息县枢纽闸室设计研究

2021-02-25杨子江

治淮 2021年1期

冯帅杨子江欧勇

（1.国家投资项目评审中心北京 100037 2.中水淮河规划设计研究有限公司合肥 230601）

1 工程概况

息县枢纽是2019年开工建设的河南省大别山革命老区引淮供水灌溉工程三大主要建设内容之一，同时也是河南省大别山革命老区引淮供水灌溉工程的控制性工程。息县枢纽位于淮河干流息县水文站下游约6.7km 处，上游距出山店水库坝址约130km，下游距省界王家坝约100km。息县枢纽具有城镇供水、农业灌溉和改善生态环境等综合功能，其中城镇供水范围为息县、潢川两县县城，灌溉范围涉及息县、淮滨两县沿淮35.7 万亩灌区。息县枢纽正常蓄水位39.2m，蓄水库容1.2 亿m³，兴利库容0.92亿m³，多年平均供水量1.65 亿m3，其中向城市供水1.03 亿m3，灌溉供水0.62 亿m3。

2 建筑物级别及设计标准

息县枢纽位于淮河干流，设计洪水流量9300 m3/s，校核洪水流量15600m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定主要建筑物级别为1 级，次要建筑物级别为3 级；设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准200年一遇。

3 枢纽位置

息县枢纽选址位于淮河息县水文站下游约6.7km 处，此处河底宽240～420m，闸址上、下游河底高程25～29.5m，局部采砂坑底高程19.0m。闸址上游有河滩地，宽70.0～120.0m，地面高程31.5～35.0m，其他处无滩地。右岸一级阶地地面高程36.5～41.0m，团山、伊山等低山丘陵区地面高程43.0～64.0m；左岸为冲洪积平原，地面高程37.5～41.0m。息县枢纽布置在淮河主槽内，结合地形地质条件，选择全深孔闸行洪方案。

4 闸室设计

4.1 闸槛高程比选

闸槛高程的确定应满足蓄水、泄洪等功能，并结合上、下游河道高程和河道纵坡进行多方案比选。息县枢纽闸槛高程比选方案如表1所示。3 个方案的过闸落差均为0.2m。

息县枢纽节制闸下游河床土质为中粗砂，两岸边坡土质为轻粉质壤土、粉细砂及中粗砂，抗冲能力较差。本工程河床土层水力半径为1m 时的抗冲流速取0.7m/s，设计水深情况下允许不冲流速计算结果为1.72m/s。从表1中可以看出，方案1 校核洪水下游河道流速1.78m/s 大于允许不冲流速，不满足要求。故重点对方案2 和方案3 进行技术经济比选。从土方填挖工程量、基础处理和工程占地方面进行比较，方案2 均占优。经测算，方案2 可比投资54492 万元小于方案3 可比投资57214 万元。结合工程安全和技术经济分析综合比较，息县枢纽闸槛高程推荐采用方案2，闸槛高程确定为29.0m。

4.2 闸孔孔径比选

根据确定的闸槛高程，通过水力计算确定闸室总净宽需383m。节制闸正常挡水高10.2m，结合淮河干流已建大型水闸运行情况，选取单孔净宽10.0m×39 孔、15.0m×26 孔和20.0m×20 孔3 种不同孔径方案进行比选，比选情况如表2所示。3 个方案的过流能力均满足要求，方案3 超泄能力相对较大。就温度控制和启闭机房大梁施工难度两项，均是方案1 占优，方案3 难度较大，方案2 介于两者之间。从可比投资看，方案2 ＜方案1 ＜方案3。综合比较分析，推荐采用方案2，即孔径为15m。

4.3 闸室结构比选

息县枢纽节制闸具有蓄水和泄洪功能，闸室宜采用开敞式，常用的闸室结构型式有整体式和分离式。闸室结构型式选择整体式结构和分离式大小底板结构，结合不同的地基基础处理方案进行综合比选。

方案1：整体式结构。闸底板采用整体式结构，闸总净宽390m，单孔净宽15.0m，共26 孔，2 孔一联，共13 联。每联在闸墩处分缝，中墩厚2.5m，边墩及缝墩均厚1.8m，每块底板垂直水流向宽36.1m，闸室总宽469.3m。边墩与岸墙之间以永久缝分隔，使边墩不受侧向土压力的作用。闸室上部布置有检修桥、工作桥和公路桥，工作桥顶部布置启闭机房，两侧岸墙顶部布置桥头堡。闸室地基采用振冲挤密砂桩加固，桩径1.0m，桩间距1.9m，平面上桩呈三角形布置，置换率25%。上游护底、铺盖和下游的消力池、海漫也采用挤密砂桩进行处理，桩径1.0m，桩间距2.5m，三角形布置。闸室范围桩顶换填2.0m厚水泥土褥垫层，兼顾防止基础接触冲刷。

表1 闸槛高程比选方案参数表

表2 闸孔孔径比选情况表

方案2：分离式结构。闸底板采用分离式结构，大、小底板垂直水流方向宽度分别为8.5m 和9.0m，两侧岸墙兼作闸室边墙。闸孔净宽15m，墩厚2.5m。闸室总宽457.5m。分离式大底板基底应力大，拟采用灌注桩群桩基础，灌注桩桩径1.2m，桩间距3.0m，桩长15.0m。为防止大、小底板不均匀沉降，小底板基础范围也采用灌注桩群桩基础，桩径0.6m，桩间距3.0m，桩长12.0m。为防止混凝土底板接触冲刷破坏，闸底板换填1.0m 厚水泥土。上游护底、铺盖和下游的消力池、海漫采用挤密砂桩进行处理，桩径1.0m，桩间距2.5m，三角形布置。

方案1 结构整体性好，不易产生不均匀性沉降，地基处理措施简单，工期较短，缺点是占地较多；方案2 占地较少，但易产生不均匀性沉降，结构整体性较差，桩基础处理工艺较复杂，施工周期较长，不利于工程度汛。息县枢纽闸门长期处于挡水状态，且水头较高，若遇紧急情况因不均匀沉降造成弧门无法开启，将造成不可估量的损失。整体式闸室结构能更好地适应地基的沉降，即使缝墩两侧发生不均匀沉降，也不影响闸门启闭。如采用分离式闸室结构，地基承载力要求较高，结构整体性较差，本闸单孔净宽达15.0m，虽采用灌注桩进行处理，底板分缝间仍易产生不均匀沉降，影响闸门启闭。综合分析，息县枢纽闸室采用方案1，闸室确定为整体式结构。

4.4 闸顶高程确定

节制闸正常蓄水位为39.20m，设计洪水位43.82m（50年一遇），校核洪水位45.05m（200年一遇），根据波浪计算成果及水闸安全超高取值，计算结果如表3所示。闸顶高程计算值为46.05m。根据《水闸设计规范》，工作桥、检修桥和交通桥的梁底高程均应高出最高洪水位0.5m。息县枢纽检修桥梁高1.7m，为满足梁底超高要求，综合考虑，闸顶高程确定为47.30m。