皂角水閘加固工程結構設計

萬勇

（韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 韶關 512026）

1 工程概述

水閘位于湖南省湘鄉市月山鎮金山村，是湘江二級支流石獅江西干流上的一處中型Ⅲ等水閘。水閘距月山鎮2.70 km，距湘鄉市政府34 km。皂角水閘加固全長184.50 m，其中上游防沖槽以上河道護砌31.60 m，防沖槽長3.40 m，上游鋪蓋長15 m，閘室段長6 m，消力池斜坡段長13 m，水平段長15.50 m，海漫段直墻段長10 m，漸變段長15 m，交通橋寬4 m，交通橋下游河道護砌71 m。閘址下游水位流量關系曲線見圖1。

圖1 閘址下游水位流量關系曲線圖

2 皂角水閘加固工程結構設計與處理

2.1 建筑物加固設計與處理

2.1.1 泄洪閘設計

根據皂角水閘安全評價及水閘實際運行情況，皂角水閘泄流能力滿足要求，但下游左右兩側岸墻高度小于下游低最低高程92.10 m，不滿足要求。根據地勘鉆孔資料，基礎坐落于強風化花崗巖上，存在滲漏通道，且上游無漸變擋墻，下游無消能防沖措施，下游擋墻基礎因沖刷掏空，出現沉陷斷裂，基礎懸空。因此，此次皂角水閘除險加固設計的原則是保證水閘泄流能力的前提下，提高閘室自身的抗滑穩定安全性能。此次水閘加大泄流措施方案主要設計原則是：水閘壩址總寬度所占河床部分寬度基本不變，維持現狀正常蓄水位高程，新建消力池和消力池斜坡段，以及海漫段，改善水閘過水消能。

2.1.2 除險加固方案具體設計與處理

根據水閘實際運行情況及現有河床地形、地質條件，綜合安全鑒定階段結論，及前述相關方案技術經濟比較，此次對該水閘的除險加固方案初步擬定如下：①上游河床新建漿砌石鋪蓋，兩側岸墻新建漿砌石擋墻護岸。②拆除原閘室砌體，鑿除原閘室基礎漿砌塊石，采用C15 混凝土回填，澆筑C25 鋼筋混凝土閘室。③拆除原閘體閘門，安裝提升式鋼閘門，于閘體中間新建沖砂閘，新建閘室啟閉房。④對下游河床沖刷坑采用C15混凝土回填，新建水閘斜坡段。⑤對壩基礎進行帷幕灌漿處理。⑥上下游翼墻拆除重建，對河岸側墻進行加高，岸墻采用漿砌石護岸。⑦新建工作橋，凈寬1.60 m，下游交通橋橋墩基礎加固。⑧重建原灌溉涵，新建1#、2#灌溉涵及配套閘門。⑨新建水閘觀測設施。

2.1.3 防滲設計與處理

根據此次鉆孔揭露和前期的施工資料，閘基巖屬于二長花崗巖，厚度保持在3～6 m，巖體容易發生破碎現象；下部為弱風化，鉆孔揭露的最大深度為6.40 m。根據施工記錄，閘基未進行過防滲帷幕灌漿處理。通過鉆孔資料，閘基強風化巖體巖芯獲得率為60%左右，RQD一般30%～40%，弱風化巖體巖芯獲得率為80%～90%，RQD一般60%～70%；根據壓水試驗，基巖面以下0～7 m透水率為10.90 Lu。

為解決閘基上部基巖巖石較破碎，節理裂隙發育，為中等透水帶，及水閘修建過程中基礎漿砌石水泥漿含量低，砌石不密實，存在嚴重的滲漏等問題，此次設計擬定對閘基進行帷幕灌漿處理+刺墻。

防滲帷幕設計。綜合考慮閘底防滲排水及側墻繞滲。邊閘墩兩側設置5 m長刺墻伸入兩側河堤內部，既能對水閘的穩定有利，又能夠對繞滲有一定的作用。刺墻頂寬0.50 m，斜面坡比為1∶0.1。采用現澆C20混凝土，與基礎帷幕搭接，防滲帷幕采用一排，孔距為2 m。

2.2 除險加固后水閘水力復核計算

2.2.1 水閘過流能力復核

根據水文章節計算成果，在設計時，皂角水閘的洪峰流量（P=5%）、閘前水位分別為304.04 m3/s、92.91 m；校核洪峰流量（P=2%）、閘前水位分別為365.52 m3/s、93.12 m。閘孔凈寬：

