虢义河靳屯节制分洪闸除险加固方案优化设计

贺志军

（吕梁市水利勘测设计研究院，山西 吕梁 033000）

1 工程概况

吕梁市虢义河靳屯节制分洪闸修建于1978年，是一座以防洪、灌溉为一体的中型水闸，主要由节制闸、北干分洪闸和南干分洪闸组成。泄洪闸设有7孔，每孔净宽4m，设计下泄流量306m3/s，闸室长6.6m，启闭机为手动螺杆式。闸室和实用堰为矩形断面，消力池的翼墙为扭曲面。闸室上游设5m长的护堤。分洪闸设南北两闸，北闸设计分洪流量44m3/s，设净宽2.5m的分水闸2孔，闸后渠道底宽5.5m，为梯形断面，边坡1∶1.5，纵坡1‰。南闸设计分洪流量33m3/s，设净宽3.5m的分洪闸1孔，闸后渠道底宽5m，纵坡1.2‰。分洪闸采用消力池消能，消力池深0.3m、长8m，翼墙为扭曲面。分洪闸在虢义河分洪和引洪灌溉方面发挥着重要作用，同时对整个文峪河的防洪安全起着控制与调度作用，因此，该闸的安全运行一直是水利管理工作者思考的重大课题之一。

2 存在问题

目前，建筑物存在不同程度的安全隐患：闸室底板混凝土磨损严重，闸墩迎水面浆砌石有砂浆掏空现象，呈蜂窝状，严重影响水闸的结构安全；翼墙稳定不满足规范要求，存在安全隐患；消力池底板冲毁严重，侧墙有裂缝和坍塌，出口齿墙损坏，海漫破坏严重；南北分洪闸闸墩及消力池翼墙局部损坏；节制闸梁破损，结构及止水严重老化；水闸上下游河道淤积严重。尤其是分洪闸的闸门最大开启高度为2.4m，但闸前水位为2.85m，因此防洪安全设计为重点研究对象。

3 分洪闸除险加固方案

3.1 分洪闸闸室段结构设计

闸门高度取上游设计洪水时的水深加安全超高3.2m。闸顶高度4.5m，相应顶高程762.016m，即需在原闸墩上加高2m。闸梁底高度7.56m，相应顶高程765.116m。

浆砌料石闸墩存在冲刷缝的地方，采用环氧砂浆填缝，大面积冲刷的采用环氧混凝土充填；将原素混凝土闸底板拆除，以C25钢筋混凝土重建底板；闸墩采用与原材料相同的浆砌料石加高2m，最终高度4.5m；闸墩以上的原砖砌机架拆除重建；闸梁和工作桥拆除重建，上建轻形结构闸房。

3.2 分洪闸消力池段结构设计

由于消力池底板冲毁严重、侧墙有裂缝和坍塌，且翼墙的稳定性不满足规范要求，故拟将消力池底板和翼墙全部拆除重建。因闸室宽度与加固前相同，故消力池的陡坡段和池宽不变，仍为32.8m。消力池池深0.3m，池长（含斜坡段）24.5m，厚0.6m，消力池基底面开始从下到上依次为15cm砂、15cm碎石反滤层、60cm钢筋混凝土底板；底板上梅花状布置直径10cm的排水孔，间距2m，孔内填碎石以防止淤堵。翼墙形式采用C25钢筋混凝土基础、M10浆砌块石侧墙的重力式挡土墙，墙身底部砌石嵌入混凝土底板内。侧墙顶高程与下游河道堤防高程相同。墙身高6.8m，基础深取1m，墙顶宽0.6m，迎水面垂直，背坡倾斜坡度1∶0.45，墙趾宽2.0m，墙踵宽0.5m。为使砂壤土基底摩擦系数达到0.5，采用碎石换基方法。

3.3 分洪闸上下游连接段结构设计

上下游连接段堤顶高程与上下游河道堤顶高程相同，上下游河道堤防高度维持原河道高，分别为4.75m，6.50m。因上下游连接段翼墙损毁严重，拟拆除重建：采用浆砌石扭面形式，上游连接段长度10m，下游连接段长度20m。原水闸上游无铺盖，此次在上游连接段河床底板内增设厚40cm的C25钢筋混凝土铺盖；原水闸下游无海漫，拟在下游连接段河床底板内增设厚50cm的M10浆砌石和铅丝笼海漫。

