李家桥节制闸重建工程闸型比选及水力计算

2021-07-09宋文燕范立群

水科学与工程技术 2021年3期

宋文燕，程刚，范立群

（德州市水利局，山东德州 253000）

1 工程概况

李家桥节制闸位于山东省德州市德城区马颊河干流中泓桩号157+827处，兴建于1970年10月，1971年7月竣工，为7孔开敞式钢筋混凝土框架式，设升卧式平板钢闸门。除险加固前，原闸总长84m，净宽70m，每孔净宽10m，闸底板高程15.55m。设计防洪流量658m3/s，相应闸上水位21.49m；排涝流量429m3/s，相应闸上水位20.17m。设计蓄水量780万m3，最大蓄水量1140万m3，是以蓄水灌溉为主，兼顾防洪排涝、输水调水等综合利用的中型水闸工程。水闸设计最大防洪流量为846m3/s，为Ⅲ等3级水工建筑物。

2 水闸病险现状及安全复核

李家桥节制闸已运行40余年，由于服役年限长、建设标准低、养护不到位等因素制约，水闸长期“带病超期超载”服役，存在严重安全问题［1］。防洪标准不满足《山东省海河流域综合规划》防洪标准，过流能力不满足要求；钢筋混凝土结构钢筋锈蚀严重，机架桥混凝土强度低；地基不均匀沉降，刺墙沉降缝开裂；水闸渗透变形，下游护坡塌陷；闸底板断裂或沉陷，部分闸孔底板异常涌水。

根据《山东省海河流域综合规划》防洪标准知：李家桥闸50年一遇防洪流量为846m3/s，20年一遇防洪流量为658m3/s。改造前（现状），李家桥闸设计标准为20年一遇，防洪流量为658m3/s、水闸最大可过流量为775m3/s，改造前防洪标准偏低，过流能力不满足50年一遇防洪流量846m3/s防洪要求。改造后，李家桥水闸防洪标准提高到50年一遇，水闸最大可过流量为900m3/s，大于50年一遇设计最大防洪流量846m3/s，防洪排涝安全可靠性高。

李家桥闸现状过流能力不满足要求；主体混凝土强度低于规范要求，不满足耐久性设计要求。经安全检测复核，鉴定为四类闸，采取正常维护和大修无法解决工程的老化病害，需报废重建。

3 节制闸重建设计方案

结合安全鉴定结果，将原李家桥闸拆除，原址上移8m重建。新闸布置在马颊河干流上，顺水流向避开原有桩位布置，垂直水流向交通桥轴线与现有交通道路中心线一致，增加水闸过流宽度以提高过流能力。

3.1 闸型方案比选

李家桥节制闸为桩基开敞式闸室，8孔，每孔净宽10m，中墩1.2m厚，边墩厚1.2m，总宽90.8m。拦蓄工程型式主要有直升式平板闸（提升闸）、底轴翻板钢闸（翻板闸）、橡胶坝3种，现结合李家桥节制闸工程特性，从技术、经济等方面进行对比分析，比选结果如表1。

表1 闸型方案技术经济分析比选结果

从表1可知，3种闸型从技术上均能满足李家桥节制闸的拦蓄灌溉、防洪排涝、输水调水等功能要求。综合考虑构建物布置、运行管理、检修维护、综合造价等因素，设计比选表明：八孔桩基开敞式平板闸方案虽阻水性相对较大，但相比翻板闸和橡胶坝方案，其水工结构简单、升降操作灵活、检修维护方便，且工程造价也较适中。设计推荐优选与工程匹配性更高、技术经济性更优的直升式平板闸闸型。

3.2 节制闸构建物布置

李家桥重建闸布置在主河槽内，为8孔桩基开敞式水闸，每孔净宽10.0m。闸墩为C25钢筋混凝土结构，墩墙厚1.2m，闸室总宽90.8m。底板为分离式平底板，顺水向长15m，底板顶高程为15.55m，桩基承台小底板间设永久止水缝。承台宽5m，厚1.5m，下设10根直径1.0m钢筋混凝土钻孔灌注桩，垂直水流向分两排布列，入土深18m。边墩下设17根直径0.8m钢筋混凝土钻孔灌注桩，入土深22m。小底板厚0.60m，承台与小底板上下游端均设深齿坎。闸墩顶设钢筋混凝土交通桥，净宽5.0m，长102.4m，采用装配式钢筋混凝土空心板结构。闸室两侧设刺墙，墙顶高程为23.35m。两侧设桥头堡，每个桥头堡共3层，内设柴油发电机室、配电室、启闭机集中控制室、渗压集中观测室等。上下游连接采用钢筋混凝土挡土墙结构。上、下游挡土墙顶部设防护石材栏杆。李家桥节制闸控制段立面布置如图1。

