双界河水闸结构设计探讨

2018-03-29詹育玄

水利技术监督 2018年1期

詹育玄

(深圳市水务规划设计院有限公司，广东深圳 518000)

水闸是水利工程中重要的水工建筑物，一个完整的水闸设计，包括水工结构设计、金属结构设计、电气设计和建筑结构设计等，通过各专业综合设计后施工、运行，发挥水闸工程效益。而水工结构的设计包括闸址选择、结构布置、效能防冲设计、防渗排水设计、闸室稳定性分析、闸底板和闸墩配筋计算等。广东珠三角地区属于冲积平原，地表约有10～20m的软弱土层，建设在软土地基上的水闸，需验算地基沉降，并采取有效的工程措施减少地基沉降。本文结合双界河水闸的工程设计实例，重点探讨水工结构设计中结构布置、稳定分析及地基处理的要点，以供同类工程参考。

1 概述

双界河水闸位于广东省深圳市宝安区境内，宝安大道桥与湖滨中路交叉口的河道上游侧。闸址上游为宝安、南山两区建成区，下游为前海合作区。

水闸功能为塑造景观水面，分隔上下游水体，保障上游河道受污染时不影响下游河道水质以及满足河道放干清淤检修的要求。水闸最大过闸流量为88.4m3/s，为小(1)型工程，即工程等别为Ⅳ等，相应建筑物级别为4级，考虑位于防洪(挡潮)堤上的水闸，其级别不得低于防洪(挡潮)堤的级别，确定水闸级别为2级。

2 工程地质

闸址处河道地层从上到下大致可以分为四层。

(1)淤泥：场地淤泥具微透水性，厚度约2.0～3.5m，呈流塑～软塑状，含水量平均为57%，压缩模量2.0MPa，承载力特征值为35kPa。

(2)淤泥质砂：淤泥质砂具中等透水性，厚度约0.5～2.0m，呈松散状，压缩模量5.0MPa，承载力特征值为60kPa。

(3)砾砂：砾砂具强透水性，厚度约0.5～1.5m，松散～稍密，压缩模量9.0MPa，承载力特征值为160kPa。

(4)残积土：残积土具弱透水性，厚度约12～16m，可塑～硬塑，压缩模量5.5MPa，承载力特征值为150kPa。

此外，河道堤身还分布着浮泥、素填土、砾砂等，成分复杂，厚度1.5～2.0m。

3 工程设计

3.1 结构布置

(1)上游铺盖段

铺盖的位置紧靠闸底板的上游，主要是延长渗径，并兼有防冲作用。根据我国已建水闸工程经验，防渗铺盖材料以混凝土、钢筋混凝土或粘土铺盖为主。双界河水闸采用0.5m厚的C30混凝土铺盖，经计算分析，顺水流方向长15m。

(2)闸室段

闸室段是水闸工程的主体，包括闸底板、闸墩、闸门、工作桥、交通桥等，应综合考虑水闸挡水、泄水和运行要求布置闸室。

初步设计确定水闸闸孔总净宽为27.0m，共分三孔，单孔宽皆为9.0m。闸墩厚度根据门槽深度和启闭机安装要求确定，边墩及中墩厚皆为2.0m，闸门轴线错位布置以减少闸墩厚度。闸室垂直水流方向总宽为35.0m，顺水流方向长取18.80m；底板高程0.05m，厚度为1.5m。根据金属闸门安装要求，门槽宽1.0m，二期混凝土预留槽宽1.0m，同时于水闸闸室上下游两侧分别设置检修闸槽，宽1.0m，二期混凝土预留槽宽1.0m。闸墩顶交通桥采用装配式预制简支桥，桥跨35.0m，桥面宽5.0m。

(3)消力池段

消力池的作用主要是消除过闸水流的能量，防止冲刷下游河床。效能形式主要有底流式、挑流式和面流式。

平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流消能方式。双界河水闸消力池拟采用底流式效能，下挖式结构。根据SL265- 2016《水闸设计规范》计算得消力池深度、长度分别取1.0m、15m，消力池混凝土底板间隔布置塑料排水管，用以加快下游多余渗水排走。

(4)下游海漫段

流出消力池的水流仍不稳定，为保护河床免受冲刷，需布置一定长度的海漫继续消除水流的余能。本工程水闸海漫段长18.0m，采用抛填块石1.0m厚。

3.2 闸室稳定性分析

闸室稳定计算，宜取永久缝间的独立闸段作为计算单元，本工程水闸纵横剖面图如图1、2所示。

图1 水闸纵断面图

图2 水闸横断面图

(1)计算工况

根据水闸功能确定排涝河口水闸的工况水位组合如下：

工况一，完建工况：闸上下游无水。

工况二，上游挡水工况：闸上游为景观蓄水位1.50m，下游无水。

工况三，下游挡水工况：闸上游无水，下游水位为多年平均潮水位为2.12m。

工况四，地震工况：闸上游为景观蓄水位1.50m，下游水位为多年平均潮位0.26m，发生地震，地震加速度顺水流方向。

(2)计算内容

分析计算水闸闸室的抗滑稳定，以及基底压力分布是否满足规范要求。

(3)计算结果

各工况基底压力分布不均匀系数均小于2.0，满足规范要求，工况二～工况四抗滑稳定系数均大于1.3，满足规范要求。经对比，各工况中最大压应力为工况三的基底最大压应力，即87.75kPa，故本工程水闸地基承载力以此值控制。具体见表1。

表1 计算结果汇总表

由于水闸基底处于淤泥土层，地基承载力不满足要求，需另行地基处理。

4 地基加固及防渗设计

闸基底土层主要为淤泥及淤泥质砂层，厚约2.0～4.0m，压缩性高，固结条件差，未能满足水闸承载力要求，为防止水闸基础较大的沉陷和不均匀沉陷，还应对水闸及其上下游结构基底处淤泥及淤泥质土的软弱地基进行处理，以提高地基的承载力、控制地基的沉降变形。

闸址地层从上往下依次为微透水淤泥层、中等透水淤泥质砂层和强透水砾砂层，水闸两侧素填土、填石为中等～强透水地层。

综合考虑造价、工期和地基沉降控制等因素，闸室结构采用水泥搅拌桩复合地基进行加固，桩径0.6m，间距0.8m，桩长6.0～7.0m；上游护底及消力池段，采用桩径0.6m，间距1.5m，桩长5.0m的搅拌桩加固软弱地基。并在闸室底板中部形成一道搅拌桩截水墙，桩顶伸入闸底板，根据计算，垂直防渗墙的深度采用6.0m且进入残积土不小于1.0m控制，布置方式为φ600@450，经搅拌桩桩截水后，水闸上下游基本无渗流，水闸地基不存在渗透破坏问题。同时为防止水流从边墩两侧饶渗，边墩底部采用双排旋喷桩处理。