高堂水閘重建工程主要建筑物設(shè)計(jì)及分析

陳 湘

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

高堂水閘位于黃岡河流域中下游，地處廣東省饒平縣高堂鎮(zhèn)軍寨村，上距湯溪水庫(kù)大壩24.0 km、下距東溪水閘13.5 km。該工程始建于1965年，運(yùn)行至今已50多年，是一座以灌溉為主，兼顧供水功能的大(2)型水閘樞紐工程[1]。高堂水閘是湯溪水庫(kù)灌區(qū)的主體工程之一，工程設(shè)計(jì)灌溉面積0.28萬(wàn)hm2，目前實(shí)際灌溉面積達(dá)到0.34萬(wàn)hm2，且擔(dān)負(fù)著12萬(wàn)人的民用供水任務(wù)。水閘工程采用寬頂堰開(kāi)敞式蓄水型式，共設(shè)30孔，采用平板鋼閘門，每孔凈寬4.0 m，閘門高度3.5 m。閘墩為漿砌塊石結(jié)構(gòu)，其厚1.0 m、高5.0 m。原水閘工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為1324 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核過(guò)閘流量為2160 m3/s。工程建成后，對(duì)當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展與人民生活水平的提高，發(fā)揮了極其重要的作用。

由于該工程建設(shè)年代久遠(yuǎn)，受當(dāng)時(shí)資金及技術(shù)條件限制，原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，過(guò)流能力不滿足現(xiàn)行運(yùn)行要求，且主體結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重，安全隱患日益加劇。雖經(jīng)應(yīng)急加固，卻沒(méi)能從根本上解決問(wèn)題。依據(jù)《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管〔2008〕214號(hào))以及《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》( SL 214—2015)[2]等，高堂水閘經(jīng)安全鑒定為四類閘。為保證工程防洪興利效益的正常發(fā)揮，亟須對(duì)高堂水閘開(kāi)展重建設(shè)計(jì)工作。

1 工程現(xiàn)狀問(wèn)題

結(jié)合高堂水閘現(xiàn)狀調(diào)查、安全鑒定評(píng)價(jià)報(bào)告及審定意見(jiàn)，目前工程存在的主要隱患問(wèn)題有：(1)水閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，主體建筑物不滿足泄洪要求；(2)閘室基底應(yīng)力比不滿足規(guī)范要求；(3)場(chǎng)地局部飽和砂土第2層在遇7°地震時(shí)具有輕微～中等的液化趨勢(shì)，閘墩及底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均不滿足規(guī)范要求，水閘閘室不滿足抗震要求；(4)水閘上、下游擋土墻(翼墻)均不能滿足抗震及穩(wěn)定要求；(5)操作室的板、梁、柱，以及公路橋面板混凝土脫落嚴(yán)重、鋼筋裸露明顯，強(qiáng)度不能滿足要求；(6)閘門防銹漆脫落嚴(yán)重，鋼閘門銹蝕較為嚴(yán)重，閘門漏水嚴(yán)重；(7)閘門螺桿銹蝕、彎曲嚴(yán)重，正常啟閉存在重大隱患；(8)機(jī)電控制設(shè)備過(guò)于簡(jiǎn)陋；(9)工程缺乏必要的觀測(cè)設(shè)施，水閘的正常運(yùn)行和管理受到嚴(yán)重制約。綜合上述問(wèn)題，對(duì)水閘重建改造迫在眉睫。

2 工程建設(shè)條件

2.1 水文氣象條件

高堂水閘所在流域?yàn)辄S岡河流域(位于廣東省東部的饒平縣境內(nèi))，是饒平縣第一大河，由北向南橫貫縣境中部，獨(dú)立出海。黃岡河發(fā)源于饒平縣上善鎮(zhèn)大崠坪，自北向南流經(jīng)上善、上饒、饒洋、新豐、三饒、湯溪、浮山、浮濱、漳溪、高堂、聯(lián)饒鎮(zhèn)，至縣城黃岡鎮(zhèn)，并于黃岡鎮(zhèn)南端石龜頭獨(dú)流注入南海。黃岡河河長(zhǎng)87.2 km，流域總集雨面積1317.5 km2,河床平均比降1.44%。河道段劃分無(wú)嚴(yán)格界限，一般以湯溪水庫(kù)以上為上游，集雨面積667.0 km2，河長(zhǎng)44.00 km，河道平均比降3.01%；湯溪水庫(kù)壩址以下至高堂水閘為中游，集雨面積384.6 km2,河長(zhǎng) 23.25 km，河道平均比降0.50%；下游從高堂水閘閘址以下至石龜頭(出海口)，集雨面積265.9 km2,長(zhǎng)19.95 km,河道平均比降0.40%。黃岡河流域降雨主要集中在4—9月，占全年降雨量的81%，流域分布由西北向東南逐漸減少。多年平均降雨量為1503 mm，最大年降雨量2174 mm(1983年)，最小年降雨量944 mm(1977年)。

