淠河总干渠戚家桥泄水闸拆除重建工程设计

李国齐

(安徽省淠史杭灌区管理总局设计院，安徽 合肥 230000)

戚家桥泄水闸已运行50余年， 2009-03月进行了安全检测和鉴定，鉴定结论如下：① 水闸闸墩为浆砌石结构，风化严重，不满足抗震强度安全要求；② 闸室混凝土结构破损开裂，钢筋锈蚀严重；③ 下游翼墙基底应力不满足规范要求；④ 消力池长度、深度均不满足要求，无防冲槽；⑤ 钢闸门及门槽埋件锈蚀严重，启闭机设备老化；⑥ 无观测设施，管理设施陈旧简陋。

按照《水闸安全鉴定规定》规定，戚家桥泄水闸评定为(三)类闸，拟对该闸进行拆除重建。

1 工程布置及主要建筑物设计

1.1 闸址选择

根据工程地质勘探报告，该闸址工程地质条件较好，闸址建基面位于②层粘土夹粉质粘土上，承载力较高，渗透性弱。原址重建可以利用原泄水通道，减少大量土方开挖和工程占地，节约工程投资，故本次设计拟在原闸址进行拆除重建。

1.2 建设方案比选

(1)闸室结构型式比选。考虑到闸上水头较高，设计拟定开敞式和潜孔式2种闸室型式进行技术经济比较，如表1所列。

表1 戚家桥泄水闸闸室结构经济比较表

注：2方案相同项目工程量未列入比较范围。

根据上述比较结果，潜孔式闸室方案存在工程投资较省、操作运行方便、可靠性高等优势，故本设计确定采用方案2潜孔式闸室结构。

(2)底槛高程选择。本次戚家桥泄水闸加固方案为原址拆除重建，原闸坎高程47.33m，与上下游渠底高程衔接顺畅，且原闸基座落在粉质粘土层，其下为细砂层，不宜作为闸室基础，故选择闸底槛高程不变。

(3)闸孔净宽比选。闸槛高程确定后，根据水闸的设计流量及水位，计算确定闸室净宽14m，考虑选择多孔闸。为便于闸门的对称开启，使水闸水流均匀，闸孔数以单数为好，因此选择3孔和5孔2种方案进行技术经济比较。

表2 闸孔孔径技术经济比较表

注：2方案相同项目工程量未列入比较范围。

以上2种孔径均能满足过流要求，方案2投资较大，因此本设计选用方案1。

(4)闸室底板结构型式比选。戚家桥泄水闸闸基为土基，闸室底板总宽度19.4m，闸顶设有交通桥，桥面板厚度较大，整体结构受力条件较好，闸室横剖面可作为箱涵框架考虑，根据《水工钢筋混凝土设计规范》混凝土结构伸缩缝最大间距可达30m，故闸室底板采用整体式结构。

1.3 水闸总体布置

1.3.1 闸室布置

(1)底板结构布置。闸室基础为土基，为有效减小边墙2侧土压力的影响，闸室底板采用箱涵式整体结构，3孔1联。

(2)闸墩结构布置。为满足闸室稳定要求，增加闸室有效重量和获得较理想的闸室流态，闸墩采用钢筋混凝土实体结构，其长度与闸室底板等长，中墩厚度根据主门槽及启闭机台排架柱的布置要求确定为1.0m，上、下游作成圆弧形墩头，以改善闸室上下游流态。边墩设计充分考虑两侧土压力荷载影响，由于本闸室为箱涵式整体结构，受力条件较好，边墩厚度取1.0m。

(3)闸门及启闭台。该闸座落在粉质粘土上，综合考虑闸址和两岸连接道路情况，将工作门、启闭机台布置在下游侧，交通桥布置在上游侧。工作闸门选用直升式露顶平板定轮钢闸门，在工作门上游侧布置检修门槽。胸墙顶与闸门齐平，与闸墩固结，增加闸室结构横向刚度。

(4)闸上交通桥和检修便桥。考虑到与现状闸顶交通桥两岸道路的顺畅连接，闸上交通桥布置在闸室上游侧，与闸墩整浇，桥面宽6.0m，梁板式结构，在工作门前后均布置检修便桥。

