賈口樞紐攔河閘除險加固工程方案設計

宋洪武，馬千麗

（棗莊市水利勘測設計院，山東 棗莊 277000）

1 工程概況

賈口樞紐攔河閘工程位于勝利渠與嶧城大沙河交叉口，通過控制攔河閘、東西節制閘，在勝利渠灌溉時提閘放水，非灌溉期擋大沙河蓄水，涉及灌溉面積8.29萬畝，是一座以防洪、灌溉為主的中型水利樞紐。自1976年修建至今，工程已運行40多年，在防洪和灌溉兩個方面取得顯著的效益。工程主要建筑物為鋼筋砼攔河閘，垂直水流方向全長70 m，共5孔，每孔凈寬7.0 m，閘墩寬1.2 m，閘門采用寬×高為7.0 m×5.5 m的鋼閘門，閘后為鋼筋混凝土工作橋板。閘室上游連接段鋪蓋長5.5 m，閘室長12.8 m，下游連接段消力池長19.7 m，結構材料均為漿砌塊石。西面閘5孔，東面閘6孔，共11孔，均為3.0 m×3.5 m鑄鐵閘門，勝利渠西閘設計流量54 m3/s，東閘設計流量40.17 m3/s。長期的運行使得工程現狀存在很多問題，早期工程建設標準相對較低，盡管經過多次維修，但未從根本上消除工程隱患。賈口樞紐攔河閘工程作為棗莊市唯一大型灌區勝利渠灌區的主要工程，其現狀難以承擔城鄉生活和國民經濟發展所賦予的繁重供水任務，加快改造是唯一可行的措施。

2 工程現狀及存在問題

由于工程多年的運行導致老化損壞嚴重，受限于資金，本工程只是局部進行了修補，未能進行深入的檢修，并未完全消除隱患。特別是閘上生產橋，由于原設計標準偏低，再加上頻繁過往超載車輛，橋面出現許多裂縫，橋面鋪裝層鋼筋外漏、面板出現沉陷等現象，排架出現扭曲變形。同時，工程還存在上下游護坡砌筑砂漿強度低，老化剝蝕嚴重、局部沉陷坍塌，閘門長年銹蝕毀壞、止水橡膠老化破損漏水嚴重、啟閉機制動失靈及運轉不靈活等問題，嚴重影響正常蓄水運用。同時，根據《嶧城大沙河防洪規劃報告》，該閘現狀泄洪能力不滿足河道近期和遠期防洪規劃的要求。由于賈口樞紐攔河閘運行時無法達到相關設計標準，鑒定為四類水閘，亟需對該工程進行除險加固改造，消除存在的工程安全問題，滿足過流能力，恢復原閘蓄水灌溉的功能，同時發揮交通運行、回補地下水源、改善生態環境等綜合效益[1，2]。

3 工程除險加固設計

3.1 閘址選擇

根據賈口樞紐攔河閘工程任務及運行要求，在河道順直、河勢相對穩定的河段修建閘室具有明顯優勢，同時該河段應地質條件良好，具有有利的交通運輸公路，方便施工和工程管理；選定的閘址與支流匯入口之間宜有一定的距離。原工程位于勝利渠與嶧城大沙河交叉處，閘址處上下游河道順直、河勢穩定。同時閘址處擔負著嶧城大沙河泄洪和勝利渠調蓄雙重功能，閘后橋連接兩岸硬化道路交通便利；河道左岸現狀布置管理設施，位置較合適無需新增占地。綜上所述，閘室周線不變，在原閘址拆除新建攔河閘方案是合適的。

3.2 工程建筑物布置

賈口樞紐攔河閘閘址處設計過閘流量為500.0 m3/s，校核過閘流量為578.0 m3/s，根據規范選取，該工程的規模為中型，對應的工程等別為Ⅲ等。為與現行河道防洪規劃標準相匹配，同時考慮閘址以上河道遠期規劃，保障水閘工程安全、減少對河道行洪的影響，本工程采用20年一遇設計洪水標準，采用50年一遇校核洪水標準。由于賈口樞紐攔河閘工程位置特殊，是連接勝利渠與嶧城大沙河重要樞紐，左右岸與勝利渠東西節制閘相連，具有灌溉、攔蓄、交通等多重任務[3-5]，其樞紐布置需要根據工程任務及各建筑物的運行特點，結合閘址處的地形水流條件等布置，使其發揮過程的最大效益。賈口樞紐攔河閘除險加固工程主要為改建攔河閘工程。攔河閘為開敞式鋼筋砼結構，主要由3部分組成。

