廣州市二十涌東新建水閘工程結構布置及穩定分析

彭繼承

(廣州市南沙區番順聯圍管理所， 廣東 廣州 511470)

1 問題的提出

二十涌位于廣州市南沙區的萬頃沙圍，現狀河道平均寬約84 m，西側涌口通過水閘連接洪奇瀝水道，東側涌口直接連通蕉門水道，為雙向流動。目前河涌兼有排澇、引水等功能。由于二十涌位于珠江出海口，受大陸和海洋兩氣流綜合影響，歷來受到不同程度的洪潮災害。目前，二十涌內涌的防洪標準僅能達到20 a一遇，東涌口因與外江直接連通而存在防洪(潮)缺口，導致二十涌外圍無法形成閉合的防洪體系[1]。為提高河涌防洪(潮)減災能力，促進區域經濟可持續發展，急需在二十涌東側出口處新建一座水閘工程。水閘的建設，對提升二十涌的水安全，改善水景觀等具有積極意義。本文結合二十涌東水閘建設實際，對擋潮閘的主要建筑物結構布置及穩定分析進行探討。

2 工程建設條件

2.1 水文氣象條件

萬頃沙圍二十涌長2.98 km，河底高程在-2.0～-3.0 m(珠基，下同)之間。二十涌集雨面積為3.24 km2，區域地勢平坦，河涌兩岸大部分為魚塘和藕田，屬珠江三角洲水網區，堤圍內田面高程在-1.0～0.5 m之間。區域排澇以閘排為主，可調蓄水面主要為內河涌、田面及魚塘。根據南沙站1963—2009年的歷年雨量資料，南沙站多年平均降水量約1538 mm，最大年降雨量為2134 mm(1981年)，最小年降雨量為887 mm(1963年)。降雨量年際變化不大，但年內分配極不均勻，汛期4—9月降水量占年降雨總量的82.1%，其中又以5月、6月份降雨量最為集中；枯水期10月—翌年3月降水量占年降雨總量的17.9%。

2.2 工程地質條件

工程區位于珠江三角洲地貌沖積平原區，河網縱橫，屬亞熱帶季風氣候，地形開闊平坦。萬頃沙圍外形輪廓呈三角形，東、南、西三面環水，系人工圍墾河網平原，已有數十年歷史。周邊少有農作物，主要為魚塘，局部分布有漁民民房。工程區位于粵中拗褶斷束的南部，其歸屬華南準地臺或褶皺帶一部分，工程區及其周圍主要顯示北東及北北東向構造，次為北西向構造，工程區北側為橫瀝斷裂、南側為平沙斷裂。經綜合評定，區域構造穩定性較差。根據地質鉆探揭露，場地巖土層自上而下依次為②1-1淤泥、②-2泥質粉細砂、③-1粉質黏土、③-2泥質中粗砂、④-1(全風化)粉砂巖、④-2(強風化)粉砂巖、④-3(弱風化)粉砂巖，主要物理力學指標參見表1。

表1 分層土體主要物理力學指標建議值

土層編號壓縮模量/MPa-1天然快剪固結快剪黏聚力/kPa摩擦角/(°)黏聚力/kPa摩擦角/(°)天然地基承載力特征值/kPa混凝土/巖土摩擦系數①3.1910142021.280～1000.25②1-11.7724.4414.2500.1②2-12.6691115700.15②-24.793.4209.220.71200.3③-15.3524.512.630151500.4③-2—5206251800.5④-1—322035252000.4④-2—————3000.4④-3—————5000.5

3 水閘結構布置

3.1 工程等別和標準

根據《廣州市南沙區水利規劃報告》，確定該水閘工程防洪(潮)標準為50 a一遇，二十涌(內河涌)排澇標準為10 a一遇，24 h暴雨一天排干不成災。由于水閘最大過閘流量為 106.58 m3/s，根據《水閘設計規范》(SL 265—2016)，水閘等別為Ⅲ等，規模為中型。工程主要建筑物包括二十涌東水閘、左右岸連接堤、外江堤防等，根據《海堤工程設計規范》(GB/T 51015—2014)，該工程外江堤防級別為2級，由于規范要求位于防洪堤上的水閘級別不應低于堤防級別[2]，故主要建筑物級別定為2級，次要建筑物為3級。

