齐河县刘连闸除险加固工程设计

兰 强

(山东新汇建设集团有限公司，山东 东营 257000)

1 引言

我国早期修建了大量水闸以改善水资源时空分布差异性大的问题[1-3]，受限于当时的科技、经济水平，工程建设质量较差，在使用过程中出现了安全隐患，对水闸作用的发挥和水利工程的安全带来了较大的威胁[4-6]，针对这类水库采用加固处理措施是十分必要的[7-9]。

刘连闸兴建于1978年，闸总长62.4 m，净宽46.4 m。底板高程14.03 m，设计蓄水量269万m3，设计蓄水位18.03 m，设计灌溉面积3万亩。

2 兴利调节复核

该闸设计灌溉面积3万亩,农业灌溉定额P=50%，净灌溉定额=195 m3/亩，水利用系数为0.66(渠灌为0.60,井灌为0.82)，需水量885万m3，作物种植比例为小麦0.9，玉米0.6，棉花(包含经济作物)0.2，复种指数1.7，全年灌溉用水量过程见表1。

表1 全年灌溉用水量过程表

蒸发损失采用净蒸发损失，即蒸发减降雨。渗漏损失与水闸防渗措施和地质条件有关。蒸发渗漏水量按水闸月末蓄水量的1.5%估算。

根据灌溉用水需要进行P=50%保证率下的调蓄计算，未引黄情况下，兴利调节计算见表2。

经过计算，刘连闸设计最大蓄水量为269万m3，可提供的灌溉用水量为336万m3，可满足灌溉面积1.14万亩。实际运行中，潘庄灌区引黄水与上游来水联合调度，灌溉水量不足部分由黄河水解决。

表2 兴利调节计算表(未引黄情况下) 单位：万m3

3 水闸除险加固工程设计

3.1 闸型比选

拦蓄工程型式主要有提升闸、底轴翻板钢闸、橡胶坝三种，现对这三种方案进行比选。

3.1.1 提升闸方案

拦河闸位于主河槽内，中间三孔一联，两侧两孔一联，闸孔净宽6.0 m。

方案一控制段见图1。

3.1.2 底轴翻板钢闸方案

拦河闸布置在主河槽内，共设1孔，总净宽42 m，液压启闭机。底板为折线型，顶高程13.15 m～14.15 m，顺水流方向长13 m，宽51.3 m，分两联。中墩及边墩为C25钢筋砼空箱结构，内置液压启闭设备等，边墩宽4.65 m。闸门为钢制底轴翻板门，设计挡水位为18.03 m，门顶考虑超高后顶高程为18.35 m。

图1 方案一水闸简图

闸室下游消力池段布设交通桥。C30钢筋砼交通桥面净宽5.0 m，桥面高程21.13 m。交通桥总长86 m(包括两岸各8 m长桥头搭板)共7孔，每孔净宽10 m，均采用装配式钢筋混凝土空心板结构。桥墩为直径1.2 m的双排C25钢筋砼圆柱，下设桩基。

上下游连接段及渡槽布置同提升闸方案。

方案二控制段见图2。

图2 方案二简图

3.1.3 橡胶坝方案

橡胶坝布置在主河槽内，设1孔，净宽42 m，坝底板顺水流方向长12 m，宽42 m，分两联。

方案三控制段见图3。

图3 方案三简图

三个方案对比分析见表3。

表3 闸型方案比选分析表

从以上三个方案综合对比分析，本工程选用提升闸方案。

3.2 闸室结构及闸孔设计方案

在保证闸孔总净宽不变的前提下，设计不同孔径、孔数的三种闸型进行方案比选。

(1)方案一

改建闸室部分共10孔，采用整体式底板，中间为4孔一联，两侧为3孔一联。

(2)方案二

改建闸室部分共7孔，采用整体式底板，中间为3孔一联，两侧为2孔一联。

(3)方案三

改建闸室部分共4孔，每孔净宽10.5 m，闸墩、承台、底板均为钢筋混凝土结构，闸底板为分离式底板，大底板兼做桩基承台，顺水流方向长13 m，闸室总宽48 m。

由于采用原设计标准过闸流量不变，上下游连接段基本相同，现仅对闸室部分进行方案比选。见表4。

表4 闸孔设计方案比选参数表

经过各项因素综合考虑，拟选择方案二为建设方案。

3.3 水闸改造后行洪能力分析

采用平底闸堰流处于高淹没度时的公式计算，改造前后壅水结果，见表5、表6。分析刘连闸改造前后对河道防洪能力的影响。

表5 刘连闸改造前壅水计算结果

表6 刘连闸改造后壅水计算结果

经计算，刘连闸改造后壅水高度略高于改造前，经与防洪规划部门沟通，确定改造后的水闸壅水高度在允许范围内。

3.4 闸室稳定性计算

刘连闸为钢筋混凝土开敞式中型水闸，闸室总长51.24 m，设7孔6 m×4.2 m(宽×高)的平板钢闸门。底板为钢筋混凝土整体式底板，分三联。底板厚1.2 m，顺水向长15 m。中墩厚1.0 m，边墩厚1.0 m，墩高6.30 m，为钢筋混凝土结构。

(1)计算工况及荷载组合

1)完建期工况：无水。

2)校核工况：闸上游水位：18.35 m，闸下游无水14.15 m。

(2)计算要求及公式

具体计算公式如下：

①地基应力

当结构布置及受力情况对称，按下式计算：

式中：Pmaxmin基底压力最大值或最小值，kN/m2；∑G全部竖向荷载；∑M全部竖向荷载和水平荷载对于形心轴的力矩，kN·m；A闸室基础底面面积，m2；W垂直水流方向形心轴截面矩。

当结构布置及受力情况不对称，按下式计算：

式中：∑Mx、∑My竖向荷载、水平荷载对于基础底面形心轴x、y的力矩，kN·m；Wx、Wy闸室基础底面对于形心轴x、y的截面矩。

②抗滑稳定

式中：K抗滑稳定安全系数；f基础底面与地基土之间的摩擦系数；∑H作用在闸室上的全部水平荷载。

经计算水闸抗滑稳定系数均满足要求，地基需采取专项处理措施以满足承载力要求。

表7 三孔一联闸室顺水流方向计算结果

表8 两孔一联闸室顺水流方向计算结果

4 结论

齐河县刘连闸在长期使用过程中安全性下降，经过安全鉴定属于四类闸，通过兴利复核，可满足灌溉面积1.14万亩，不足部分可由黄河水补给；通过方案比选采用提升闸方案、改建闸室部分共7孔，采用整体式底板，中间为3孔一联，两侧为2孔一联的闸室结构，具有工程投资低等特点，经过稳定性复核满足规范要求，可通过地基处理以满足地基承载力需求。