贛東大堤江津自排閘設計綜述

胡 亮，王建明

(東莞市水利勘測設計院有限公司江西贛南分公司，南昌 330000)

1 工程概況

贛東大堤位于贛江下游右岸，上起新干縣，止于南昌市區新洲閘，贛東大堤樟樹市段保護著樟樹市的防洪安全， 西城區防洪治澇區位于龍溪河大和溪下游贛東大堤和晏公堤之間，基本為兩河所環繞，僅西南側為丘陵崗地。該區域規劃為樟樹市城區未來的行政文化中心，是城市副中心之一。規劃面積比其它兩區要小，但所處地位十分重要，亦是重要的防洪治澇保護對象[1]。

江津自排閘屬西城區防洪治澇區，現狀為贛東大堤的穿堤涵閘工程，擔負著圩內排澇任務。

2 江津自排閘存在問題

江津自排閘擔負著圩內排澇任務，修建于20世紀70年代，由于自排閘年久失修，閘門結構破損，止水失效漏水嚴重，無法正常擋外河洪水，導致汛期洪水倒灌；自排閘啟閉設備陳舊，螺桿變形，螺牙變異，閘門無法正常開啟排澇，導致圩內受淹；穿堤涵結構破損、下游消能設施不完善、嚴重影響圩堤結構安全。

3 工程布置

江津自排閘：水閘設有水平鋪蓋段、檢修閘段、涵洞段、排澇閘段、消力池段、海漫段及拋石防沖段。閘體全長73m，閘室寬2.5m。閘室上設檢修工作橋、排架、啟閉平臺及啟閉機室。

上游鋪蓋為0.4m厚C25鋼筋混凝土，下設10cm厚C15素混凝土墊層，鋪蓋頂高程25.92m，鋪蓋長6.00m，前端抗滑齒墻深0.8m，末端齒墻深度為0.8m。

涵洞出口水閘為無坎式平底寬頂堰，水閘底板頂高程25.92m，共設1孔，孔凈寬2.5m，無中墩，邊墩寬0.70m。閘底板順水流方向長9.00m，底板頂高程25.92m。底板為0.80cm厚C25鋼筋混凝土，下游設有抗滑齒墻，深1.2m，底板下設0.1m厚C15混凝土墊層。閘墩頂高程為29.62m。墩頂設置排架、啟閉機操作室和啟閉機室交通橋。啟閉平臺為墻柱式框架結構，平臺寬2.5m，頂高程為39.04m，交通橋寬2.0m，橋頂高程為35.54m。

閘下游設鋼筋混凝土消力池。消力池斜坡段長2.00m，坡比1∶4.0，水平段長5.50m，底板頂高程25.42m，為0.6m厚C25鋼筋混凝土結構，底板下設0.1m厚C15混凝土墊層，底寬由2.5m漸變至5.90m。

海漫段采用干砌石，長8.0m，底寬12.50m，厚0.4m 下部鋪設0.15m厚砂礫石墊層和300g/m2土工布。

拋石防沖段為拋石，長2.00m，底寬5.90m，拋石深度1.50m，上游側直立，與消力池齒墻相接，下游及左、右側坡比為1∶1.5。

上游鋪蓋與原渠道連接處采用C20重力式擋土墻，擋土墻墻頂寬0.5m，墻頂墻頂高程27.72m，擋土墻迎水側垂直布置。

圖1 江津自排閘平、剖面圖

4 水力設計

4.1 涵洞過流能力計算

4.1.1 流態的判別：

根據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》(SL482-2011)中涵洞水流流態判別：

1)H≤1.2D：當h

2)1.2D

3)H>1.5D：當h

其中：H為進口水深，m；h為出口水深，m；D為洞高，m。

流態判別計算結果見表1。

表1 流態判別計算成果表

4.1.2 過流能力計算：

過流能力按照無壓流涵洞計算，自排閘設計過流能力復核計算成果見表2。

表2 自排閘過流能力復核計算成果表 m3/s

計算結果表明，涵洞最大過流能力設計排澇流量，本工程為除險加固工程，綜合考慮現狀渠道和原閘門的規模，涵洞尺寸選擇是合理的[2]。

4.2 水閘調度運行方式

自排閘主要功能為排出堤內澇水，僅在堤內有排澇需求且堤內水位高于外河水位時閘門開啟，其余時間閘門關閉。

4.3 消能防沖設計

1)消能形式：江津自排閘建基在黏土地基，河床及岸坡抗沖能力較低，且承受水頭不高，閘下躍前水流佛勞德數較低，宜采用底流式水躍消能，自排閘消能形式選用底流式消能。

2)工況確定：水閘僅在排澇時過流，下消能防沖的設計標準與該水閘排澇流量標準一致，并應考慮排澇量小于設計排澇標準的流量時可能出現的不利情況。

在設計排澇工況下，上下游水頭差最大僅為0.1-0.3m，且下游水深較大，水閘出口水躍為淹沒水躍，無需設置消力設施；因此，各自排閘消能工況應考慮外河水位較低時，自排閘自由出流可能出現的不利情況[3]。

