肖江橫閘除險加固工程泄洪閘設計方案分析

熊 丹

(樟樹市水利工程服務中心,江西 宜春 331200)

1 工程概況

肖江橫閘地處樟樹市經樓鎮，位于贛江水系肖江支流山前河下游，距樟樹市城區1.8 km。閘址控制流域面積249 km2，水閘最大過閘流量309.4 m3/s，設計灌溉面積0.14萬hm2，是一座具排洪、灌溉、防洪等綜合效益的中型水閘工程。

肖江橫閘樞紐工程始建于1976年9月，1977年 12月建成受益，是一座橫跨山前河的涵閘。肖江橫閘由進口段、箱涵段、泄洪閘及消能防沖段組成[1]。

2 水閘存在的主要問題

根據樟樹市肖江橫閘《水閘安全鑒定報告書》，確認肖江橫閘為三類閘，屬病險水閘，存在主要問題如下：

(1)閘室抗滑穩定、抗傾及抗浮穩定、滲透穩定性滿足要求；閘墩、閘底板應力滿足要求。箱涵、啟閉框架、啟閉機房等混凝土蜂窩、麻面、露石、露筋、裂縫嚴重。出口邊墻抗滑穩定及抗傾穩定均滿足規范要求，但地基應力不滿足規范要求。

(2)現有消力池尺寸不滿足消能要求，底板厚度不滿足規范要求，海漫長度不滿足規范要求。

(3)鋼筋混凝土閘門混凝土老化、露筋、破損嚴重，埋件及吊耳銹蝕破損嚴重，止水失效；啟閉設施老化、銹蝕嚴重，螺桿彎曲，啟閉困難；供電設施老化、損壞嚴重[2]。

3 樞紐工程總體布置

肖江橫閘加固后由進口段、檢修閘、箱涵段、泄洪閘、消能防沖段組成。

進口段樁號：閘樁0-015.000～0+000.000段，總長15 m。兩岸邊墻為C20混凝土重力式擋土墻，底板采用厚0.4 m的C20混凝土，下設厚0.1 m的C10混凝土墊層。

檢修閘樁號：閘樁0+000.000～0+003.500。閘底高程21.20 m，閘墩頂高程27.70 m，共設置5孔，每孔凈寬2.6 m，總凈寬13.0 m；閘底板厚0.8 m，閘墩長3.5 m，邊墩厚0.97 m，中墩厚1.1 m，總寬度19.2 m。

加固后箱涵段樁號：閘樁0+003.500～0+032.500，總長29.0 m。閘樁0+003.500～0+029.000為現有混凝土箱涵段，總長25.5 m，共5孔，兩側孔每孔凈寬3.175 m，中間三孔每孔凈寬3.35 m，總凈寬16.40 m。對原泄洪閘上部加鋪C25混凝土頂板形成箱涵，原泄洪閘改造成箱涵后，閘樁0+029.000～0+032.500箱涵長3.5 m，共5孔，每孔凈寬3.0 m，總凈寬15.0 m。

泄洪閘樁號：閘樁0+032.50～0+040.500，總長8 m。泄洪閘采用箱閘式整體式結構，由箱涵與水閘組成。

消能防沖段樁號：閘樁0+040.500～0+85.100，其中閘樁0+040.500～0+055.100段為消力池，閘樁0+055.100～0+085.100段為M7.5漿砌石海漫。

4 泄洪閘設計

現狀泄洪閘為涵閘式整體結構，土堤加高培厚后，需重建泄洪閘；為增加泄洪閘的穩定性，使水閘出口水流平順，重建泄洪閘仍采用涵閘式整體結構。

4.1 泄洪閘結構布置

泄洪閘范圍為樁號閘樁0+032.50～0+040.500，總長8 m。泄洪閘采用箱閘式整體式結構，由箱涵與水閘組成，閘樁0+032.500～0+037.000段箱涵長4.5 m，共5孔，每孔凈寬3.0 m，總凈寬15.0 m，凈高5.0 m，底板厚0.8 m、頂板0.5 m、邊墻0.7 m、隔墻0.7 m，縱坡坡降i=0。水閘閘底高程21.20 m，閘墩頂高程28.70 m，共設置5孔，每孔凈寬2.6 m，總凈寬13 m；閘底板厚0.8 m，閘墩長3.5 m，邊墩厚0.97 m，中墩厚1.1 m，總寬度19.2 m；閘墩上布置框架立柱，框架柱斷面尺寸為0.4 m×0.4 m，高為6.0 m，啟閉平臺高程35.2 m，并設寬2.0 m的C25混凝土樓梯至箱涵段土堤堤頂；泄洪閘段下設厚0.7 m的C10混凝土基礎，泄洪閘與消力池底板、邊墻分縫采用瀝青杉板填縫，采用紫銅片止水。工作閘門為平板鋼閘門，啟閉設備為LQ-300 KN-SD螺桿式啟閉機，一門一機[3]。

