水閘除險加固設計方案研究

楊啟功

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510630）

0 引言

加固設計是在現有工程基礎上,采取綜合加固措施,提出建設性設計方案和處理措施,使工程恢復設計指標,達到經濟合理、安全可靠［1］。水閘經過長期運行,常出現過流能力下降、閘基不均勻沉降、防滲穩定性不足等現象,為保障取用水戶的用水效益和工程的安全運行,及時進行除險加固是經濟合理的手段。

1 工程概況

練江水閘工程位于練江干流,閘址以上集雨面積334.3 km2,為開敞式水閘,共設10 孔,總凈寬82.15 m,原設計過閘流量為420 m3/s,閘室總寬97.15 m,是一座以防洪排澇為主、發電為輔的中型水利樞紐工程。水閘縱剖面見圖1。

圖1 原水閘縱剖面圖

2 水閘設計指標復核

2.1 過流能力

水閘原10 年一遇設計（10%）：流量1118 m3/s,閘上水位5.314 m。20 年一遇校核（5%）：流量1420 m3/s,閘上水位6.914 m。閘底高程-0.44 m,閘墩頂高程6.114 m,橋頂高程8.094 m。經復核,閘前校核洪水位6.486 m高于現狀閘頂高程6.114 m,水閘過流能力不滿足要求。

2.2 閘頂高程

閘頂高程計算結果見表1。

表1 閘頂高程計算成果表

從表1計算結果可知,閘頂高程應為7.86 m,現狀閘頂高程6.11m,不滿足規范要求。

2.3 抗滲穩定性

抗滲復核工況為：上游水位為最高擋水位2.94 m,下游采用實測最低水位-1.06 m。根據工程實際情況,選取閘室段加下游漿砌石部分進行計算分析。按照規范推薦改進阻力系數法,可以求得底板平均坡降和出口處坡降：

J0=出口段水頭損失/出口段長度

J1=底板各段水頭損失/底板水平段長度

底板平均坡降和出口處坡降見表2。

表2 改進阻力系數法抗滲復核計算成果

根據工程地質勘察,堅硬粘土地基水平段允許滲流坡降0.40。計算結果表明,底板水平段坡降0.04,滿足要求；底板出口處坡降0.41,不滿足要求。

2.4 消能防沖復核

2.4.1計算工況

練江水閘現狀消能防沖措施采用消力池和海漫相結合。主河槽段閘室底板出口以1∶7坡度與護坦銜接。消力池長20.8 m,池底板厚度0.6 m,池底高程-1.857 m,消力坎頂高程-1.057 m。練江水閘上游正常蓄水位為2.94 m,當上游來水量大于發電流量時,開啟閘門泄洪。閘門開度按0.25 m、0.5 m、0.75 m…至全開控制,首次按2孔0.25 m開啟,然后分別按相應的開度逐扇開啟至1 孔,進行消能防沖復核計算,找出最不利的控制工況。計算方法見式（1）~（4）。

式中：d為消力池深度；σ0為水躍淹沒系數；h＇c為躍后水深；hc為收縮水深；ΔZ為出池落差；hs為出池河床水深。

計算結果見表3。

表3 水閘消力池計算成果表

2.4.2復核結果

（1）根據計算結果,工況2 水流銜接良好,基本上下游水深均大于躍后水深,不會產生遠驅式水躍,小流量時產生遠離水躍。在流量為19 m3/s時,消力池池深最大,為1 m,大于現狀池深0.8 m；在流量為618 m3/s時,消力池池長最大,為36.08 m,大于現狀池長20.8 m；在流量為429 m3/s時,海漫長度最大,長33.7 m,大于現狀海漫長5.5 m,均不滿足設計要求。

（2）現狀無防沖槽,不滿足防沖要求。水流出消力池后端單寬流量較大,采用的河床土質允許不沖流速V0=0.7 m/s,海漫末端河床計算沖刷深度dm=12.3 m。下游護岸已局部受沖破壞。

3 除險加固方案擬定

根據復核結果,水閘過流能力及閘頂高程、出口段滲流坡降、消力池長度和海漫長度均不滿足設計要求。針對存在的問題,除險加固設計擬定兩種方案。

3.1 方案一

舊水閘底板及閘墩采用“金包銀”型式。保留現水閘左側9 孔閘室底板及閘墩,拆除右側單孔閘及電站,新建2 孔新閘；重建上游鋪蓋及下游消能防沖設施、啟閉機室等,閘室上游側新建工作橋。

