某水闸现状存在的问题及除险加固措施分析

郭 龙

（甘肃大禹节水工程设计有限责任公司,甘肃 兰州 730000）

1 水闸管理现状

某水闸位于临夏市境内的黄河中游河段上,水闸上游建有1座小（1）型水库,闸址与水库间的区间集雨面积为99.93 km2,干流长17.65 km, 平均坡降3.64‰。水闸设计灌溉面积0.24 万亩,是一座以灌溉为主的Ⅲ等水利工程。水闸在顺水流方向由上游连接段、闸室段和下游连接段组成。上游连接段主要为右岸浆砌石翼墙,墙长5.0 m,高1.8 m,底板高程13.30 m,闸室上部设跨河灌溉渡槽。下游连接段主要由闸后混凝土溢流面和右岸浆砌石翼墙组成,溢流面建于岩基之上,平均坡度为1∶5。水闸闸室轴线长41.5 m,从左至右分别为：左岸连接段,宽5.47 m；立轴搭叠钢制闸门段,总宽19.0 m,由7 扇2.5 m×2.1 m立轴钢制搭叠门组成；钢制提升闸门段,总宽3.95 m,由1扇2.75 m×2.4 m钢制闸门和上部螺杆启闭机组成；立轴搭叠钢制闸门段,宽7.5 m,由3 扇2.5 m×2.1 m立轴钢制搭叠门组成；引水闸门段,宽2.8 m,由1扇1.9 m×2.1 m钢制闸门和上部螺杆启闭机组成组成；右岸连接段,宽2.74 m。水闸至今运行近30 年,现水闸老化严重,灌溉功能基本失效,工程效益无法发挥,且影响下游人民群众财产安全,对坪田水闸进行出险加固是当地老百姓的迫切愿望。

2 水闸存在的主要问题

水闸至今运行将近30 年,期间未采取任何系统、有效的加固措施,致使主要建筑物安全隐患已明显暴露且存在逐年加剧的趋势。根据现场查勘情况,现将水闸存在的主要问题分述如下：

（1）土石结构工程。坪田水闸土石工程主要包括右岸上、下游连接段的翼墙和闸室段左岸的浆砌预制水泥空心砖墙。右岸上游连接段翼墙长5.0 m,墙高 1.8 m,浆砌石结构,翼墙首端已经倒塌,倒塌长度约1.0 m,剩余部分墙体也不同程度的存在勾缝脱落和裂缝。右岸下游翼墙为引水渠外边墙,浆砌红砖结构,长约15.0 m,高1.7 m,墙体存在表面砂浆抹面脱落、裂隙和渗水漏水现象。闸室段左岸浆砌预制水泥空心砖墙长约3.5 m,高2.3 m,墙体高度不满足防洪要求,造成闸室左岸连接段土体及左岸河岸被冲刷、掏空严重。

（2）混凝土结构工程。混凝土结构工程主要有闸墩、跨河灌溉渡槽、闸室底板及闸后溢流面。闸墩混凝土存在级配不合理,卵石粒径过大,有的超过了10 cm, 砼标号较低,振捣不密实,普遍存在蜂窝麻面、施工接缝不良及底部掏空。跨河 灌溉渡槽存在骨料级配不合理,砼标号较低,蜂窝麻面,裂缝和露筋。闸室底板 存在表面不平整、局部裂缝、冲蚀和蜂窝麻面。闸后溢流面存在护面混凝土厚度小、表面不平整、蜂窝麻面、冲蚀/剥蚀破坏等,溢流面末端已形成高差为1 m~2 m 的跌坎,且存在向上游发展的趋势。

（3） 闸门。闸门存在的问题主要有：门页及梁系锈蚀严重,门页平均锈蚀厚度达4.7 mm,其中有9 扇闸门已出现大面积的穿孔,穿孔面积达到15.5 m2；有2 扇翻板闸门门页已脱离支座,被水流冲至下游河床。