4.2 泄洪閘過流能力分析計算

4.2.1 下游水位流量關系

(1)不受閘內洪水頂托(贛江、肖江處于中低水位)。肖江橫閘下游斷面水位與下泄流量關系曲線計算結果見表1。

表1 肖江橫閘下游斷面水位流量關系曲線(不考慮頂托)

查肖江橫閘下游斷面水位流量關系曲線，當肖江橫閘遇50 a一遇(P=2%)洪水時，洪峰流量為571 m3/s，水閘過閘流量為309.4 m3/s，閘址閘外相應洪水位為27.697 m；當肖江橫閘遇20 a一遇(P=5%)洪水時，洪峰流量為428.0 m3/s，水閘過閘流量為264.3 m3/s，閘址閘外相應洪水位為27.17 m。

(2)受下游洪水頂托(贛江、肖江處于高水位)。肖江橫閘高水位往往是受閘外洪水頂托導致，肖江橫閘閘址下游不同頻率設計洪水位見表2。

表2 肖江橫閘下游不同頻率設計洪水位成果(考慮頂托)

考慮肖江橫閘受下游洪水頂托，當遇P=2%洪水時，肖江橫閘下游設計洪水位為32.497 m；當遇P=5%洪水時，肖江橫閘外下游設計洪水位為31.72 m。

4.2.2 水閘泄流能力計算

水閘泄流能力復核計算工況為按洪水期閘門全開，加固后肖江橫閘泄流計算成果見表3。

表3 肖江橫閘加固后閘址水位～流量關系

當考慮下游洪水頂托、肖江橫閘關閉時，閘內沒有排水設施，洪水全部存蓄于肖江橫閘內。

經調洪演算，各頻率水位見表4。

表4 肖江橫閘閘址加固后特征水位成果 m

4.3 泄洪閘穩定計算

肖江橫閘為3級建筑物，壤土層地基允許承載力為[R]=160 kPa。

計算工況：關閘擋水灌溉，閘內水位為正常灌溉水位24.00 m，閘外無水(21.2 m)。閘內為設計洪水位27.60 m，相應閘外水位27.17 m。閘內為校核洪水位28.10 m，相應閘外水位27.697 m。

閘壩穩定及應力計算成果如表5，由表中計算結果可知，閘底板抗滑穩定和基底應力均滿足規范要求。

4.4 箱涵結構計算板

根據箱涵頂部填土厚度及運行條件，考慮四種不同荷載組合情況：

(1)正常運用期：正常高水位+最大填土厚度情況，此時涵管所受的荷載有：自重、水壓力、土壓力，ψ=1.00。

表5 泄洪閘穩定及基底應力計算成果

(2)設計洪水+最大填土厚度情況，此時涵管所受的荷載有：自重，水壓力，土壓力，ψ=0.95。

(3)校核洪水+最大填土厚度情況，此時涵管所受的荷載有：自重，水壓力，土壓力，ψ=0.85。

(4)檢修期情況，正常高水位+最大填土厚度情況，此時涵管所受的荷載為：自重、土壓力，外水壓力，ψ=1.00。

箱涵荷載復核結果見表6。

表6 箱涵荷載計算結果 kN

管壁內力按結構力學方法計算，對于彎矩M，以管壁內側受拉為正，反之為負，對于軸為N，以壓力為正，拉力為負；計算斷面取管頂、管側、管底三個典型斷面。

涵管在各種荷載作用下的管壁內力計算成果見表7。

表7 箱涵管壁內力計算結果

上述四種荷載組合的內力合力見表8。

表8 箱涵管壁強度計算成果

涵管抗裂復核按偏心受拉、受壓構件計算，箱涵抗裂計算結果見表9。

表9 箱涵正截面抗裂驗算成果

從表9可看出，箱涵在以上荷載組合作用下，結構構件管頂、管側及管底部位均滿足強度和抗裂要求[4-5]。

5 結 語

肖江橫閘樞紐工程運行多年，存在混凝土老化、止水失效、啟閉設施啟閉困難等諸多問題，嚴重影響工程安全運行，經過本次除險加固，可確保工程安全運行、發揮正常功能。本文主要就其泄洪閘的設計方案進行了詳細的分析研究，為今后類似水閘工程設計提供參考。