左側9 孔閘室利用現狀3 孔一聯型式。閘底板加厚0.4 m,高程-0.04 m,前段加寬0.5 m,總寬8.90 m,中墩和縫墩加長與閘底板同寬,中墩兩側各外包C30 鋼筋砼,厚0.45 m,總厚度2.2 m,縫墩及邊墩內側包C30 鋼筋砼厚0.45 m,總厚度1.75 m,孔口凈寬由8.7 m變為7.8 m；閘墩頂加高1.89 m,高程8.00 m。右側拆除現狀孔口凈寬3.95 m單孔閘及電站部分,新建2 孔新閘,新閘底板厚1.8 m,底板頂部高程-0.04 m,寬8.9 m,中墩厚2.5 m,邊墩厚1.5 m,閘頂高程8.00 m,凈寬7.8 m。加固后共11 孔,單孔凈寬7.8 m,閘室總寬度111.8 m,總凈寬85.8 m,長度8.9 m。閘墩上游側設工作橋,橋寬3.95 m,橋面高程8.00 m,與檢修平臺同高。工作橋設計荷載為公路Ⅱ級,采用預應力鋼筋混凝土空心板結構,空心板兩端分別簡支在各孔的閘墩上。拆除原閘室上部排架及啟閉機室,按新的要求新建排架及啟閉機室,啟閉機室地面高程16.36 m。工作閘門采用平板鋼閘門,閘門尺寸b×h=7.8 m×3.3 m,固定卷揚機啟閉,一門一機；檢修閘門位于工作閘門前,采用懸掛式移動啟閉機進行操作,共一扇閘門。閘室段在加長的縫墩前段新設垂直止水,閘室底板前段與上游鋪蓋之間、閘室底板后段與消力池斜坡段之間新設水平止水,止水材料采用1.5 mm厚紫銅片,現有底板部分利用原有的水平止水。閘室上游設C25 鋼筋砼水平防滲鋪蓋,長20.0 m,厚0.5 m。鋪蓋末端設厚0.6 m、深5.4 m的砼地下連續墻。消力池長38.0 m,其中斜坡段長19.2.0 m、水平段長18.8m,池深1.2 m,C25 鋼筋砼結構；海漫段長40.0 m,前段水平段長5.0 m,C25 鋼筋砼結構,后段長35.0 m,為C25 鋼筋砼框格、漿砌石結構,坡比1∶25,防沖槽長15 m,采用拋填塊石。

3.2 方案二

保留原水閘底板,拆除現有閘墩并新建,同時拆除右側單孔舊閘及電站,新建1 孔新閘；重建上游鋪蓋及下游消能防沖設施、啟閉機室等,閘室上游側新建管理用橋。現狀水閘左側9 孔為3 孔一聯,閘室長度8.4 m,每段寬度30.0 m。本次加固利用現有底板并加厚0.4 m、前段加長0.5 m,拆除現有閘墩后新建閘墩,為了增大過流斷面,采用2 孔一聯,邊墩或縫墩厚1.74 m,中墩厚2.5 m,長度8.9 m與底板相同,單孔凈寬12.0 m,閘室底板頂部高程-0.04 m,閘墩頂部高程8.16 m。右側拆除現狀孔口凈寬3.95 m單孔閘及電站部分,新建1 孔新閘,新閘底板厚1.8 m,底板頂部高程-0.04 m,凈寬12.0 m,邊墩厚2.0 m,縫墩厚1.74 m,閘墩頂部高程8.16 m。加固后,閘室共7 孔,單孔凈寬12.0 m,左側6 孔為2 孔一聯,右側一孔為單孔,閘室總寬度106.1 m,總凈寬84.0 m,長度8.9 m。閘墩上游側設工作橋,橋寬3.95 m,橋面高程8.16 m,與檢修平臺同高。工作橋設計荷載為公路Ⅱ級,采用預應力鋼筋混凝土空心板結構,空心板兩端分別簡支在各孔的閘墩上。拆除原閘室上部排架及啟閉機室,按新的要求新建排架及啟閉機室,啟閉機室地面高程16.36 m。工作閘門采用平板鋼閘門,閘門尺寸b×h=12.0 m×3.4 m,固定卷揚機啟閉,一門一機；檢修閘門位于工作閘門前,采用懸掛式移動啟閉機進行操作,共一扇閘門。閘室段在縫墩前段新設垂直止水,閘室底板前段與上游鋪蓋之間、閘室底板后段與消力池斜坡段之間及閘室底板段新建的閘墩底部新設水平止水,止水材料采用1.5 mm厚紫銅片,現有底板部分利用原有的水平止水。

閘室上游設C25 鋼筋砼水平防滲鋪蓋,長20.0 m,厚0.5 m。鋪蓋末端設厚0.6 m、深5.4 m的砼地下連續墻。消力池長38.0 m,其中斜坡段長19.2 m、水平段長18.8 m,池深1.2 m,C25 鋼筋砼結構；海漫段長40.0 m,前段水平段長5.0 m,C25鋼筋砼結構,后段長35.0 m,為C25 鋼筋砼框格、漿砌石結構,坡比1∶25,防沖槽長15 m,采用拋填塊石。

3.3 方案比較

由于方案一過流斷面凈寬85.8 m,方案二過流斷面凈寬84 m,兩方案過流斷面及過閘單寬流量、上下游水頭差非常接近,消能防沖設施基本一致,在方案比選時上游鋪蓋及下游消能防沖設施投資未參與比較。見表4。

表4 方案比較表

經綜合工程布置、水力條件、技術經濟各方面比選,推薦方案二為本次除險加固方案。

4 結語

除險加固設計方案應深入結合原工程,在保障后期運營期設計指標達到規劃要求的前提下爭取以最小的經濟成本獲取最佳經濟效益。因此設計方案要深入復核現狀工程概況,基于現狀病害提出適宜的加固方案,并通過施工工藝、工期及經濟指標比選,確定最優加固方案。