三刘拦河闸除险加固工程设计及结构计算

何 丽，王珊珊

(德州市水利勘察设计研究院，山东 德州 253000)

1 工程概况

三刘拦河闸位于德州市陵城区马颊河干流210+000里程处，由山东省根治海河指挥部设计兴建，于1970年11月开工，1971年8月竣工，为11孔开敞式钢筋混凝土框架式结构。闸底板高程8.58 m，闸前堤顶高程15.81 m。设计防洪流量759 m3/s，相应闸上水位15.04 m；排涝流量496 m3/s，相应闸上水位13.61 m。设计蓄水量570×104m3，最大蓄水量610×104m3，属中型水闸。主要工程任务为蓄水灌溉，受益范围为林子镇、滋镇、翟家3个乡镇，设计灌溉面积0.266 7×104hm2，控制流域面积5 772 km2。按照《水闸设计规范》(SL265-2016)、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定，工程等别为Ⅲ等，拦河闸按3级建筑物设计。

2 工程现存主要问题

三刘拦河闸是以农业灌溉为主，兼顾生态环境等综合利用的中型水利工程，建成运行近40年，在防洪排涝和灌溉中发挥了巨大的作用，效益显著。水闸前后河道多年淤积，闸室前后淤积严重，河槽基本淤平，现状过流能力不足，严重影响排涝、泄洪和蓄水灌溉。闸墩和交通桥混凝土老化、碳化、开裂、破损、露筋，机架桥矮、闸门提不到设计高度危及闸室运行安全。闸门锈蚀、启闭机及附件工作性能差、电气及自动控制设备老化失修，闸门与闸墩间止水橡皮氧化破损、漏水严重。三刘闸现存典型问题见图1。

图1 三刘闸现存典型问题

根据水闸现状结构布置，闸基渗流异常值达到33 mV，渗透变形严重。闸底板断裂现状也证明闸基渗透变形严重，对闸室安全构成严重威胁。平板闸按堰流公式对三刘闸过流能力进行复核，结果表明：50年一遇设计防洪水位14.64 m，设计防洪流量900 m3/s，而水闸现状最大过闸流量为770.18 m3/s，水闸现状过流能力不满足要求。闸基现状防渗长度23.72 m小于规范计算的42.28 m要求，出口段渗透坡降0.867大于规范0.4～0.5指标要求，闸基防渗和渗流均不满足规范要求。水闸现状过流能力严重不足、闸基防渗及渗流性能差、闸墩钢筋混凝土结构强度不足、辅助设施老化严重等，急需进行详细除险加固处理，以恢复水闸正常的农业灌溉和防洪排涝功能[1-2]。

3 三刘拦河闸拆除重建设计

3.1 拆除重建方案优化比选

3.1.1 闸址比选

结合三刘拦河闸现状地形及地质水文条件，设计优选原闸址和引水闸闸址209+850笃马河河口附近两个闸址进行对比分析，见表1。

从表1可以看出，在原闸址位置拆除重建新闸具有地形地质适应性强、拆除料石重复利用、地基处理费用低、工程投资较少等优点，经技术、经济等因素综合分析，优选原闸址210+000处拆除重建方案。

表1 闸址选择方案对比

3.1.2 闸型比选

在原闸址210+000处通过拆除重建方式，恢复水闸农业灌溉和防洪排涝功能效益。综合考虑各方面因素，设计优选提升闸、底轴翻板钢闸、橡胶坝3种闸型进行比选，见表2。

表2 闸型选择方案对比

从表2可以看出，3种闸型均能满足工程拦蓄灌溉和防洪排涝功能。综合比选表明，提升闸方案虽阻水性能较大，但相比另外两个方案其运行灵活、检修维护便捷、使用寿命长，且投资也较适中，因此优选提升闸闸型。

3.2 拦河闸构建物布置

三刘拦河闸设计蓄水位13.08 m，蓄水量570×104m3；最大蓄水位13.58 m，蓄水量610×104m3；排涝流量496 m3/s，防洪流量900 m3/s。

3.2.1 闸底板高程确定

闸底板高程应根据河底高程、水流、泥沙、闸址地形、闸址地质等条件，结合选用的堰型、门型，经技术经济比较确定。三刘拦河闸为除险加固工程，因此闸底板高程与原闸底板高程齐平，即与河底高程齐平,高程为8.58 m。

3.2.2 结构布置

拦河闸布置在主河槽内，为桩基开敞式闸室，8孔，每孔净宽10 m，中墩厚1.2 m，边墩厚1.0 m，总宽88.4 m。底板为分离式平底板，顺水向长15 m，顶面高程为8.58 m，与小底板间设永久止水缝。承台宽5 m，厚1.5 m，下设12根直径1.0 m钢筋混凝土钻孔灌注桩，垂直水流向分两排布列，入土深28 m。小底板厚0.70 m。

闸室中部闸墩侧设76 cm×35 cm(宽×深)闸门槽，置10 m×5 m双吊点平板钢闸门，其上游侧设60 cm×30 cm检修工作门槽，钢结构叠梁平板门，可在水深4.5 m以下进行检修；中墩墩身上下游均设半圆墩头。闸墩顶高程16.08 m，上游侧设宽1.2 m工作桥。

