漠陽江雙捷攔河閘重建工程設計方案研究

林顯兵

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

漠陽江雙捷水利樞紐位于廣東省陽江市江城區雙捷圩北約1km，漠陽江干流上。原工程于1958年11月開始興建，1960年3月建成，是一宗以灌溉引水為主，結合航運、發電等任務的大(2)型水利樞紐。該水利樞紐主要由攔河閘、船閘、東西總干渠道、電站等組成，其中：船閘和電站分別位于閘壩左右側，并以江中小島分隔；東總干渠道取水口位于閘壩左岸上游約330m處；西總干渠道與電站共用取水口，位于閘壩右岸上游約155m處。工程建成后，對當地的工農業生產發展與人民生活水平的提高，發揮了極其重要的作用。作為主體工程的攔河閘經過50多年的運行后，工程逐漸老化，安全隱患日益加劇，雖經幾次應急維修，卻沒能從根本上解決問題。依據《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管[2008]214號)以及《水閘安全鑒定規定》( SL214-98)等，攔河閘經鑒定為四類閘[1]。為保證防洪興利效益的正常發揮，亟需對攔河閘進行重建設計。

1 工程現狀問題

根據攔河閘安全鑒定的評價報告、現狀調查報告、工程地質資料、現場質量安全檢測報告和工程安全復核計算報告等資料，并結合現場檢查鑒定，目前攔河閘存在的主要隱患問題有：①攔河閘原設計防洪標準偏低，閘頂高程低于安全鑒定復核的設計洪水位，防洪安全不滿足規范要求；②閘基防滲長度不足，水閘抗滲穩定不滿足規范要求；③水閘混凝土標號偏低、碳化嚴重，表面破損、裂縫，鋼筋暴露、銹蝕，結構強度不滿足要求；④泄洪時過閘水位差偏大，泄洪運用不滿足規范要求；⑤水閘全部閘門沒有安全超高；⑥供電線路老化嚴重，閘門控制系統不滿足規范要求；⑦水閘安全監測設施不完備。綜合上述問題，對漠陽江雙捷攔河閘重建改造迫在眉睫。

2 工程基本條件

2.1 水文氣象條件

漠陽江位于粵西沿海，區域氣溫較高，多年平均相對濕度為86%。地區雨量分布不均，年際變化大，變幅由東部降雨高區向南部沿海和北部山區遞減。區域日照時間長，蒸發量大，且臺風活動極為頻繁，風力大小與臺風活動有關，風向一般為春冬季吹東北風，夏秋季吹東南風。

2.2 地質條件

據根地質勘察資料，閘址區地層有第四系人工堆積層(Q4s)、河流相沖積層(Qal)，下伏基巖主要由燕山三期(γ52(3))黑云母中粗粒花崗巖組成，局部殘留寒武系八村群(∈bc)片麻巖頂蓋和俘虜體。鉆孔揭露到的基巖地層主要為全風化帶，少量強風化帶和弱風化帶地層。閘基巖土層主要物理力學性質參數建議值見表1。

表1 閘基各巖土層主要物理力學參數建議值

3 工程重建設計

3.1 工程設計標準

攔河閘最大過閘流量>5000m3/s，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)及《水閘設計規范》(SL265-2016)，按攔河閘工程等級指標確定本工程等別為Ⅰ等大(1)型水閘工程[2-3]。由于工程正常蓄水位擋水水頭不高，建筑物級別按降低一級設計，相應主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。主要水工建筑物包括攔河閘、左岸連接段及跨船閘工作橋，次要永久性建筑物包括翼墻、下游消能防沖結構、右岸連接路堤、護岸等，臨時建筑物包括施工道路及圍堰等。工程設計洪水重現期為50a，校核洪水重現期為200a。本重建工程維持樞紐原有功能，相關設計標準不變。

3.2 閘址及閘軸線比選

原樞紐工程左岸布置船閘，右岸布置電站，中間布置攔河閘，各建筑物通過左右岸兩座小島連接。為保證樞紐工程其它建筑物的功能不受影響，方便運行管理，重建工程閘址選擇在原閘右岸連接小島電站灌溉進水口及電站尾水出口之間。

