沭新退水閘閘室結構方案分析

岳彬彬，徐 瑋

（江蘇省淮沭新河管理處,江蘇 淮安 223001）

1 引言

水閘在長期使用過程中,可出現不同程度的破損,將對水閘效益的發揮產生不利影響。一般情況下,水閘承擔著防洪、灌溉等重要作用[1-3]。一旦水閘失效可能造成嚴重的社會、經濟問題,后果不可小覷。因此,針對病險水閘采取除險加固工程治理是十分重要的。合理選取閘址、閘室結構,可降低工程投資,利于后期運行期間的管護,具有十分重要的意義[4-6]。結合沭新退水閘拆建工程,對閘址方案比選以及閘室結構方案進行分析,可為類似病險水閘治理提供參考。

2 工程概況

沭新退水閘位于沭陽縣,設計流量為78.00 m3/s,該閘位涵洞式結構,采用砼反拱底板、砼半圓形拱頂、漿砌塊石側墻。退水閘共設置2 孔,單孔凈寬3.00 m、凈高4.60 m。在長期使用過程中,該退水閘損毀較為嚴重,經過安全鑒定,水閘需采取除險加固處理。結合當地情況,擬采用拆除重建的方式加以處理。

3 閘室方案分析

3.1 閘址方案比選

經實地查看,沭新退水閘拆建工程考慮移址新建和原址拆建兩種方案進行綜合比選。若采用移址新建退水閘閘址位于桑墟水電站下約100 m處,此方案將會產生諸多不利之處,首先工程投資較大、涉及到征地拆遷等問題；另外閘移址新建后,嚴重影響桑墟水電站的發電效率。所以本次沭新退水閘拆建工程不考慮移址新建的方案,只考慮在原址拆建,更便于今后工程管理。

3.2 閘室結構方案比選

結合現狀地形對初步擬定兩種方案進行比選：

方案一：采用平底板寬頂堰結構型式。采用單孔退水閘,凈寬8.0 m。閘底板面高程與原設計高程一致,均為2.00 m,設計閘室底板、邊墩厚1.20 m、0.90 m。閘門選用8.06 m×5.30 m平面鋼閘門,配套雙吊點卷揚式啟閉機。閘室結構布置圖見圖1。

圖1 方案一閘室平面布置圖

方案二：采用平底板寬頂堰結構型式,與原設計方案一致,采用兩孔,單孔凈寬4.00 m。閘底板面高程同原設計一致。水閘底板、中墩、邊墩厚0.70 m、1.00 m、0.80 m。閘門選用2 扇4 平面鋼閘門,配套2 臺單吊點直聯螺桿式啟閉機。閘室結構布置圖見圖2。

圖2 方案二閘室平面布置圖

方案一、二均可滿足退水閘的過流能力需求。且兩種方案投資基本一致,方案二略高于方案一。方案需要綜合考慮運行期管理、造價、施工便捷性,綜合考慮,選擇方案一作為推薦方案。

3.3 孔徑計算

沭新退水閘孔徑計算水位及流量組合見表1。

表1 沭新退水閘孔徑計算水位及流量組合表

沭新退水閘采用平底板寬頂堰的結構形式,按《水閘設計規范》附錄A閘孔總凈寬計算公式進行孔徑計算。計算公式如下：

式中：Q過閘流量（m3/s）；B0閘孔總凈寬（m）,B0=8.0 m；H0堰上水深（m）,H0=5.14 m；m堰流流量系數,采用m=0.385；ε堰流側收縮系數,ε=0.909；b0閘孔凈寬（m）,b0=8.0 m；bs上游河道一半水深處的寬度（m）,bs=33.4 m；σ堰流淹沒系數,σ=1.000；g重力加速度,采用9.81 m/s2。

根據上述公式,沭新退水閘孔徑計算成果見表2。

表2 沭新退水閘孔徑計算成果表

本次沭新退水閘拆建工程設計流量為92.70 m3/s,閘上設計排澇水位為7.10 m,閘下設計排澇水位為5.64 m。沭新退水閘原設計流量為78.00 m3/s,單寬流量q=13 m2/s；綜合下游消能設施及河道河床土質等因素,按設計排澇流量92.70 m3/s（單寬流量q=11.58 m2/s）、控制閘門開度不大于4.14 m來確定沭新退水閘孔徑為單孔凈寬8.00 m,共1 孔,實際過閘流量約為93.00 m3/s,滿足排澇標準為10 年一遇的設計要求。