（1）上游連接段

翼墻、鋪蓋組成了上游連接段，根據布置及現場情況要求，鋪蓋分4段共長64.0 m，為C25鋼筋砼結構，厚0.5 m，順水流方向每段長16.0 m，每段上下游端均設置深1.0 m底寬0.5 m梯形齒墻。左右岸翼墻均采用C25扶臂式鋼筋砼擋土墻，扶壁間距3.0 m，扶壁厚0.5 m，擋墻頂高程33.6 m，擋墻高8.3 m；直線段按5.0 m、10.0 m間距分段，圓弧段90°弧長整體為一段。右岸翼墻全長19.2 m，其中鋪蓋范圍為5 m長直線翼墻，直線段以上為14.2 m長圓弧翼墻（圓弧半徑9.0 m，圓心角90°）。左岸翼墻全長39.2 m，其中鋪蓋范圍為25 m長直線翼墻，直線段以上為14.2 m圓弧段（圓弧半徑9.0 m，圓心角90°）。

（2）閘室段

考慮到地基為土基，可能產生不均勻沉降，閘室段設計采用整體式閘室結構。閘室結構既要滿足上部結構的布置需要，又要滿足自身結構穩定的要求，同時閘室基地壓力也應滿足規范要求。根據以上設計原則，參考已建工程經驗，閘室順水流方向長度為16.0 m，閘室底板厚度通常采用閘孔凈寬的1/6~1/8，設計閘室底板厚1.4 m。結合地形條件，閘室總寬度為47 m，由4個單孔10 m的閘孔組成，閘孔總凈寬為40 m。

閘室段由閘底板、閘墩等組成。閘底板為C25鋼筋砼結構，閘墩設縫，每2孔一聯，縫墩厚2.0 m，分縫寬度2 cm，齒墻主要分布在閘底板上下游端。閘墩主要由中墩和邊墩組成，中墩寬度為1.5 m，邊墩寬度為1.0 m，主要是C25鋼筋砼結構，墩頂高程34.0 m。

閘墩頂部設雙柱C30鋼筋砼排架，排架高7.0 m，柱截面尺寸為0.7 m×0.7 m。排架頂部設C30鋼筋砼機架橋。賈口樞紐攔河閘機架橋頂部設啟閉機房，長51.2 m，寬4.4 m，層高3.6 m，總高4.3 m，框架結構。

（3）下游連接段

下游連接段采用消力池進行消能，末端接海漫段進行保護，左右岸設置翼墻。消力池采用下挖式消力池，消力池總深度1.2 m，總長度22.0 m，厚度為1.0 m。消力池首部進口段高程取25.3 m，尾部平直段高程取24.1 m。消力池底板厚1.0 m，采用C25鋼筋砼結構，池長范圍底部設反濾排水，自上而下分別為10 cm厚碎石、300 g/m2土工布、10 cm中粗砂。

消力池邊墻頂高程33.5 m，墻頂寬0.5 m，墻背填土高程為33.3 m。底板總寬9.9 m，底板頂高程與消力池底一致，為24.1 m。邊墻底板下設0.1 m厚C10素混凝土墊層。墻背25.6 m及27.1 m高程處設直徑80 mm的PVC排水管，間距1.5 m。

消力池后接海漫段，基本與下游河底相平。海漫段分為兩段共長35.0 m，均為C20混凝土塊護底，厚度0.3 m，下設0.1 m碎石墊層。結合地形條件及現場建筑物布置情況，消力池及海漫段范圍內左右岸擋土墻主要采用C25扶臂式鋼筋混凝土擋土墻。

4 工程水力計算

根據水閘設計規范寬頂堰淹沒計算公式，攔河閘過流能力復核計算如下：

式中，μ0為寬頂堰淹沒出流的綜合流量系數；Q為攔河閘設計過流流量，m3/s；B0為閘孔凈寬之和，即攔河閘過流總凈寬，m；hs為攔河閘下部寬頂堰上的水深，m；H0為閘上堰下水頭hs與行近流速水頭之和，m；根據水文計算，賈口樞紐攔河閘除險加固工程50年一遇校核洪水流578.0 m3/s，20 年一遇設計洪水流量500.0 m3/s。設計的閘孔總凈寬為40.0 m，當擬定的過閘水頭差時，求得過閘流量略大于20年及50年一遇流量，對應過閘流量為553.1 m3/s及603.9 m3/s，即擬定的閘孔尺寸及條件能滿足規范和過流要求，改善了河道的行洪條件。