图1 李家桥节制闸立面图

上、下游连接段护坡下设碎石垫层15cm，闸室上游顺水流向分别为10，15m钢筋混凝土铺盖。两侧采用浆砌料石护坡，护坡顶高程21.05m。下游连接段由消力池、海漫、下游防冲槽及下游护坡组成。闸室下游依次布置20m钢筋混凝土消力池、35m浆砌石海漫、12m抛乱石防冲槽，抛石深度2.0m。两侧采用干砌料石护坡，护坡顶高程20.55m。

4 节制闸水力计算

4.1 改造后对河道防洪能力的影响

根据SL265—2016《水闸设计规范》采用平底闸堰流公式，对20年一遇和50年一遇洪水行洪条件下的过流能力和壅水情况进行计算［5-6］，结果如表2。

表2 李家桥节制闸改造前后壅水计算结果

经与防洪规划部门对接，确定改造后水闸壅水高度在允许范围内，河道行洪过流通畅、防洪能力得到提高。

4.2 消能防冲

由于李家桥节制闸属于平原地区的拦蓄闸，河床抗冲刷能力较低，所以采用底流式消能。考虑最不利开启闸门因素为第1次开启，假设下游无水或水深为0m时，试算得池深1.13m，池长17.399m。初定消力池池深1.2m，消力池前段为1∶4斜坡段，水平投影长5m，池长20m。闸门按照0.5m高度差逐级提升，计算得消力池特性参数分析结果如表3。

表3 消力池特性参数分析结果

根据表3计算成果，结合李家桥节制闸工程特性并参照同类已建工程经验，设计确定消能防冲设施尺寸为：池深1.2m，池长20m，底板厚0.5m，海漫长35m，防冲槽深度2m。

4.3 防渗措施

采用滞渗与导渗两种方法来进行防渗布置。闸室底板为钢筋混凝土结构，长15m，单靠闸室底板起防渗作用，渗径长度达不到计算值38.5m的要求。在闸室上游端增设钢筋混凝土铺盖，总长25m，并起阻滑板作用，渗径总长44.14m大于38.5m指标要求。边墩上游端两侧设有扶壁式弧形钢筋混凝土翼墙，以增强绕流防渗措施。闸室下游采用四级反滤加土工布导渗，水平向设一级导渗，设在消力池底部起首处，侧向导渗设在护坡底部，反滤层通过无砂混凝土排泄渗透水流。

4.4 稳定性分析

李家桥水闸为钢筋混凝土开敞式中型节制闸，设8孔10 m×5.5m（宽×高）的平板钢闸门，闸门底板顺水流方向长15m，承台宽5m，其底板为钢筋混凝土结构，墩高7.8m，厚1.2m。稳定性分析计算工况为：①完建期工况：无水； ②设计水位工况：闸上游水位20.08m，下游尾水位15.55m；③校核工况：闸上游水位20.55m，闸下游无水15.55m。边墩闸室计算顺水流和垂直水流两个方向的抗滑稳定安全性；而中墩闸室垂直水流向两侧平衡，故只计算顺水流向。边墩和中墩稳定性分析结果，如表4和表5。

表4 顺水流中墩稳定性分析结果

表5 顺(垂直)水流边墩稳定性分析结果

李家桥水闸为3级建筑物，沿闸室底面抗滑稳定安全系数的允许值基本组合时为1.25，特殊组合时为1.10，水闸在不同运行工况条件下的抗滑稳定系数均大于安全系数的允许值，满足规范要求。但边墩、中墩的基底应力均大于地基承载力允许值100kPa要求，需进行地基处理才能达到地基应力要求。采用钻孔灌注桩进行补强处理，即中墩桩长18m、边墩桩长22m进行桩基处理后，地基承载力达到160kPa，满足100kPa允许值要求。