3.2 特征水位及運行調度

3.2.1 水閘特征水位

新建水閘運行時存在著擋潮、排澇、引水和蓄水四種工況，不同運行工況時的水閘特征水位不同。

(1)擋潮工況下的特征水位：二十涌東外江50 a 一遇設計洪(潮)水位為2.52 m，校核洪(潮)水位為歷史最高水位2.58 m，擋潮時閘內常水位為0 m。(2)排澇工況下的特征水位：排澇起調水位為0 m，洪水過程中遭遇外江出現的最高潮水位是1.89 m，設計的閘上(內涌)最高水位是調蓄確定的內涌最高水位0.66 m。(3)引水工況下的特征水位：外江低潮水位期間內涌水位可預排至-0.50 m，外江漲潮階段水位高于內涌水位時開閘引水，閘內保持水位0 m。(4)蓄水工況下的特征水位：考慮河涌引水及水景觀的要求，在低潮水位期間當潮水位低于0 m時關閘蓄水，正常情況下閘內保持水位0 m。

3.2.2 水閘運行調度

水閘的調度原則如下：(1)擋潮工況下，內涌設計水位為0 m，水閘擋外江50 a一遇設計洪潮水位2.52 m，校核洪(潮)水位2.58 m。(2)排澇工況下，水閘排澇的起調水位為0 m，但當預報有大暴雨時，先預排至-0.3 m。當外江水位高于內涌水位時關閘擋潮，洪水過程中內涌水位逐漸上升，當外江水位低于內涌水位時開閘排水。根據排澇計算結果，當內涌出現10 a一遇設計洪水時，按遭遇外江多年平均高潮水位的情況進行調蓄計算，內河涌的最高水位為0.66 m。(3)引水工況下，可選用外江保證率為80%的最低潮位(-0.50 m)作為內涌引水時的最低水位，在外江漲潮時段(外江潮位在-0.50～0 m之間)開閘為河涌引水，當內涌水位達到0 m左右關閘。 (4)蓄水工況下，當潮位低于0 m時關閘蓄水。

3.3 水閘工程結構布置

3.3.1 閘軸線比選

新建水閘軸線選擇原則為：(1)滿足工程任務的目標和要求，確保防潮、排澇安全，有利于水資源的保護和利用，并為船舶通航、停泊避風提供良好條件。(2)工程選址應盡可能選擇地質條件相對較好的地點。(3)工程選址應選擇在地形開闊、水流順暢的河段[3]。基于上述原則，新建閘址宜選擇在二十涌與外江交匯處的河口附近，不僅易滿足排澇功能，也能縮短與外江堤防的連接段長度，從而節省工程投資。根據水閘的功能、特點和運行要求，綜合考慮地形、地質、水流、潮汐、泥沙、施工、管理、周邊環境等因素，進行如下兩個閘線方案比選：上閘線(距離外江口約78 m處)，下閘線(距離外江口約30 m處)。

上閘線河涌寬84.0 m，擋潮閘布置在河涌深槽處，擋潮閘兩側對稱布置連接堤，并與舊堤相連。下閘線內涌側寬83.6 m，外江側寬84.5 m，擋潮閘布置在河涌深槽處，其結構布置與上閘線相同。由于上、下閘線距離較近，地形地貌和地質條件差別不大，建基面均坐落在淤泥和淤泥質粉細砂上，地基經處理后，均具備修建擋潮閘工程的條件。從技術角度分析，兩個方案都可行，投資相當，各有利弊。但上閘線的布置有利于主體結構的穩定和消能防沖，以及船舶通航，且外江圍堰投資較少；下閘址施工時外江圍堰施工風險及投資較大，易出安全事故。綜上，將新建水閘布置在上閘線較為合適。

3.3.2 水閘總體布置

水閘主要由閘室、內外河翼墻、內外河消力池、海漫、海漫末端的防沖槽、內外側堤防和閘兩側的連接堤等組成。水閘堰型為開敞式平底寬頂堰，其閘室為3孔，總凈寬24 m。為滿足當地漁船通行要求，需要保證最低2 m凈空。為防止閘門兩側的油缸和支臂影響通航，將中孔設為通航孔，寬度為12 m，兩邊孔為非通航孔，寬度各為6 m。閘室長18.5 m，為鋼筋混凝土整體塢式結構。水閘檻頂高程-2.8 m。工作門選用閘橋結合的懸掛門門型，其特點是閘門藏于橋下，具有隱蔽性，閘頂交通橋兼作閘門門庫。交通橋荷載按汽車-20級標準設計，交通橋寬為8 m，閘頂橋面高程6 m。邊墩頂橋面以約1∶10坡率與兩側連接堤相連，連接堤頂高程為5 m，堤頂寬度為8 m 內、外側消力池長均為12.0 m，池深0.6 m；內、外側海漫段長度均為25.0 m；防沖槽寬均為8.0 m。