根據自排閘運行方式，閘門上游正常過流，下游無水時水頭差最大，采用此工況對水閘進行消能防沖計算。

3)消能計算成果，見表3。

表3 自排閘消能計算成果表

從表3可以看出，沖刷深度計算值較大，參考《水閘設計規范》(SL265-2016)條文說明5.0.12，按此河床沖刷計算深度設計下游防沖槽，不僅太不經濟，而且施工也很困難，按一般深度為1.5m-2.5m，河流沖刷深度不超過0.5m，防沖槽設計深度取1.5m。

5 防滲排水設計

5.1 鋪蓋長度

參考《水閘設計規范》(SL265-2016)，鋪蓋長度一般按照水閘上下游最大水位差的3-5倍，鋪蓋長度計算值見表4。

表4 鋪蓋長度計算成果表

5.2 抗滲穩定計算

根據防滲按照勃萊法初估閘基所需防滲長度。

自排閘最大水頭工況為外河側設計洪水位與堤內最低排澇水位組合。

計算公式如下：

L=CΔH

(1)

式中：L為堤基所需防滲長度，m；C為滲徑系數，黏土取4(無濾層)；ΔH為上下游水位差，m。

表5 滲流穩定計算工況表 m

5.3 導滲

為進一步加強下游出逸點滲透安全，在消力池海漫下設置反濾土工布，加強出逸點反濾，防止土料發生滲透變形。

6 結構設計

根據閘室布置取整體閘段進行穩定及應力分析計算。

6.1 閘室結構計算

自排閘采用黏土地基，驗算沿閘室底板底面的抗滑穩定性。

1)荷載及組合：

荷載組合及見工況組合表6。

表6 荷載組合表

2)穩定及應力計算：

抗滑穩定按下式計算：

Kc=f∑G/∑H

(2)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；f為閘室基底面與基礎摩擦系數；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

閘室基底應力按下式計算：

P(max，min)=G/A±∑M/W

(3)

式中：P(max，min)為閘室基底應力的最大值或最小值，kN/m2；A為閘室基底面的面積，m2；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m。

各自排閘閘室穩定及應力成果表見表7。

表7 閘室穩定及應力成果表

閘室基底最大最小應力比值允許值按照松軟土質考慮，即基本組合取1.5，特殊組合取2.0。閘室基底面與基礎摩擦系數，對應粉細砂取0.38，粉質黏土去0.28。

計算結果表明：閘室的抗滑穩定、閘底板基底應力不均勻系數小于規范允許值，基底應力小于地基容許承載力，滿足規范要求。

6.2 邊墻

各自排閘邊墻均為重力式擋土墻，結構計算斷面選取典型最大斷面進行結構計算，計算程度取單位長度。

1)荷載及組合：

根據《水閘設計規范》SL265-2016，邊墻荷載組合及工況組合與閘室相同。

2)穩定及應力計算：

抗滑穩定、基底應力及計算參數均與閘室穩定計算相同。

表8 邊墻穩定及應力成果表

備注：工況A(完建情況)；B(正常擋水位)；C(正常擋水位驟降)

閘室基底最大最小應力比值允許值按照松軟土質考慮，即基本組合取1.5，特殊組合取2.0。閘室基底面與基礎摩擦系數，對應黏土取0.28。

計算結果表明：邊墻的抗滑穩定、基底應力不均勻系數小于規范允許值，基底應力小于地基容許承載力。

7 結 語

江津自排閘始建于20世紀70年代，至今運行40余年，由于其存在諸多險情，現已報廢，本次原址拆除重建后，重新擔負起圩內排澇任務，在圩堤內有排澇需求且堤內水位高于外河水位時即可開啟自排閘閘門，排除圩內澇水，同時，結合圩區內新建及改建的機幾座電排站，在外河水位高于堤內水位時，關閉自排閘防洪閘門，開啟電排站抽排澇水，為整個圩區的防洪排澇安全提供保障。