3.4 分洪闸结构设计

分洪闸因破损严重需全部拆除重建，但其位置与闸底板高度维持原状。因受分洪流量不能超过44m3/s的限制，分洪闸仅考虑设计洪水标准。故分洪闸仍维持原底板高程757.516m。

分洪闸孔数由2孔变为3孔，孔净宽3.2m，设计分洪流量44m3/s；闸室采用钢筋混凝土整体结构，宽14.4m。分洪闸孔数变为2孔，孔净宽2.3m，设计分洪流量33m3/s；闸室采用钢筋混凝土整体结构，宽8.8m。边墩宽0.6m，高3.6m，闸底板厚1.0m，机架总高度6.6m（其中闸墩以上高3.0m）；闸门高与节制闸相同，为3.2m，单吊点钢闸门；闸后农桥为钢筋混凝土预制简支板，板厚0.2m，宽3m。经计算，洪水经过分洪闸后发生淹没水跃，不需修建消力池，但分洪渠道为土渠，为进一步减小过闸后的水流速度，与下游渠道更好地衔接，设计在闸后修建深0.2m、长6m的消力池，消力池底板厚按抗冲厚度取0.4m，消力池上下游宽由闸室宽和下游渠道底宽确定，上游宽10.8m，下游宽5.5m。

4 闸室稳定复核

4.1 工程安全复核标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，节制闸、下游翼墙按2级水工建筑物复核；节制闸上游翼墙按3级水工建筑物复核。

虢义河流域西部土石山区大部分地带灰岩出露，岩性硬度大，工程地质条件良好；黄土丘陵区岩性垂直节理发育，塌陷性强，抗冲刷能力差，滑坡及古滑坡比较普遍，工程地质条件不良；平原区岩性以砂土、粉砂土混合土层为主，层理发育，但含黏性，很少发现软体液性夹层，工程地质条件属于一般类别。

据地震资料，区域内未发现5级以上的强震，区近临地带也没有发现记载强震，说明虢义河流域地震活动频率较低，震级较小。据《中国地震参数区划图》，地震动峰值加速度为0.15g，地震动反谱特征周期值为0.40s，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

4.2 计算荷载

闸室抗滑稳定计算考虑的荷载主要有结构自重、静水压力（按三角形分布）、渗透压力（直线比例法勃菜假定计算）、浪压力、侧向土压力。

4.3 计算方法与依据

沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数按《水闸设计规范》中有关公式计算：

式中：Kc——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

f——闸室基底面与地基间的摩擦系数，取0.25；

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载，kN。地基应力按下式计算：

式中：a——垂直水流方向的宽度，m；

b——顺水流方向的宽度，m；

∑N——作用于基底面上的总垂直力，kN；

ex——距沿水流方向中心轴的偏心距，m；

ey——距垂直水流方向中心轴的偏心距，m。

4.4 计算结果

中墩稳定计算以正常运用时期为主要的考核指标，计算结果见表1。

表1 中墩稳定计算成果

由表1可知，正常运用工况下的抗滑稳定系数为2.7，大于允许抗滑稳定系数1.25的要求，说明中墩的设计方案是合理可行的。

考虑到边墩结构设计的的复杂性，边墩稳定计算以正常运用时期为主要的考核指标，以顺水流向和垂直水流向两方面进行计算，计算结果见表2。

表2 边墩稳定计算成果

由表2可知，正常运用工况下的抗滑稳定系数为1.57，大于允许抗滑稳定系数1.25的要求，说明边墩的设计方案合理可行。

综合表1和表2计算结果可知，中墩与边墩的抗滑稳定安全系数均大于其允许安全系数，说明地基稳定安全符合标准。

5 结语

通过对吕梁市靳屯闸水文、地质等基本资料进行分析，按照工程安全、实用且节省投资的原则对靳屯闸的除险加固进行了优化设计，并通过地基稳定复核计算得出此设计方案是安全可靠的。目前，靳屯闸改造建设已经完成，在实际运行中经受了较大洪水的考验。实践证明，上述设计是合理可行的，可为类似的闸门技术改造提供一种新的思路。