其中：μ0、H0、g、Q、B0分別為淹沒堰流的綜合流量系數、下游水深、堰上水頭、重力加速度、過閘流量與閘孔總凈寬。

泄流能力復核。根據側收縮系數計算公式：

其中：b0、N、εZ、dz、εb、bb、hs分別為閘孔凈寬、閘孔數、中閘孔側收縮系數、中閘墩厚度、邊閘孔側收縮系數、邊閘墩順水流向邊緣線至上游河道水邊線之間的距離與下游水深。

式中：q=Q/Σb，Σb 為總凈寬度（m）；a—閘門鉛垂擋水高（m）；θ—閘門全開時與鉛垂面的夾角（θ=75°）；P—上游堰高（m）。

2.2.2 水閘消能防沖計算

此水閘為有坎實用堰閘壩工程，泄洪時，水頭小流量大，根據類似工程經驗，確定的處理方案為底流消能工。這種方式在實際應用中，一定淹沒度可在閘下產生，這樣水流動能可被消減，已減弱水流對下游河床沖刷。

根據《水閘設計規范》，此水閘閘下消能防沖的洪水標準應與該水閘的洪水標準一致，并應考慮泄放小于消能防沖設計標準的流量時可能出現的不利情況。在通過水閘最小流量到最大流量范圍內，設定一系列流量Q，求出一系列相應的臨界水躍躍后水深h″c及h″c-t（t為下游水深），相應于（h″c-t）為最大時的流量即為消能工設計流量。

消能防沖復核計算內容包括消力池和海漫計算兩部分。消力池計算包括消力池深度、消力池長度及消力池底板厚度計算，海漫計算主要包括海漫長度和海漫末端河床沖刷深度計算。

是否設置消力池判別：h″c＞hs與h″c≤hs屬于兩種方案，第一種消力池需要設置，第二種則無須設置。其中h″c、hs分別為躍后水深與下游水深。

躍后水深h″c可按公式計算：

式中：hc—收縮水深（m）；α—水流動能校正系數，采用1.0；q—過閘單寬流量（m2/s）；T0—由消力池底板頂面算起的總勢能（m）；b1—流速系數，采用0.95；Frc—躍前斷面水流的佛勞德數；h″c—躍后水深（m）；b1—消力池首端寬度（m）；b2—消力池末端寬度（m）。

消力池深度按公式：

式中：d—消力池深度（m）；σ0—水躍淹沒系數，采用1.1。ΔZ—出池落差（m）；h＇s—出池河床水深（m）。

2.3 閘室結構計算

2.3.1 加固前閘壩滲流復核計算

地質鉆孔資料顯示，閘壩基礎均坐落于強風化的花崗巖上，經過計算水閘防滲底寬為7.17 m，現壩底寬為5.20 m，不滿足防滲長度要求，閘基下游會發生滲透破壞，同時通過閘基的滲漏量較大，需增設防滲墻等防滲加固處理措施。

2.3.2 加固前閘壩穩定復核計算

閘身自重、水重等是閘室承受的主要荷載。在對閘室基底應力進行計算時，需按照下面的公式予以計算：

其中：Kc、f、∑G、∑H分別為安全系數、摩擦系數、豎向荷載與水平向荷載。

2.4 沖砂閘加固后穩定與基底應力計算

此次沖砂閘位于閘壩左岸，底板高程維持現狀90.40 m，寬4.50 m，高2.50 m平板鋼閘門。沖砂閘底板厚度為2.20 m，其中基礎采用1 m 厚現澆C15 回填混凝土，上部底板厚1 m，采用C25鋼筋混凝土，抗滲等級為W4。抗浮穩定安全系數：基本組合［Kf］≥1.10；特殊組合［Kf］≥1.05；壩區地震烈度小于Ⅵ度，不考慮地震，根據有關規范要求，計算下列幾種工況，見表1。

表1 沖砂閘抗滑穩定計算荷載組合表

3 結語

水利工程建筑物結構設計與處理方式的研究，能關注水利工程的結構安全，重視工程施工中的各個重點環節。文章在分析時，從實際案例出發，制定水利工程建筑物結構設計與處理的要點，以此來提升水利工程施工質量。未來在水利工程建筑物結構設計與處理方式中，需考慮的要素更多，需注意的事項也會更多，要求設計者必須以實際項目工程情況為基礎，設計出更加科學的方案，為水利工程的高效開展奠定基礎。