2.2 地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形地貌為低山丘陵、沖積階地及平原，呈階梯狀分布。北部為低山、丘陵區(qū)，地勢(shì)北高南低，山頂高程一般為50～200 m，南部屬黃岡河沖積平原，地面較平坦開(kāi)闊，地勢(shì)北高南低，總體由北向南輕微傾斜呈扇形展布，地面高程一般為5～20 m。工程場(chǎng)區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。場(chǎng)地土的類別為中軟～中硬土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，鉆孔揭露的閘址區(qū)地層巖性主要有：①層第四系人工填土層 (QS)；②層第四系沖積層(Qal)；基底主要為侏羅系下統(tǒng)金雞群(J1j)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和燕山三期花崗巖(Y5(2-3))。閘基巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值見(jiàn)表1。

表1 閘基巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值

3 工程重建設(shè)計(jì)

3.1 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

高堂水閘以灌溉為主，兼有供水功能，重建后不改變水閘的原有功能。水閘重建工程設(shè)計(jì)洪水流量為2430 m3/s，相應(yīng)上游設(shè)計(jì)洪水位為10.32 m,下游設(shè)計(jì)洪水位為10.2 m；校核洪水流量為3710 m3/s，相應(yīng)上游校核洪水位為11.64 m，下游校核洪水位為11.4 m。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)[3]及《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[4]，高堂水閘工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，永久性主要建筑物(攔河閘、節(jié)制閘、土堤連接段)為2級(jí)，永久性次要建筑物(翼墻、護(hù)坡)等為3級(jí)。高堂水閘原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，考慮到工程任務(wù)的重要性，重建工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)提升至50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)提至200 a一遇，消能防沖建筑物洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用50 a 一遇。

3.2 閘軸線比選及樞紐布置

水閘重建工程主要建筑物包括攔河閘、進(jìn)水閘、土壩連接段(預(yù)留遠(yuǎn)期船閘位置)、兩岸連接段等。根據(jù)對(duì)原閘址所處地形進(jìn)行綜合分析，新建閘軸線不宜離原閘軸線太遠(yuǎn)，擬定兩個(gè)閘軸線布置比選方案：(1)上閘軸線方案：新建閘線距原閘軸線上游約80 m，樞紐布置從左至右依次為左岸土壩連接段(長(zhǎng)約44.00 m)、攔河閘段(長(zhǎng)151.08 m)、中間土壩連接段(長(zhǎng)約215.24 m)、進(jìn)水閘(長(zhǎng)16.50 m)、右岸連接土壩(長(zhǎng)約16.30 m)。(2)下閘軸線方案：閘軸線在原軸線處布置，樞紐布置從左至右依次為左岸土壩連接段(長(zhǎng)約49.83 m)、攔河閘段(長(zhǎng)151.08 m)、中間土壩連接段(長(zhǎng)約246.38 m)、進(jìn)水閘(長(zhǎng)16.50 m)、右岸連接土壩(長(zhǎng)約32.11 m)。通過(guò)對(duì)上、下閘軸線方案在地形、地質(zhì)條件，工程布置及運(yùn)行管理，施工條件，征地拆遷，環(huán)境影響、工程量及投資等方面的綜合比較，下閘軸線方案更優(yōu)。同時(shí)，考慮到原有土壩及水閘已運(yùn)行多年，沉降基本穩(wěn)定，基礎(chǔ)密實(shí)度相對(duì)較好，可利用天然基礎(chǔ)而不必振沖密實(shí)，因此推薦下閘軸線為高堂水閘閘軸線，樞紐總體平面布置采用下閘軸線方案。

3.3 攔河閘設(shè)計(jì)

