沙湖水閘重建工程設計分析

張奕池

（江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司,廣東 江門 529000）

1 工程概況

沙湖水閘位于蓮塘水中下游,是潭江流域一級支流蓮塘河下游的一座攔河水閘,地處恩平市沙湖鎮沙湖圩長堤東路側,距沙湖鎮鎮府約380 m,是蓮塘水沙湖圩河段的重要節制閘。該水閘于20 世紀70年代興建并投入使用,在20 世紀80年代進行了擴建,灌溉面積0.4 萬畝,總控制集雨面積150 km2,是一座以灌溉為主,兼顧排洪、交通的Ⅴ等工程。現狀水閘設有4 個閘孔,總凈寬16.0 m；閘底板高程8.73 m,厚1.4 m；有5 根閘墩, 閘墩上部為交通橋, 橋面高程12.83 m, 總寬8.05 m；下游是長14.47 m,深0.7 m,底板厚1.4 m 的消力池,消力池下游連接海漫,總長20.0 m；上下游兩岸堤防防浪墻頂高程為13.20 m,原設計過閘流量為817 m3/s。

由于水閘建成年代過久,經現場勘察發現,水閘下游防沖槽長期遭到沖刷,已出現沖坑；下游右岸連接段墻頂與防浪墻連接處局部脫離,墻體出現裂縫、滲漏；閘底板表面出現許多坑洞；閘墩出現裂縫；交通橋的橋面混凝土脫落,護欄損壞,梁板開裂；控制室墻體開裂、鋼筋外露、門窗銹蝕嚴重；閘門老化,漏水；啟閉機老舊,且出現偏流,啟閉機排架梁、板、柱均存在裂縫,工作橋護欄開裂,鋼筋嚴重銹蝕、變形等隱患,已嚴重危及水閘的安全運行,亟需對沙湖水閘拆除重建,以確保沙湖鎮農田灌溉用水安全。

2 工程重建設計

2.1 建筑物選型及布置

考慮到沙湖水閘地質條件較好,舊址地勢開闊,故本次重建工程選擇舊址重建。攔河建筑物型式選擇攔河閘型式,水閘堰型根據閘下水位變化情況,選用開敞式平底寬頂堰；為了保證閘室結構具有較高整體性以及對地基不均勻沉降有較好的適應性,閘室結構型式采用整體式底板,墩中分縫型式；閘門選用平面鋼閘門,啟閉設備選用固定式QPQ2×10 t卷揚機,并采用一機一門控制[1]。

根據水閘地形條件、周圍環境以及水流條件等因素,重建水閘的布置以原水閘交通橋中心線為基準,閘門布置在下游側,其它主要建筑物順水流向依次為上游連接段、閘室段以及下游連接段,并在重建水閘下游右岸新建柴油發電機房、工具房。

2.2 主要建筑物設計

2.2.1 上游連接段

上游連接段河底主要是砼鋪蓋,長10 m,寬56.72 m～45.92 m,頂面與河道齊平,高程8.50 m,鋪蓋厚0.4 m,上下游兩側設置1.1 m 深齒墻,鋪蓋采用C25 鋼筋砼澆筑；垂直水流方向設置分縫,縫寬20 mm,采用PE 板填縫并設銅片止水,共5 道,鋪蓋兩側與兩側擋墻底板分縫位置一并設止水。

2.2.2 閘室段

沙湖水閘的閘室選用開敞式型式,閘室總凈寬40 m,共設計5 孔,每孔凈寬8.0 m,邊墩厚1.0 m,中墩厚1.50 m；3#孔右側中墩根據閘室構造要求在閘墩中間分縫,縫寬20 mm,并用PE 板填縫；閘室總寬48.42 m,長16.0 m,上游往下游依次為：上游側檢修閘門槽、交通橋、工作閘門、下游側工作橋、下游側檢修門槽。閘頂高程13.25 m,閘底板面高程8.50 m,底板厚1.0 m,底板底高程7.50 m,閘底板上下游兩側設置0.5 m深齒墻；上游側齒墻設置4.0 m 深鋼板樁防滲,水閘底板左右岸兩側設置0.5 m 深齒墻,齒墻底高程7.0 m。

為了充分發揮交通樞紐作用, 交通橋采用箱涵結構,與閘墩整體澆筑, 橋面設凈寬8.0 m, 并在橋的兩側各設置0.25 m 寬防撞欄,橋板厚0.5 m,橋板底高程12.75 m；工作橋采用梁板式整體結構,橋面寬1.5 m,橋板厚0.2 m,板下設2道主梁,并在閘室左、右兩邊墩后設空箱與堤岸相接,空箱岸長5 m,寬5 m。

2.2.3 下游連接段

下游連接段消力池平面采用矩形布置,凈寬46.42 m,首端采用斜坡面與閘底板相連接,坡度為1∶4,長25.0 m,其中斜坡段長12.0 m,水平段長13.0 m,池深1.0 m,池底高程5.50 m,采用鋼筋混凝土結構,厚0.60 m,底部設有砂石等反濾層和排水管。下游海漫長25.0 m,頂面高程6.50 m,厚1.0 m；垂直水流方向設置分縫,縫寬20 mm,采用PE 板填縫并設銅片止水,共3 道,鋪蓋兩側與兩側擋墻底板分縫位置一并設止水；海漫末端設拋石防沖槽,且頂面與河道齊平,高程6.50 m,槽深1.5 m,長10.0 m。

2.3 水力計算

2.3.1 重建水閘過流能力復核

根據沙湖水閘地形、規模及《水閘設計規范》（SL 265-2016）中高淹沒公式（hs/H0≥0.9）、多孔平底閘的堰流公式（hs/H0＜0.9）對其過閘流量進行計算,計算結果見表1。

