姚庄闸除险加固工程总体布置与设计

魏 玲 陈亚军

一、工程概况

姚庄闸位于沂河支流白马河上重要节制闸，承担上游441.29km2行洪、28.76km2排涝和周边5.03万亩农田的抗旱灌溉任务。该闸设计标准为10年一遇设计、20年一遇校核，最大流量为553m3/s，工程等别为Ⅲ等，规模为中型。水闸设计采用7孔6m升卧式闸门漫水闸结构，闸上及两侧采用高架桥与堤防连接。该水闸在设计细节上，采用工厂化生产的专利产品——止水接头，既能确保质量又方便施工，对类似工程具有一定的参考价值。

二、地质情况

姚庄闸工程场地位于郯庐断裂带西侧边缘地带，由于郯庐断裂带的影响，区域构造稳定性相对较差。根据《中国地震动参数区划图》，场地地震动峰值加速度为0.20g，相应场地基本地震烈度Ⅷ度。由于场地受郯庐断裂构造活动性的影响，抗震稳定性差，工程位于抗震不利地段。

场地地下水类型为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。地下水主要接受大气降水以及河流等地表水的入渗补给，地下水水位一般在27.50～25.70m，受季节性降水影响，年变幅2.0～3.0m。场地内第①层壤土、①-1层淤泥质壤土透水性相对较弱，为场地内相对隔水层。第③层含砂姜粘土的富水性和透水性与砂姜的富集程度与埋藏条件有关。

根据钻孔揭露，场地揭露地层为冲洪积地层，根据土层岩性、时代及工程性质可分为4层（不含夹层），自上而下分述如下：（A）层素填土（Qml）为回填土，壤土混粉土、粉砂，局部为淤泥质土，夹粗砂粒、小砂姜。①-1层淤泥质壤土（Q4al+pl）局部夹粉砂层，该层为①层壤土夹层，该层土质软弱，压缩性高，承载力低，建议允许承载力为70 kPa，该层不经处理不宜直接作为建筑物持力层。①层壤土（Q4al+pl）夹粉土、粉砂薄层，夹粗砂粒，该层土质不均匀，局部偏软，压缩性中等偏高，建议允许承载力为110 kPa。②-1层砂壤土夹粉砂（Q4al+pl）局部为粉砂，夹较多壤土层，局部呈互层状，该层松散，土质不均匀，防渗抗冲能力差，易发生渗透变形破坏，且为地震液化土层，建议允许承载力为90kPa。②层中粗砂（Q4al+pl）夹壤土层，该层稍密～中密，饱和，防渗抗冲能力差，易发生渗透变形破坏，且为地震液化土层，建议允许承载力为140kPa。③层含砂姜粘土（Q3al+pl）夹较多粗砂层，砂层厚0.1～0.5m，夹小豆状FeMn结核及粗砂粒，夹砂姜，砂姜局部富集，砂姜直径1～10cm不等，该层分布稳定，厚度大，压缩性中等偏低，工程性质较好，建议允许承载力为250 kPa。

三、方案比选

方案一（采用漫水闸+高架桥方案）：开敞式钢筋混凝土水闸，闸门采用升卧式闸门。闸室共7孔，每孔净宽为6m。工作桥、检修便桥布置在闸室上游侧，交通桥布置在闸室下游侧，两侧与堤防连接采用高架桥。

方案二（漫水闸+连接道路方案）：中间为漫水闸，闸室共7孔，每孔净宽为6m。两侧连接段采用土方回填连接，闸上交通桥梁底高程按照20年一遇洪水位加0.5m，两端连接道路路面高程按照桥面确定，接近堤防段放纵坡。

方案三（高闸方案）：开敞式钢筋混凝土水闸，闸室共7孔，每孔净宽为7m，闸门采用直升闸门。两侧采用道路与堤防相连。

三个方案经过比选（见表1），设计采用方案一，即7孔6m漫水闸+高架桥方案。

四、水闸总体布置

姚庄闸总体布置上顺水流向中心线基本与河道中心线一致，两侧连接段采用引桥与左右两岸相衔接。由于该闸所在河段河面开阔、排涝水位和行洪水位相差较大，经调查，该闸附近缺少优质土源用来进行回填，需要征地或外购，难度较大。因此采用满足灌溉蓄水位和排涝水位要求，采用漫水闸方案，该方案行洪时可从水闸和滩面同时行洪，其最大优点是能超标准洪水行洪；同时考虑该地区处于地震高烈度区，为防止闸门阻水和降低工作桥高度，采用升卧式闸门。另外，考虑该闸处于紧邻镇政府所在地，为交通频繁地段，为保证该河道行洪期间的防汛抢险且不中断当地交通，闸两侧连接段采用高架桥方案。桥梁梁底高程按照20年一遇洪水位加0.5m安全超高确定。