(5)桥头堡布置。桥头堡紧邻左右边墩布置，采用空箱式岸墙基础，桥头堡内布置监控室。

1.3.2 地下轮廓布置

水闸地下轮廓线的长度取决于闸基的地质条件和水闸上下游水位差等因素，闸基防渗长度参照土基水闸闸基防渗长度式(1)计算：

L=C×ΔH

(1)

该上下游最大水头差4.6m，闸基防渗长度需23m，闸基实际防渗长度为30.9m，满足防渗要求。

1.3.3 消能防冲布置

闸下消能设施一般有挖深式、尾坎式和综合式，本次设计采用综合式消力池，消力池末端设干砌石海漫和防冲槽。

1.3.4 两岸连接布置

根据地形情况，上游两侧翼墙采用圆弧形重力式毛石混凝土挡墙，墙高5.0m，顺水流向长10.0m。

闸室下游翼墙采用C25钢筋混凝土扶臂式结构，墙高6.60m，垂直水流向长12.6m。

1.3.5 观测设施布置

为监测水闸的工作状态，本工程设置了水位标尺、沉降标点、测压管等观测设施。

1.4 水力设计

1.4.1 过流能力复核

表3 戚家桥泄水闸过流量计算成果表

1.4.2 消能防冲计算

水闸消能防冲计算应根据该闸实际功能和后期运行调度工况，选取最恶劣工况进行控制计算。

(1)消力池池深计算。消力池设计初拟尾坎式消能工进行试算，水跃计算利用《水闸设计规范》附录B公式计算。

(2)消力池长度。消力池长度采用式(2)计算：

Lsj=Ls+βLj

(2)

Lj=6.9(h〃c-hc)

(3)消力池底板厚度。消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求按以式(3)、式(4)计算，并取其最大值：

(3)

(4)

(4)海漫长度计算。海漫长度按式(5)计算：

(5)

(5)河床冲刷坑深度计算。海漫末端的河床冲刷坑深度按式(6)计算

(6)

上游铺盖首段冲刷深度：

(7)

通过计算，消能防冲设计计算值与设计值对照如表3所列。

表3 戚家桥泄水闸消能防冲计算成果表

根据以上计算结果，设计布置的消力池长、墙高、底板厚度及海漫长度、防冲槽深度均满足要求。

1.5 稳定计算

1.5.1 闸室抗滑稳定验算

为了保证水闸的稳定性，故需对闸室稳定进行校核。

(1)抗滑稳定计算。抗滑稳定安全系数kc按式(8)计算:

kc=f∑G/∑H

(8)

(2)闸室基底应力计算。闸室基底应力P按式(9)计算:

P=∑G/A±∑M/W

(9)

(3)地震惯性力的计算。采用拟静力法计算地震惯性力，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值按式(10)计算:

F1=αhεGE1α1/g

(10)

表4 闸室稳定计算成果表

计算结果表明,闸室基底应力小于地基承载力，抗滑稳定安全系数大于规范允许值，满足规范要求。

1.5.2 闸室抗浮稳定验算

当闸室设有两道检修闸门或只设一道检修闸门，利用工作闸门与检修闸门进行检修时，应进行闸室抗浮稳定计算。计算公式如式(11)：

Kf=∑V/∑U (11)

计算结果表明，闸室抗浮稳定满足要求。

1.5.3 翼墙稳定计算

选取最大墙高处作为典型计算剖面，计算结果如表6、表7所列。

表6 上游毛石挡土墙稳定计算成果表

表7 下游扶壁挡土墙稳定计算成果表

经计算，戚家桥泄水闸挡土墙抗滑、抗倾稳定及基底应力均满足规范要求。

2 结束语

安徽省水利厅以皖水基涵[2012]166号文对戚家桥泄水闸拆除重建工程进行了批复，批复总投资914万元，工程于2012-09月开工建设，2013-12月通过省水利厅组织的竣工验收并投入运行，工程质量优良。该项目的实施在防洪减灾及改善灌溉面积方面每年直接经济效益215万元，投资回收期12年，工程效益十分可观。