某中型河閘擴建中設計方案比選分析

王 斌

（新疆疆南水利勘測設計研究院有限責任公司,新疆 喀什 844000）

1 工程概況

某河閘規模為中型,是一座集防洪、排澇、擋潮、蓄水灌溉等為一體的綜合型水閘,河閘共14 孔凈寬88 m,中孔為單寬6 m,邊孔單寬為8m,閘底采用混凝土反拱式,閘身長14 m,閘頂高程5.0 m,底板高程-2.5 m,閘墩采用鋼筋混凝土結構。河閘建設較早,由于當時受技術、經濟等因素的影響和限制,原河閘在設計、施工不滿足規范要求,河閘帶病運行,近幾年運行發現河閘工程存在問題進一步加劇,特別是閘室底板縱向通縫進一步增多,結構存在重大安全隱患,閘門、啟閉機長期頻繁高負荷運行、部分電氣設備老化,給運行管理帶來很大的不便。本次安全鑒定后,需對老閘進行拆除,在原址下移約960 m位置新擴建節制閘1座,以滿足工程現狀需求。

2 布置方案比選

根據現狀河閘情況,從加固改造徹底性、工程布置合理性、實施難易程度、征地移民、投資估算、運行管理幾個方面綜合分析后,在原址位置下移約960 m位置新建河閘的設計方案,本章節從閘室孔數、閘室結構方面進行方案比選。

2.1 閘室孔數比選

河閘孔總凈寬130m,結合沿海擋潮閘的工程實踐,擬對其閘孔布置采用兩個方案進行比選［1］,比選如下：

（1）方案一：閘孔13孔（13 m×10 m）方案

該方案根據運行管理以及原現狀樞紐其他建筑物協調一致角度出發,擬定閘孔單孔凈寬10 m方案,采用2+3+3+3+2布孔方案,共13 孔,總凈寬130 m,順水流方向長度18m,閘底板面高程為-3.50 m,底高程為-5.1 m,閘頂高程6.5 m。因擋潮水位較高,為降低閘門高度,孔內設胸墻,胸墻底高程3.50 m,中墩厚1.5 m,縫墩厚1.2 m,閘室總寬度為152.2 m。方案一閘室結構圖見圖1。

優點為：①閘門及啟閉機均為常規設備,管理運行要求相對較低；②孔數較多運行可靠性較高；③土建結構相對簡單,投資省。缺點為結構比較單一。

（2）方案二：閘孔8 孔（8 m×16 m）方案

從旅游風景區角度出發,擬定閘孔單孔凈寬16 m方案,閘孔采用2+2+2+2布孔方案,共8 孔,總凈寬128 m,順水流方向長度18 m,閘底板面高程為-3.50 m,底高程為-7.00 m,閘頂高程6.5 m。因擋潮水位較高,為降低閘門高度,孔內設胸墻,胸墻底高程3.50 m,中墩厚1.8 m,中縫墩厚1.4 m,閘室總寬度為147.6 m,方案二閘室結構見圖2。

優點為：①閘孔孔數少,便于管理控制,可減少管理工程量；②單孔凈寬較大,整體外觀相對較好。缺點為：①單孔跨度較大,底板閘墩較厚,加大了砼溫控難度；②孔數少,運行調度靈活性較方案一差；③工程投資較方案一略大。

兩種閘室孔數比選見表 1。

表1 閘室孔數方案比選表

經比較分析,方案二門型尺寸較大,制作、安裝和運輸要求高,金屬結構費用相比方案一增加明顯,工程運行管理可靠性較低,同時靈活性較方案一差；初步投資估算,工程直接費用方案二大于方案一,故推薦采用方案一方案。