闸上游连接段由铺盖、上游护坡组成。C25钢筋砼铺盖长25.0 m、宽88.4 m，厚0.5 m，两岸采用M10浆砌石护坡和C25钢筋砼弧形翼墙。上游护坡顶高程15.58 m。闸下游连接段由反滤盖板、消力池、海漫、下游防冲槽及下游护坡组成。消力池为C25钢筋混凝土结构，池深1.2 m，宽88.4 m，总长20.0 m，底板厚0.5 m；其后为长35 m的M10浆砌块石海漫，海漫顶高程8.58 m，护砌厚度0.4 m；海漫下游为抛石防冲槽，顺水流长度为1.2 m，抛石深度2.0 m，两侧采用M10浆砌石护坡。下游护坡顶高程15.58 m。消力池、海漫和抛石防冲槽两侧均采用M10浆砌石护坡。

4 拦河闸构建物设计计算

4.1 过流能力计算

50年一遇设计防洪水位14.64 m，设计防洪流量900 m3/s。按照《水闸设计规范》(SL 265-2016)要求[3-4]，平原地区水闸过闸的上下游水位差可采用0.1～0.3 m，设计选定B0=80 m为宜，相应上下游水头差为防洪时期Z=0.129 m，相应闸前水位为14.769 m；校核时期Z=0.183 m，相应闸前水位为14.823 m。设计闸底板高程8.58 m，8孔，每孔净宽10 m，闸门高5 m，闸孔净宽80 m。在设计流量900 m3/s时，取行进流速为1.29 m/s，上下游水位差取0.183 m，此时闸孔过流能力为1 076.38 m3/s，大于900 m3/s，水闸过流能力满足要求。

4.2 水闸改造后对河道防洪能力的影响

采用平底闸堰流处于高淹没度条件，在不同行洪流量工况下分别进行分析，计算得到三刘闸改造后壅水结果，见表3。

从表3可知，水闸改造后闸前水深加大，闸前淤积得到处理，蓄水能力扩大[5]；闸孔总净宽由改造前61.6 m增加至80 m，水闸行洪断面增大，行洪能力增加；壅水高度较改造前减小，泄水水流受阻阻力降低，行洪过流通畅。

表3 水闸改造前后壅水计算成果

4.3 消能计算

水闸下游河道主河槽近似为梯形断面，渠底宽35 m，边坡1∶2.5，比降1/6 600，糙率选用0.025，水位流量关系按明渠均匀流进行分析。闸门不同开启高度水力特性见表4。

表4 消力池水力特性计算成果

根据表4计算成果，海漫计算得34.68 m，冲刷深度计算得d′=6.54 m。参照水闸设计规范条文说明防冲槽计算值一般较大[6]，如按6.54 m作为防冲槽深度，既不经济，施工也困难，工程经验一般取防冲坑深度1.5～2.0 m。由计算结果结合工程实际情况并参照同类已建工程经验，设计优选消能防冲设施尺寸为：消力池深度为1.2 m，池长14.2 m，底板厚0.5 m，海漫长35 m，防冲槽深度2 m。

4.4 闸室稳定性分析

闸基采用混凝土灌注桩基，分离式小底板，上部荷载通过承台由桩基承担[7]。闸室稳定性分析计算工况为：①完建无水工况:地下水位在承台以下；②设计蓄水位工况:上游挡水高程13.08 m，下游尾水高程8.580 m，排水有效；③校核蓄水位工况:上游挡水高程13.58 m，下游尾水高程8.580 m，排水有效。按《水闸设计规范》(SL 265-2016)推荐公式,计算得三刘拦河闸闸室和闸墩稳定性分析成果，见表5和表6。

表5 闸室稳定性计算成果

表6 闸墩抗滑稳定性计算成果

从表5和表6可知，不同运用工况条件下，闸室地基应力均大于300 kPa指标。闸室段抗滑稳定安全系数均大于规范要求的1.25允许值，满足规范要求。

5 结 论

三刘拦河闸是陵城区重要的拦蓄灌溉和防洪排涝工程。由于受当时设计标准偏低、施工质量较差和管理维护措施落实不到位等因素的影响，加上近40年运行，拦河闸存在闸前后河道和闸室前后淤积、泄流能力不足；闸墩混凝土碳化漏筋、结构稳定性差；过流净宽不足、泄洪排涝不畅；防渗止水老化缺失、渗漏严重等问题，急需通过详细计算分析优选合适除险加固改造方案，以恢复拦河闸的蓄水灌溉和防洪排涝功能。

根据拦河闸现存主要问题、河段地形地貌和闸室结构，结合调洪分析成果，优选地形地质适应性强、施工便捷和工程投资较经济的原闸址拆除重建方案和提升闸闸型。通过原闸址拆除重建工程的实施，拦河闸不仅闸前水深增加，河水拦蓄能力增大，可为灌区农业生产提供可靠、足量水资源。同时，闸孔净宽增加，壅水高度降低，闸自身防洪排涝性能增大，泄水阻力降低行洪过流通畅，避免上游洪水漫堤，确保两岸居民人身财产安全。