表1 攔河閘過流能力計算表

5 工程結構計算

5.1 閘頂高程確定

水閘閘頂高程主要根據運行情況確定，一般分為水閘擋水和水閘泄水兩種情況。擋水時，閘頂高程一般高于水閘最高攔蓄水位、波浪計算高度與規范對應標準的安全超高值相加的值；泄水時，閘頂高程不應低于設計洪水位與相應的安全超高之和，以及校核洪水位與相應的安全超高之和。 根據上述運行情況，水閘閘頂高程計算如下，根據計算結果，水閘閘墩頂高程應高于33.54 m。

表2 閘頂高程計算表 單位：m

5.2 閘底檻高程及閘孔總凈寬

賈口樞紐攔河閘除險加固工程所在嶧城大沙河屬臺兒莊區段，該段河口寬度約70.0 m，為銜接河道水位，現狀攔河閘底板高程為25.3 m。河道屬淤積砂質，現狀閘址上游河道段高程為25.3~25.5 m，消力池后現狀河道底高程為25.30 m。由于賈口樞紐攔河閘除險加固工程位于平原河道與渠道交叉口，閘址上下游水位落差很小，河床地質屬土質，攜帶少量泥沙雜質，結合河道泥沙特性，攔河閘出險加固采用平底寬頂堰具有相當的優勢。平底板寬頂堰結構簡單、有利于排沙沖淤、泄流能力比較穩定、施工較方便，當閘底板高程與河底齊平時，能夠多泄水引水、沖淤排沙。 據此，閘室底板采用平底板寬頂堰型式，閘室底板高程基本持平上下游河道，取25.3 m。

根據規范，一般閘室總寬度與河道寬度的比值在0.60~0.75之間，閘孔凈寬選擇范圍在8~12 m之間，閘底板厚度約為閘孔凈寬的1/6~1/8。據此，閘室總寬度47.0 m，閘孔總凈寬為40 m，單孔寬度10.0 m，閘底板厚度采用1.4 m。

5.3 閘室穩定及閘基應力計算

根據水閘設計，閘室2孔一聯，設置縫墩，故計算時，選取一聯作為計算單元進行驗算。結合規范要求，選取計算工況如下：

基本組合1：正常擋水期，工作閘擋水，下游水位平閘底板。

基本組合2：施工完建期，地下水位低于閘底板。

特殊組合 1：檢修工況，檢修閘擋水，下游水位平閘底板。

特殊組合2：地震工況，工作閘門蓄水，下游水位平閘底板。

根據規范，土質地基上，沿閘室基底面抗滑穩定安全系數計算如下：

式中，K為抵抗沿閘室基底面滑動的抗滑穩定安全系數；f為閘室底面與土質地基接觸面之間的摩擦系數，根據規范取0.4；∑G為閘室結構受到的全部豎向荷載，kN； ∑H為閘室結構受到的全部水平向荷載，kN。

根據賈口樞紐攔河閘工程等別，其主要建筑物屬于3級建筑物，抗滑穩定安全系數允許值在不同計算工況下取值不同，基本組合下K不小于1.25，特殊組合1下K不小于1.10，特殊組合2下K不小于1.05。若結構布置不對稱或受到不對稱荷載作用時，閘室底面基底應力計算如下：

式中，σmax、σmin為受不對稱荷載或結構布置不對稱時，閘室底面基底應力的最大值和最小值，kPa；∑G為閘室結構受到的全部豎向荷載作用和，kN；A為閘室結構底面的面積，m2；∑Mx、∑My為閘室結構受到的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面形心軸x、y的力矩和，kN·m；Wx、Wy為閘室底面對其形心軸x、y的截面矩，m3；η為閘室底部基底應力的不均勻系數值。

賈口樞紐攔河閘基礎作用在土基上，其穩定計算主要從以下幾方面評價，即閘室平均基底應力、閘室基底應力最大值及最小值比值及閘底面抗滑穩定安全系數。根據上述要求，各工況下計算單元成果如表3所示，由計算成果可知，各計算工況下抗滑穩定系數大于規范值，均能滿足抗滑穩定要求。

表3 閘室穩定及應力計算成果表

6 結論

賈口樞紐攔河閘工程運行多年，由于其現狀損壞嚴重，難以承擔城鄉生活和國民經濟發展所賦予的繁重供水任務。為消除工程存在安全問題，文章結合工程閘址地質、地形條件、水力條件等實際情況，擬定了該工程除險加固方案。經復核，除險加固后的攔河閘功能均滿足規范要求。文章結合工程特點制定方案，對攔河閘工程的除險加固設計提供了一定的參考。