2.2 閘室結構比選

根據采用的控制閘門型式,擬定了兩種閘室結構布置方案,比選如下：

（1）方案一：采用平面定輪直升鋼閘門

閘室采用胸墻式結構,底板共分為五塊,其中兩塊二孔一聯,三塊三孔一聯,閘門采用平面定輪直升鋼閘門結構,配備QP-2×400 kN 卷揚式啟閉機啟閉。根據2.1可知,閘室底板順水流向長度18.0 m,垂直水流向寬度152.28 m。閘門偏下游側布置,上設啟閉機房,啟閉機房凈寬5.50 m,為整澆式梁板結構,緊靠下游側設工作便橋,總寬2.0 m,閘門上游設置檢修門槽,起吊方式為汽車吊,緊貼上游側布置交通橋,交通橋荷載等級為公路-Ⅱ級,為鋼筋砼整澆結構,總寬 7.0 m,閘身剖面見圖 1。

方案一優點為：①閘門可在工廠制作好,現場吊裝即可,安裝工期短,難度小；②閘門可吊出閘室檢修,維護相對方便；③工程投資省。缺點為排架高度相對略高。

（2）方案二：采用弧形鋼閘門

閘室采用胸墻式結構,底板共分為五塊,其中兩塊二孔一聯,三塊三孔一聯,閘門采用弧形鋼閘門結構,配備QH-2×250kN 弧門卷揚式啟閉機啟閉,閘室底板順水流向長度24.5 m,垂直水流向寬度152.28 m。其它布置形式同方案一,閘身剖面見圖 3。

方案二優點為：①弧形鋼閘門受力條件好；②排架高程較平面鋼門降低 1.50 m；③弧門因沒有門槽,過閘水流流態較好。缺點為：①弧形閘門需在閘室內現場拼裝, 閘門安裝工期相對較長,技術要求高,難度較大；②閘室底板長度比方案一增加 5.4 m,工程投資增加。

兩方案在技術上均可行,各有優缺點,考慮到工程管理方便,工程投資等方面,推薦采用方案一,即采用平面定輪直升鋼閘門方案。

3 建筑物設計

3.1 節制閘工程設計

閘室設計：河閘總凈寬130 m,閘室采用胸墻式整體結構,底板分為五聯,順水流長度18.0 m,垂直水流寬度三孔一聯為35.1/34.8 m,兩孔一聯為23.6 m,閘室總寬152.2 m。閘室布置參見第2章節閘室方案比選內容,不再贅述。

閘室上游設計：上游依次設16 m長砼鋪蓋,45 m長C30砼護底,在距末端護底3 m 處設整流坎一道,總長164 m,共分5 塊,坎頂、坎底寬度分別為為0.75 m、1.60 m,底板厚0.5 m,寬2.1 m,埋置深度為0.3 cm,同時正對每孔閘室中心線 5 m范圍開孔,開孔尺寸為5 m×1.0 m。

閘室下游設計：下游依次設25 m長消力池,后接15 m長護坦、45 m長C30 砼護底,15 m長拋石防沖槽,護坡護至防沖槽外30 m處,護底末端設φ60@65 防沖灌注樁,樁長10 m,樁后采用6 m長φ40高壓旋噴樁防滲、堵漏［2］。

根據模型試驗成果,擬將武障河與老河槽交匯處導水堤向西移40 m,導水堤與武障河河道中心線夾角為9°,堤頂高程為斜降式,高程為3.70 m~2.50 m,末端導堤直徑為3 m。考慮水流沖刷,對該段導水堤及臨近上游兩側100 m范圍漸變段河坡進行砼護砌,導水堤護砌平面見圖4。

3.2 橋梁工程

本方案擬新建橋梁兩座,根據《公路工程技術標準》（JTGB 01-2014）,擬建橋梁設計安全等級均為二級,采用的汽車荷載等級為公路-Ⅱ 級。根據整治后河道斷面,盡量減少橋前的壅水高度,并結合橋臺處接線道路邊坡穩定來確定各跨河橋梁總跨徑（總跨徑不含橋臺長度）,跨河橋梁設計參數見表2。