作為項(xiàng)目主體工程的攔河閘，其閘室總凈寬125 m,共設(shè)10孔，單孔凈寬12.5 m。閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)16 m, 底板厚2 m。水閘采用平板鋼閘門。在工作門槽上游側(cè)設(shè)一道檢修門槽，檢修門槽中心線與工作門槽中心線相距4.5 m。考慮水閘有抗震要求，閘室采用兩孔一聯(lián)整體式結(jié)構(gòu)，閘室檢修平臺(tái)與閘墩整體澆筑。水閘邊墩、中墩均厚2 m，縫墩厚3 m，總擋水寬度151.08 m。閘頂設(shè)置工作橋和永久交通橋，并與原交通道路、壩頂交通道路相接，形成一條貫穿整個(gè)樞紐的通行道路。交通橋橋面寬5 m，按Ⅱ級(jí)公路荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

攔河閘順?biāo)飨虿贾糜懈善鍪o(hù)底、混凝土鋪蓋、閘室、一級(jí)消力池、二級(jí)消力池、海漫、防沖槽等。閘室上游設(shè)長(zhǎng)15 m、厚0.5 m混凝土鋪蓋和長(zhǎng)30 m、厚0.5 m干砌石護(hù)底。閘下游消能防沖采用底流消能方式，設(shè)兩級(jí)消力池：一級(jí)消力池池深2.4 m，水平段池長(zhǎng)16.9 m；二級(jí)消力池池深1 m，水平段池長(zhǎng)25.3 m。一級(jí)消力池采用1.2 m厚鋼筋混凝土襯護(hù)，二級(jí)消力池采用1 m厚鋼筋混凝土襯護(hù)。在一級(jí)消力池和二級(jí)消力池內(nèi)各增加一排消力墩。海漫長(zhǎng)63 m，其中18 m水平段采用厚0.5 m鋼筋混凝土襯護(hù)，45 m斜坡段采用鋼筋混凝土框格固定漿砌石海漫，漿砌石厚0.5 m。混凝土海漫末端設(shè)0.5 m厚混凝土防沖墻，墻底入全風(fēng)化層2 m。漿砌石海漫末端設(shè)拋石防沖槽。

3.3.1 閘頂高程分析

攔河閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況計(jì)算確定[5]。選定閘頂高程時(shí)，亦應(yīng)考慮交通橋、工作橋梁底與校核洪水水面線控制點(diǎn)的凈空值不低于0.5 m，交通橋、工作橋主梁高為1.25 m。攔河閘閘頂高程計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，閘頂高程取13.5 m。

表2 攔河閘閘頂高程計(jì)算成果 m

3.3.2 水閘泄流能力分析

水閘的運(yùn)行調(diào)度原則為：(1)上游來(lái)水較小時(shí)，當(dāng)水位超過(guò)正常蓄水位，可逐步打開(kāi)一扇或幾扇閘門，控制上游水位為正常蓄水位，使下泄流量等于來(lái)流量；(2)隨著來(lái)水量增大，逐步打開(kāi)多扇閘門泄洪，直至所有閘門全部敞泄；(3)當(dāng)來(lái)水量減小時(shí)，逐步關(guān)閉一扇或多扇閘門，保持上游水位為正常蓄水位。結(jié)合水閘運(yùn)行調(diào)度要求，當(dāng)閘門全部打開(kāi)，水閘宣泄洪水時(shí)，此時(shí)過(guò)閘水流為堰流。水閘泄流能力根據(jù)規(guī)范SL 265—2016計(jì)算，見(jiàn)式(1)。各種泄洪頻率下，水閘的泄流能力計(jì)算成果見(jiàn)表3。結(jié)果表明：在各工況下，上、下游水頭差均小于0.3 m，水閘的泄流能力滿足規(guī)范要求。

表3 攔河閘泄流能力計(jì)算成果表

(1)

式中：σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)，取0.385；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計(jì)入行近流速的堰上水頭，m；Q為過(guò)堰流量，m3/s。

3.3.3 閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及基底應(yīng)力分析

攔河閘閘室采用兩孔一聯(lián)的鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)。地基為中粗砂和礫砂，根據(jù)地質(zhì)資料， 地基承載力特征值為200～250 kPa，閘基底面與地基間的摩擦系數(shù)建議值為f=0.4。閘室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定根據(jù)規(guī)范SL 265—2016計(jì)算，主要包括整體抗滑穩(wěn)定見(jiàn)式(2)、基底應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)式(3)：

(2)

(3)