3.4 防滲計算

根據沭新退水閘結構布置,閘底板順水流向長13.50 m,底板底面高程0.80 m。上游鋼筋砼不透水鋪蓋長12.00 m,鋪蓋末端下設高壓旋噴樁防滲墻,底高程為-3.00 m；下游消力池前半段22.77 m長為不透水鋪蓋,后半段6.00 m長的透水鋪蓋,下設反濾層。上游護坦和閘底板底面均處于第3 層中粉質壤土層上,下游消力池水平段底板面處于第4 層粉砂層上,閘實際防滲長度為56.95 m,防滲最不利水位組合為閘上7.50 m,閘下2.00 m,最大水頭差7.50 -2.00 =5.50 m,根據規范及綜合確定取滲徑系數為9,正向防滲L需=CΔH=5.50×9=49.50＜L實=56.95 m,防滲滿足要求。

4 閘室穩定性

沭新退水閘單孔凈寬8.0 m,共1 孔,底板順水流向長13.50 m,垂直水流向寬10.00 m。計算在完建期、運行期和地震期幾種工況荷載組合作用下其整體抗滑穩定安全系數、閘基應力是否滿足規范要求。

（1）荷載組合

基本組合：完建期：上、下游無水；

設計工況：閘上水位7.10 m,閘下水位2.50 m；

特殊組合：校核工況：閘上水位7.50 m,閘下水位2.00 m；

地震期：閘上水位7.10 m,閘下水位2.50 m,Ⅶ度地震。

（2）地質情況

根據地勘成果,底板位于粉質壤土層上,地基允許承載力[σ]=180 kPa。

（3）主要計算參數

①允許抗滑穩定安全系數[Kc]=1.250（基本組合）；[Kc]=1.10（特殊組合Ⅰ）；[Kc]=1.05（特殊組合Ⅱ）；

②底板和基礎間的摩擦系數f=0.35；

③材料（鋼筋混凝土）容重γ=25.00 kN/m3。

（4）計算簡圖

計算簡圖見圖3。

圖3 沭新退水閘閘身穩定計算簡圖

（5）荷載計算

荷載包括沭新退水閘各部分自重、閘室內水重、上下游靜水壓力、閘底揚壓力、波浪壓力、地震慣性力及地震動水壓力等。計算時對計算簡圖中底板中心點計算力矩。根據閘門位置分別計算門前、門后水重,并計算門前后靜水壓力。閘底揚壓力包括滲透壓力及浮托力,滲透壓力根據《水閘設計規范》（SL 265-2001）附錄C全截面直線分布法計算,浮托力由下游水位確定。僅考慮水平向地震效應,地震加速度為0.15 g。動水壓力：地震動水壓力合力作用在水面以下0.54Ho處,其代表值Fo按下式計算：

式中：αh設計加速度,取0.15 g；ζ地震效應折減系數,取0.25；Ho為水深；ρw為水體質量密度；。

（6）計算結果

①整體抗滑穩定

采用整體抗滑穩定安全系數公式計算：

式中：f摩擦系數；∑G全部豎向荷載,kN；∑H全部水平荷載,kN。

②閘基應力

采用《水閘設計規范》（SL 265-2001）推薦的公式計算閘基應力：

式中：A閘底面積,m2；W垂直水流方向形心軸的截面抵抗矩,m3；M垂直水流方向形心軸的力矩,kN·m。

沭新退水閘閘身計算成果見表3。

表3 沭新退水閘閘身穩定計算成果表

由表3 可知,沭新退水閘在完建期、運行期和地震期各種荷載組合作用下,閘身抗滑穩定安全系數均滿足規范要求,地基反力及地基反力不均勻系數均小于允許值。

5 結論

通過方案比選沭新退水閘選擇原址重建的平底板寬頂堰閘室結構（單孔）,具有投資低、不存在占地問題、運行管理方便等優勢。通過計算,退水閘采用單孔8.0m的孔徑可滿足過水需求,采取高壓旋噴樁防滲墻+防滲鋪蓋可保證水閘滿足防滲要求。經計算,各工況下退水閘的穩定性滿足要求。