綜合現狀工程布置情況以及船閘及電站的用地限制，閘軸線僅適合布置在原閘軸線至上游約90m及下游140m的范圍內。閘軸線有三個布置方案可供比選：①上閘軸線方案，即在原閘軸線上游73m處布置閘線，閘線左右岸連接小島間河道寬度約415.5m；②中閘軸線方案，即在原閘軸線處布置閘線，閘線左右岸連接小島間河道寬度約418.8m；③下閘軸線方案，即在原閘軸線下游90m處布置閘線，閘線左右岸連接小島間河道寬度約424.3m。針對各閘軸線方案在地質條件、水流條件、施工條件、運行管理、征占地條件、工程量及投資等方面進行綜合比較，推薦中閘軸線方案作為閘軸線布置方案。

閘軸線確定后，樞紐總布置從左至右依次為：左岸連接段長度95.4m(與左岸防護堤及原村道相連)，左岸跨船閘工作橋總跨度14.6m，攔河閘總寬度413.06m，右岸連接道路長度100m(與原管護中心道路平順連接)。其中攔河閘自左向右布置有：節制沖砂閘閘壩段Ⅱ區(2孔節制沖砂閘)、泄洪閘閘壩段Ⅱ區(6孔泄洪閘)、節制閘閘壩段(12孔節制閘)、泄洪閘閘壩段Ⅰ區(6孔泄洪閘)、節制沖砂閘閘壩段Ⅰ區(2孔節制沖砂閘)。右岸小島在閘上下游設2座碼頭，右岸小島布置管理樓、柴油發電機房及變壓器、配電柜室、防汛物資倉庫等。

3.3 閘頂高程計算

攔河閘閘頂高程應根據擋水和泄水兩種運用情況計算確定。擋水時，閘頂高程不應低于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計算高度與相應安全超高值之和；泄水時，閘頂高程不應低于設計洪水位(或校核洪水位)與相應安全超高值之和。同時，還要考慮交通橋等梁底應高出最高洪水位0.5m以上，綜合考慮后閘頂高程取10.256m。

3.4 水閘泄流能力計算

水閘在滿足正常運行情況下應維持正常蓄水位為6.30m，當來流量大于灌溉供水、發電和生態流量時，需開閘泄洪。其調度原則是：①當上游來流量<124.70m3/s(設計灌溉流量23.20m3/s、設計發電流量101.50m3/s)時，關閉閘門，從上游渠道引水，優先滿足灌溉流量，再滿足發電流量；②當上游來流量>124.70m3/s，<2540m3/s時，通過閘門控泄，來多少泄多少，保持正常蓄水位6.3m運行；③上游來流量超過2540m3/s時，閘門全開敞泄，河道恢復天然狀態，水位升高，當水位回落至正常蓄水位時恢復控泄，保持正常蓄水位6.3m運行；④當枯水期來流量小于灌溉流量，上游水位低于正常蓄水位時，應動用攔河閘調節庫容優先滿足灌溉流量，停止發電。

根據水閘運行調度要求，當水閘宣泄洪水時閘門打開，全部來水由水閘下泄，此時過閘水流為堰流。水閘泄流能力根據《水閘設計規范》(SL265-2016)計算，公式如下：

(1)

式中：σ為堰流淹沒系數；ε為堰流側收縮系數；m為堰流流量系數，取0.385；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計入行近流速的堰上水頭，m；Q為過堰流量，m3/s。

以現狀的水位流量關系曲線作為閘下游水位的計算依據，在各種泄洪頻率下，水閘的泄流能力計算成果見表2。在相同頻率洪水下，重建攔河閘與原攔河閘泄流能力計算成果對比見表3。經分析知：在各種泄洪頻率下，上、下游水頭差均控制在0.3m內，水閘的泄流能力滿足規范要求。重建后攔河閘泄流能力較原閘大，重建閘上游水位均較原閘降低5-6cm。

表2 水閘泄流能力計算成果表

表3 同頻率洪水重建攔河閘與原攔河閘泄流能力對比表

3.5 閘室滲流穩定計算及防滲處理

根據地質勘察資料，攔河閘左岸基礎(樁號閘壩縱0+074.140-0+413.06)主要為含礫中粗砂層，右岸基礎(樁號閘壩縱0+000-0+074.140)為中細砂層，均為強透水或較強透水層，允許滲透坡降均為0.35。攔河閘閘室水平段及出口段均為含礫中粗砂層或中細砂層，則閘室水平段、出口段允許滲透坡降為[J]=0.35。

