的揚壓力，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

閘室抗浮穩定計算公式：

(3)

式中：∑V為作用在閘室上的全部向下的鉛直力之和，kN；∑V為作用在閘室基底面上的揚壓力，kN。

閘室基底應力計算公式：

(4)

式中：∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，含基底揚壓力，kN；A為閘室基底面積，采用的是分離式底板，閘室基底面積取墩基底面積；∑Mx、∑My為作用在閘室上的全部豎向荷載和水平荷載對基礎底面形心軸x、y的力矩；Wx、Wy為閘室基底對該底面形心軸x、y的截面矩。

作用在閘體上的荷載主要有：自重、水重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、淤沙壓力、風壓力、波浪壓力等，計算成果見表4。

表4 水閘穩定計算成果表

閘室建基面選擇在弱風化巖石上，弱風化巖石天然密度2.50 g/cm3，與砼摩擦系數0.65，承載力特征值的經驗值2000 kPa。

閘室建筑物級別為2級，根據《水閘設計規范》(SL 265-2016)的規定，巖基上沿閘室基底面抗滑穩定安全系數基本組合不應小于1.08[1]、特殊組合Ⅰ不應小于1.03；抗浮穩定安全系數基本組合不應小于1.10、特殊組合不應小于1.05；最大基底應力不大于地基允許承載力，且基底不出現拉應力[7]。

基底計算結果表明，閘室抗滑與抗浮安全系數均大于規范允許值，大基底應力不大于地基允許承載力且不出現拉應力，滿足要求。

2.5 右岸上下游連接段擋墻計算

根據安全鑒定結論，水閘現有左岸上、下游連接段擋墻整體抗滑穩定安全系數、抗傾穩定安全系數及基底應力均滿足要求，可不進行加固，需要對右岸進行穩定計算與基底應力計算。

右岸上、下游連接段靠閘室分別設置50 m長重力式擋墻，右岸重力式擋墻采用與左岸擋墻相同的形式與斷面尺寸，擋墻墻頂墻頂寬1 m，后坡比1∶0.6，墻頂高程19.004 m～23.744 m，墻身高度11.76 m～16.5 m，底寬9.056 m～11.9 m。

(1)計算參數選取及安全系數

作用在擋墻的荷載主要有：自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力等。擋墻基建面選擇在弱風化巖石上，強風化巖石天然密度2.50 g/cm3，與砼摩擦系數0.65，承載力特征值的經驗值2000 kPa。

擋墻建筑物級別為2級[8]，根據《水閘設計規范》[1](SL 265-2016)的規定，抗滑穩定安全系數基本組合不應小于1.08、特殊組合Ⅰ不應小于1.03；抗傾穩定安全系數基本組合不應小于1.50、特殊組合不應小于1.30；在硬質巖石地基上，最大基底應力不大于地基允許承載力。

(2)計算結果

利用理正巖土擋土墻設計計算軟件進行驗算，計算得出各種運用條件下的抗滑、抗傾穩定安全系數及基底壓應力值見表5。

表5 擋墻穩定計算與基底應力計算表

計算結果表明，擋墻抗滑穩定安全系數、抗傾穩定安全系數及基底應力均滿足要求[9]。

3 結語

在馬灘水閘的可研階段，確定了馬灘水閘的工程等別及標準為：工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(二)型，主要水工建筑物2級，設計洪水標準為50 a一遇，校核洪水標準為200 a一遇。經過精確計算后設計石馬河馬灘水閘結構施工方案能夠符合上述要求。