表1 過流能力計算成果表

從表1 可以看出,在滿足不同頻率的洪峰流量下,重建后水閘的過流能力能滿足規范要求。

2.3.2 消能防沖計算

本次采用水閘消能最不利工況：閘上水位達到正常蓄水位10.93 m,閘下水位為6.50 m,當閘門開啟高度按0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、1.58 m 控制開啟,下游水位逐漸上漲。

結合上述工況,依據《水閘設計規范》（SL 265-2016）附錄B 消能防沖計算方法[2],采用北京理正巖土軟件水力學計算程序。經計算,重建水閘設計的消力池長度、深度、底板厚度、海鰻長度以及末端最大防沖深度均能滿足設計規范要求。計算結果見表2。

表2 消能防沖計算成果表

2.4 防滲排水設計

2.4.1 防滲設計

結合閘址地基情況,本次防滲設施采用鋪蓋和垂直防滲相結合的布置形式。鋪蓋采用混凝土,厚0.40m,長10.0m；垂直防滲方式在水閘底板前齒墻設置一下鋼板樁,深4.0m,鋼板樁底部穿透閘基弱透水層殘積土層。

2.4.2 排水設計

在消力池的下游端,設置Φ75排水孔,孔距為1.0 m×1.0 m,呈梅花形布置,順水流向設6 排；底板下從上往下分別布置：粗砂碎石墊層厚200 mm,粗砂墊層厚200 mm,最下面再鋪一層土工布。

2.5 水閘上下游連接段擋墻設計

2.5.1 上游連接段擋墻設計

水閘上游左岸和右岸擋墻均設置重力式擋墻,左岸長3.95 m,高4.5 m,墻頂高程12.50 m；右岸長12.77 m,高4.5 m,墻頂高程12.50 m。水閘上游連接段所有擋墻的墻頂均設置防浪墻和不銹鋼欄桿。

2.5.2 下游左岸連接段擋墻設計

水閘下游左岸擋墻設置扶壁式擋墻和仰斜式擋墻,靠近閘室擋墻設為高度漸變扶壁式擋墻,長度為31.23 m,墻高由4.8 m 漸變至7.8 m,墻頂高程均為12.50 m；漸變段擋墻下游設為仰斜式擋墻,長度為38.61 m,高度為2.0 m,墻頂高程7.50 m。為了減少水閘排洪時對左岸的沖刷影響,下游仰斜式擋墻與現有擋墻之間采用護坡,坡比為1∶3。

2.5.3 下游右岸連接段擋墻設計

下游右岸擋墻設為扶壁式擋墻、懸臂式擋墻和重力式擋墻；靠近空箱擋墻為扶壁式擋墻,長17.47 m,墻高7.8 m,墻頂高程12.50 m；扶壁式擋墻下游為高度漸變懸臂式擋墻,長8.79 m,墻高由6.6 m 漸變至3.6 m,墻頂高程由12.5 m 漸變至9.5 m；漸變段懸臂式擋墻順接重力式擋墻,重力式擋墻長17.29 m,高3.50 m,墻頂高程為9.50 m。此外,懸臂式擋墻和重力式擋墻均設置草皮護坡,坡比為1∶2。

3 穩定性計算

3.1 水閘穩定計算

根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）相關規定和沙湖水閘使用條件,計算閘室穩定和應力時的荷載組合為基本組合,見表3。

表3 荷載組合表

重建水閘抗滑穩定及基底應力采用《水閘設計規范》中閘室穩定及應力計算方法進行計算。經計算,水閘抗滑穩定及基底應力計算成果見表4。

表4 水閘抗滑穩定及基底應力計算成果

由表4 計算結果得知,水閘重建后閘室抗滑穩定安全系數基本組合,滿足大于允許值1.2 的規范要求[3]。因此,水閘的抗滑穩定滿足規范要求；

由于閘基基礎為礫砂層,地基允許承載力為240 kPa。在各種計算工況下,閘室平最大和最小應力比均小于規范規定的允許值,平均基底應力均小于地基允許承載力,最大基底應力均小于地基允許承載力的1.2 倍,因此,水閘重建后的地基承載力滿足規范要求[4]。

3.2 擋墻穩定計算

水閘上下游連接段結合地形設計4 種擋墻型式,分別為重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻以及仰斜式擋墻。根據使用條件,本次計算擋墻穩定選取了扶壁式與懸臂式進行計算,計算工況采用：完建工況,擋墻前后無水與水閘正常蓄水位等2 種工況進行計算。經計算,擋土墻穩定計算結果見表5。

表5 擋土墻穩定計算結果

由表5 計算結果可知,扶壁式擋墻和懸臂式擋墻基底應力不均勻系數η 及抗滑、抗傾覆穩定系數均滿足規范要求[5]。且水閘兩岸擋墻地基承載力為240 kPa,擋墻基底平均應力的最大值均小于天然地基承載力,因此能滿足承載力規定要求。

4 結論

沙湖水閘經過幾十年的運行,存在諸多嚴重的安全隱患,已無法滿足現行的灌溉、防洪排澇要求,需對其拆除重建。結合水閘地質勘察情況提出新的設計方案,該方案包括重建水閘閘址的選擇,水工建筑物的布置與選型,主要建筑物的設計、防滲排水設計以及上下游連接段擋墻設計等,并根據《水閘設計規范》相關計算方法對水閘主要建筑物的整體穩定性進行計算分析,結果表明均能滿足設計規范要求。水閘建成后,充分發揮了水閘蓄水灌溉、防洪功能,不僅保障了當地農田灌溉用水,同時,還改善水閘周邊環境,促進當地經濟高質量發展。