攔河閘閘室滲透穩定計算采用改進阻力系數法。選取節制閘地質斷面作為典型斷面進行計算，閘壩基礎為含礫中粗砂層，厚度約5.5m。計算工況為：上游正常蓄水位為6.30m，下游最低水位為-1.244m，上、下游水頭差為7.544m，防滲長度為28.9m。經計算知：水平段滲透坡降為0.184，出口段滲透坡降為0.426。因此，水平段滲透坡降滿足要求，但出口段滲透坡降大于允許值，需進行基礎防滲處理。

經方案技術、經濟比選，閘室基礎防滲處理采用垂直的柔性混凝土防滲墻，墻身厚0.6m，墻底深入全風化層以下1.0m，防滲墻平均深度約10.1m。防滲墻與閘壩中心線平行布置，布置范圍：自右岸閘壩縱0-020.00開始，穿過右岸施工縱向圍堰高噴防滲帷幕，再穿過左岸施工縱向圍堰高噴防滲帷幕和船閘閘室至左岸防護堤堤后，至閘壩縱0+523.06止。防滲墻中心線設置在閘壩橫0-013.650處，與上游齒槽相連接。經防滲處理后，最不利工況下計算求得底板水平段滲透坡降為0.065，出口段的滲透坡降為0.329，均小于允許滲透坡降值，可滿足滲透穩定要求。

3.6 閘室結構穩定計算

閘室采用兩孔一聯的整體結構，結構穩定根據《水閘設計規范》(SL265-2016)計算，主要包括整體抗滑穩定、基底應力計算等，計算公式如下：

抗滑穩定：

(2)

基底應力計算：

(3)

式中：Kc為沿閘室底面的抗滑穩定安全系數；f為閘基底面與地基間的摩擦系數；∑G為作用在閘室上的全部垂直荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平荷載，kN；Pmax/min為閘室基底應力的最大值或最小值，kPa；∑Ms、∑My分別為作用于閘室底板上全部荷載對計算截面形心軸X、Y的力矩之和，kN·m；Wx、Wy分別為計算截面對形心軸X、Y的截面矩；A為閘室基底面積，m2。

工況選擇、計算結果見表4。計算表明：閘室抗滑穩定滿足規范要求，基底應力值較小且分布比較均勻，閘基上下游應力均小于閘基允許承載力，無拉應力產生，閘室布置比較合理[4]。

表4 攔河閘閘室結構穩定計算成果表

3.7 地基加固處理

本工程在原水閘閘址基礎上拆除重建，原水閘已運行多年，基礎沉降已趨于穩定，基礎密實度相對較好，可采用天然基礎，故無需進行基礎加固處理。但右岸閘室基礎(樁號閘壩縱0+000-0+059.42)為中細砂層，該地層在地震時易產生砂土液化現象，不宜直接作為建筑物基礎持力層，需進行防砂土液化處理。根據類似工程經驗，基礎防砂土液化處理考慮采用基礎換填、水泥攪拌樁及振沖碎石樁三種基礎處理方案進行比較，各方案投資對比詳見表5。

表5 攔河閘基礎加固方案投資對比表

經對比分析可知，采用水泥攪拌樁的基礎處理方案具有投資少，施工簡易、方便的優點，因此，基礎處理推薦采用水泥攪拌樁方案，即將右岸節制沖砂閘閘室底板下游齒槽及左右兩側縫墩采用樁徑為0.5m、間距為0.4m的連體水泥攪拌樁對中細砂層進行圍封，樁底深入砂礫層1m；內部采用樁距為1.2×1.2m的水泥攪拌樁，樁底深入砂礫層1m。水泥攪拌樁平均長度5m，總長度約為1500m。

4 結 語

文章在系統梳理漠陽江雙捷攔河閘現狀問題的基礎上，結合工程實際，制定了科學合理的水閘重建設計方案，方案重點探討了閘址及閘軸線比選、水閘泄流能力計算、滲流穩定計算及防滲處理、閘室結構穩定計算和地基加固處理。該方案可保證水閘防洪興利效益的正常發揮，有助于優化工期，節省投資成本。本重建方案對于同類型的攔河閘除險加固工程具有一定的現實參考意義。