表2 跨河橋梁設計參數表

（1）橋梁結構設計

1）上部結構設計

1號橋主跨及邊跨均采用30 m跨的后張法預應力連續箱梁,梁長每跨30 m,梁高1.6 m,中梁頂板寬2.4 m,邊梁頂板寬2.55 m。預應力鋼筋采用高強低松弛鋼絞線,公稱直徑φs為15.2 mm,公稱面積為140.0 mm2,抗拉強度標準值fpk為1860 MPa,彈性模量Ep為1.95×105MPa,松弛率ρ為0.035,松弛系數 為0.3,預制箱梁和橋面現澆層采用 C50,30 m跨橋結構布置見圖5。

2 號橋主跨采用20 m跨先張法預應力空心板結構,預制梁長1996 cm,板高90 cm,中板寬99 cm,邊板寬99.5 cm,內挖方孔,預制板中距100 cm；邊跨采用 16 m先張法預應力空心板結構,預制板梁長1596 cm,板高80 cm,中板寬99.0 cm,邊板寬99.5 cm,內挖方孔,預制板中距100.0 cm。

預應力鋼筋采用低松弛高強度鋼絞線,公稱直徑φs為15.2 mm,公稱面積為140.0 mm2,抗拉強度標準值fpk為1860 MPa,彈性模量Ep為1.95×105MPa,松弛率ρ為0.035,松弛系數 為0.3,預制箱梁和橋面現澆層采用C50。20m跨橋結構布置見圖1。

圖1 橋梁結構布置圖

2）下部結構及基礎設計

①主跨橋墩

1號橋橋墩采用單排柱式橋墩, 灌注樁基礎,灌注樁直徑180 cm,樁之間設145 cm×120 cmC30 鋼筋混凝土矩形系梁,蓋梁和臺帽作為直接承受上部結構恒活荷載的載體結構,蓋梁高度1.70 m,蓋梁寬度為2 m,橋臺采用C30 鋼筋混凝土埋置式橋臺, 橋臺寬度取1.90 m。

2號橋橋墩采用單排柱式橋墩,直徑150 cm灌注樁基礎,樁之間設100 cm×120 cmC30 鋼筋混凝土矩形系梁,蓋梁和臺帽作為直接承受上部結構恒活荷載的載體結構,蓋梁高度為1.30 m,蓋梁寬度為2 m,橋臺寬度取1.9 m。

②灌注樁樁長計算

按《公路橋涵地基與基礎設計規范》中鉆（挖）孔灌注樁的容許承載力計算公式進行驗算,計算參數根據地質勘察報告取值,橋梁的樁基計算后結果見表3。

表3 橋梁灌注樁基礎樁長計算成果表

3.3 上下游引河拓浚及堤防填筑工程

（1）上下游引河拓浚工程

根據工程規模計算成果資料,河道上游河底寬僅需疏浚至80 m,河底高程為-3.00 m~- 3.50 m,下游引河河底寬需拓浚至130 m,河底高程為-3.50 m,在閘下游河坡高程1.60 m處設直立擋墻,擋墻高度為4.50 m~4.70 m,擋墻以下河道坡比為1∶4,北側老河槽寬32 m,槽底高程為-3.00 m~-3.50 m,河槽邊坡為1∶4,下游引河典型設計斷面圖見圖2。

圖2 河道下游引河典型斷面圖

河道上游引河疏浚長度為1360 m,下游引河拓浚長度為450 m,老河槽拓浚長度為 930 m,閘下河坡擋墻底板下擬采用樁長6 m,φ60@130 攪拌樁進行地基處理。

（2）堤防填筑工程

左堤堤頂高程5.70 m,右堤堤頂高程5.50 m,堤頂寬度6 m,迎水側坡比1∶2,背水側坡比1∶2。

4 結語

該河閘工程擴建后,將整體提高河閘的排澇標準以及區域的防洪標準,消除了工程安全隱患,保護了該區域人民的生命財產安全,工程于2020 年12 月竣工,現狀河閘運行良好,建議河道管理所在后期運行中加強河閘管理維護,定期對閘門等設備進行維護和保養。