式中：Kc為閘室基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘基底面與地基間的摩擦系數(shù)；∑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(yīng)力的最大值或最小值，kPa；∑Mx、∑My分別為作用于閘室底板上全部荷載對(duì)計(jì)算截面形心軸X、Y的力矩之和，kN·m；Wx、Wy分別為計(jì)算截面對(duì)形心軸X、Y的截面矩,kN·m；A為閘室基底面積，m2。

工況選擇、計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 閘室基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

計(jì)算表明：閘室抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值大于允許值，滿足導(dǎo)則SL 214-2015要求；基底應(yīng)力值較小且分布比較均勻，閘基上下游最大應(yīng)力均小于基礎(chǔ)允許承載力，無(wú)拉應(yīng)力產(chǎn)生，閘室布置較合理。

3.4 進(jìn)水閘設(shè)計(jì)

進(jìn)水閘處河道為粉質(zhì)黏土，按設(shè)計(jì)最大過(guò)閘流量30 m3/s、水深4 m考慮時(shí)流速為 0.70～0.85 m/s,小于土層允許的抗沖刷流速。進(jìn)水閘底板高程為4.8 m，基本與原渠底齊平。閘孔數(shù)為1孔，孔口凈寬12.5 m，底板、邊墩厚度均為2 m，擋水總寬度16.5 m，基本與原渠底寬度相同。閘室底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)為12 m，上、下游均設(shè)齒槽，槽底高程1.8 m。進(jìn)水閘僅設(shè)置一道工作閘門(露頂式平板鋼閘門)，由設(shè)在閘頂上的液壓機(jī)控制。閘頂上布置有交通橋、閘門啟閉支墩及液壓?jiǎn)⒈梅俊＝煌驑蛎鎸?m，按Ⅱ級(jí)公路荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。閘室上、下游各設(shè)15 m長(zhǎng)的混凝土鋪蓋。

3.5 土壩及兩岸連接段設(shè)計(jì)

攔河閘左岸布置土壩連接段，壩頂長(zhǎng)49.83 m，并與對(duì)外交通道路連接，攔河閘右側(cè)依次布置土壩、進(jìn)水閘，并與現(xiàn)有引水渠右岸道路連接，壩頂長(zhǎng)278.49 m。土壩連接段最大壩高3.5 m,采用均質(zhì)黏土填筑。迎水面坡比1∶2.5，并鋪C20預(yù)制混凝土六角塊(厚120 mm)，六角塊下設(shè)石粉墊層(厚100 mm)；背水面坡比1∶2.0，坡面采用草皮護(hù)坡，坡后設(shè)排水溝。壩頂路面采用泥結(jié)石路面(厚200 mm)，并以250 mm厚碎石作墊層。經(jīng)計(jì)算分析，壩體滲流穩(wěn)定、總沉降量均滿足規(guī)范要求。

3.6 基礎(chǔ)處理及防滲排水設(shè)計(jì)

水閘地基為中粗砂和礫砂，承載力較高。水閘建基面以上局部松散層為液化土，液化等級(jí)為輕微～中等，將其大部分挖除，余下的擬進(jìn)行基礎(chǔ)換填，即采用摻8%水泥砂石混合料分層碾壓處理。由于閘基粗砂、礫砂和砂卵礫石具強(qiáng)透水性，若僅采用水平防滲，難以滿足滲徑要求，無(wú)法解決透水地基產(chǎn)生的滲漏量過(guò)大的問(wèn)題，且水力比降過(guò)高容易導(dǎo)致細(xì)顆粒流失、滲透變形失穩(wěn)。因此，攔河水閘、土壩連接段地基防滲均采用混凝土防滲墻，形成一個(gè)閉合防滲整體。防滲墻軸線位于閘室上游齒槽端部，墻厚0.5 m，墻底入全風(fēng)化層2 m，平均深度約10 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

在系統(tǒng)梳理高堂水閘現(xiàn)狀問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際和場(chǎng)地建設(shè)條件，制定了科學(xué)合理的水閘重建設(shè)計(jì)方案，方案重點(diǎn)探討了閘軸線比選、主要建筑物(攔河閘、進(jìn)水閘、土壩及兩岸連接段)布置及設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)及防滲處理等。重建方案可保證水閘防洪興利效益的有效發(fā)揮，推動(dòng)當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，具有顯著的社會(huì)效益。本工程可為類似水閘工程的重建改造提供一定借鑒和參考。