五、水闸设计

姚庄闸闸室共7孔，每孔为6m净宽，共3联，其中中间3孔1联，两边侧2孔1联。工作桥、检修便桥布置在闸室上游侧，交通桥布置在闸室下游侧，闸室两侧设置管理房和控制室。

闸室底板顶高程23.50m（废黄河高程系，下同），底板底高程22.50m，闸顶高程28.70m，闸室底板顺水流方向长16.0m，垂直水流方向总长51.84m，检修桥桥面高程为28.70m，宽2m；闸上交通桥设计荷载标准：公路—Ⅱ级，桥面高程为32.07m，桥面宽度为净7.5m+2×0.5m，桥板采用预制混凝土空心桥板，桥板跨径随闸室尺寸，分别为7.06m、6.96m；闸两侧引桥设计荷载标准：公路—Ⅱ级，桥面高程为32.07m，桥面宽度为净7.5m+2×0.5mm，桥板采用10m跨预制混凝土空心桥板，双柱排架式结构，基础采用直径80cm灌注桩基础，桥台采用桩柱+挡土墙组合式桥台；上游铺盖采用钢筋混凝土铺盖，长13m，下游钢筋混凝土消力池，水平段共长20m，池深1.5m，下游混凝土海漫长50m；水闸末端设2m深防冲槽；闸上、下游河道护砌：护底为现浇混凝土，护坡为预制混凝土块；水闸范围内滩面及堤防内护坡采用植草砖进行护砌；闸上、下游翼墙平面布置采用直线加圆弧组合的布置型式，紧挨闸室第一、二、三节翼墙采用钢筋混凝土扶壁式翼墙，闸上翼墙底板底高程23.00m，闸下翼墙底板底高程20.90m，第四节翼墙采用钢筋混凝土悬臂式翼墙，闸上底板底高程23.00～26.00m，闸下底板底高程22.60～27.10m。

在闸室两侧设桥头堡，用作中控室兼管理房（赔偿原管理房），为板梁柱结构，平面尺寸为12.45m×6.0m，共两层。升卧式主闸门采用5.96m×4.4m平面闸门，配QPQ-280kN双吊点卷扬式启闭机7台套，配套电机功率为7.5kW。另设检修钢闸门一套，配30kN双吊点电动葫芦1台。由于该闸底板坐落在第②-1层砂壤土夹粉砂层上，该层为地震液化土层。该工程采用换填12%水泥土进行换基处理，压实度不小于0.95。

表1 各方案优缺点比较表

姚庄闸工程闸室布置根据上部结构功能要求进行布置，根据计算，该建筑物的双向抗滑、地基应力和不均匀系数方面均满足规范要求，其最不利计算工况由地震期不均匀系数控制。

根据水闸上下游水位、下游Q～H曲线、闸门开度等，经计算，在小流量（65m3/s）时，消力池计算深度最深（1.35m）；在较大流量（451.7m3/s）时，消力池计算长度最长（18.9m）；在最大流量（553m3/s）时，消力池计算厚度最厚（0.8m）。根据闸单宽流量、上下游水位和地质情况等，经计算，海漫长度最长为48m，海漫末端河床冲刷深度计算最深为3.8m，均满足设计要求。

六、结语

姚庄闸紧邻镇区，是地震烈度较大、正常挡水和行洪水位相差较大的水闸，再加上山区可能超标准来水，因此在水闸总体布置要统筹考虑。该闸在设计时，考虑其位于8度地震区，采取升卧式闸门方案，可显著降低排架高度，有利于抗震；闸室底板段的检修门槽和主门槽间墩墙范围内，内侧由上往下渐变缩小了2cm，形成上大下小的楔形结构，止水效果较好且便于运行管理。在设计中，水平止水之间、水平与垂直止水连接均采用定型连接接头（类似于管路的三通接头），既能保证施工质量，止水效果好，又能提高施工效率。目前水平止水连接装置已取得国家实用新型专利；垂直止水与水平止水的连接装置已由国家知识产权局受理，正在办理。该工程设计成果对今后徐州东北部沂蒙山区来水片区的水闸设计具有一定的借鉴作用