連接堤與閘室之間采用EPS填塊輕質材料過渡，內涌側堤頂高程約3.8 m，外江側堤頂高程約4.3～5.0 m，閘內涌側的連接堤以1∶10坡率連至內涌側堤防，外江側堤頂高程取5.0 m。連接堤外江側在高程2.0 m處設8.0 m寬的消浪平臺，內涌側在高程2.0 m處設21.4 m寬的親水平臺。工程管理房布置在內涌右岸的親水平臺上，控制室、油泵房等輔助用房與工程管理用房均布置在管理房內。

3.3.3 水閘消能防沖布置

內、外側消力池長度均取12.0 m，深0.6 m，底板厚度0.5 m；內、外側海漫段長25.0 m；海漫末端設長8.0 m，寬36.8 m，深2.0 m的拋石防沖槽。內、外側消力池均采用C30鋼筋混凝土底板，底板與兩岸翼墻采用分離式結構。海漫段采用M10漿砌塊石護底，其外江側厚度為550 mm、內涌側厚度為350 mm。為增強塊石護底的穩定性，海漫段四周布置C30鋼筋混凝土框格。

3.3.4 內、外側翼墻結構

內、外側翼墻主要分布在消力池兩側及海漫的圓弧形連接段，翼墻型式通常可選擇重力式、懸臂式或扶臂式結構[4]。重力式擋土墻由于體積和重量較大，在土基上特別是軟弱地基上高度在6 m以下較為經濟；懸臂式擋土墻由斷面較小的立墻和底板組成，屬輕型鋼筋混凝土結構，其穩定性主要靠底板以上填土重量來保證，在8 m以下高度范圍內應用較多[5]。結合水閘工程實際，所有翼墻均采用懸臂式結構。

3.3.5 閘室左、右連接段布置

閘室左、右連接段以1∶10坡率與交通橋相連至河涌兩側堤防，連接段堤頂高程為5.0～6.0 m。堤頂寬度為8.0 m，為瀝青混凝土路面。連接段外江側堤頂以1∶3坡率放坡至高程2.0 m，并在該高程處設8.0 m寬的消浪兼反壓平臺。高程2.0 m以下為1∶5坡率放坡。連接段內涌側堤頂以1∶2.5坡率放坡至高程2.0 m，該高程處設平臺作為管理房和綠化的建筑用地。外江側邊坡及2.0 m高程平臺均采用漿砌塊石護坡，厚度550 mm。內涌側2.0 m高程以上邊坡及平臺采用草皮護坡。

4 結構穩定分析

4.1 閘室穩定分析

根據相關規范要求，二十涌東水閘閘室穩定和地基應力計算工況包括正常運用工況和非常運用工況[6]，工況組合見表2。

各種工況下閘室穩定應力計算成果見表3。計算結果表明，閘室抗浮穩定、地基應力不均勻系數均滿足規范要求。地基除地震工況的最小應力為48.96 kPa，其余工況基底應力均大于淤泥地基承載力標準值(50 kPa)，且各工況最大應力為68.84 kPa，大于淤泥地基承載力標準值50 kPa的1.2倍，因此需進行地基加固處理。

表2 閘室穩定計算水位組合

表3 閘室穩定應力計算成果

4.2 閘室地基處理

結構計算表明，閘室基底淤泥層厚度大，承載力低，變形大，其承載能力和沉降變形均不滿足設計要求，因此需對閘基礎進行加固處理。結合水閘工程地質情況，基礎處理方案有以下三種：預應力混凝土管樁+水泥攪拌樁方案、水泥攪拌樁方案、全套管灌注樁方案。三個方案都可以滿足建筑物各種設計工況穩定、變形、應力的要求，均能提高水閘的地基承載能力和抗滑能力。經技術、經濟比較分析，推薦采用水泥攪拌樁復合基礎作為水閘閘室地基處理方式。水泥攪拌樁樁長18 m，樁徑為φ600 mm，矩形布置，樁間距1 m。經計算，復合地基承載力可達159.3 kPa，滿足地基承載力要求；復合地基沉降變形為8.44 cm，滿足規范要求的15.00 cm允許值。

5 結 語

在系統分析工程區域建設條件的基礎上，圍繞水閘擋潮、排澇、引水和蓄水的功能目標，對水閘工程結構布置及閘室穩定進行了分析，并重點探討了水閘軸線比選、水閘總體布置、閘室結構穩定及地基處理等。二十涌東新建水閘后可與西側水閘聯合調度共同發揮效益，保證防洪興利效益的正常發揮，有效減少洪潮災害損失。該項目的實施可為類似沿海擋潮閘的設計和建設積累一定的現實經驗。