（4）启闭机。水闸共设2 台0.5 t手动螺式启闭机,目前引水闸启闭机已不见踪影,泄洪闸启闭机支座已经出现大面积的锈蚀、螺杆存在弯曲变形现象。

（5）消能防冲设施。水闸未设置任何消能防冲设施,目前闸室下游河床冲刷严重,在溢流面末端的跌坎附近已出现大范围的深冲坑,且冲坑存在向闸室方向逐步发展的趋势。在冲坑末端堆积有大量脱离溢流面岩基母体的岩块和冲积物,严重影响下泄水流流态和河道过流能力,下游河床现状见图1。

图1 下游河床现状图

3 水闸除险加固方案

3.1 方案拟定

根据水闸安全鉴定、地质勘查成果及现场勘踏情况,初步拟定了两个除险加固方案[1,2],现将各方案具体情况描述如下：

方案一：闸室由钢坝挡水闸和渠首闸段组成。闸室轴线长43.12 m,从左至右依次为1 扇32.9 m钢坝和1 扇2.0 m渠首平板提升闸门。考虑泥沙淤积因素,设计闸室底板高程比河床高0.3 m,即为13.60 m。钢坝及平板提升闸门高均为 2.0 m。渠首闸上部设启闭机室,平板闸门采用手电两用的螺杆式启闭机启闭。闸室沿水流方向因上部结构布置的需要,设计总宽为11.0 m,需在现有闸室宽度（3.5 m）的基础上向上游扩宽7.5 m。沿水流方向,闸室顶部依次布置有启闭机室、人行桥及跨河灌溉渡槽。

方案二：闸室由水力自控翻板闸门段和灌溉取水闸门段组成。闸室轴线长 41.60 m,从左至右依次为6 扇×6 m水力自控翻板闸门、1 扇×2.0 m灌溉取水平板提升闸门。水力自控翻板闸门段门页部位底板高程为13.30 m,门后溢流面底板高程为13.50 m,翻板闸门高2.1 m；灌溉取水闸门段设计底板高程为13.30 m,闸门高2.5 m。灌溉取水闸门上部设露天启闭机平台,采用手电两用的螺杆式启闭机启闭。闸室沿水流方向因上部结构布置的需要,设计总宽为10.5 m,需在现有闸室宽度（3.5 m）的基础上向上游扩宽7.0 m。沿水流方向,闸室顶部依次布置有人行桥及跨河灌溉渡槽。

3.2 方案比选

（1）工程布置比较

两种方案的闸室长度相差无几,在平面上布置均较为紧凑,且在一定程度上 扩展了闸室过流宽度。

（2）结构复杂程度比较

方案一闸室共设2 道闸门和6 个闸（桥）墩,闸门规共2 种,闸室上部设排架、 启闭机室、人行桥及跨河灌溉渡槽等,结构较为复杂,施工干扰因素较多[3]。

方案二闸室共设7 道闸门、3 个闸墩和3 个桥墩,选用闸门形式和规格共2 种,闸室上部设行桥及跨河灌溉渡槽,结构较为单一,施工干扰因素相对较少。

（3）运行管理比较

方案一使用的闸门属于现下最为常见和适用性较强的闸门型式,技术较为完 善,止水效果好,闸门启闭操作方便,作业人员安全能得到保障,但闸门启闭操 作程序较为严格,特别强调对闸门启闭时机的把握,对管理人员操作技能要求较 高。

方案二主要使用翻板闸门,泄洪自动化程度较高,不需安排专门管理人员进 行启闭作业,节省人力；翻板钢闸门布置在闸孔口中,检修维护困难,如果闸门 及止水橡皮出现问题,必须采取措施放空闸前蓄水方能进行检修,其检修难度较 大,检修作业人员操作不便。

（4）泄洪能力比较

方案一：钢坝控制室占据河道行洪断面相对较大,但本方案对行洪期闸门可 全开,对上游漂浮物的通过能力更强,使得漂浮物不易在闸前堆积,因此行洪能 力较为可靠；钢坝全开时的情况等同于一般堰流,其过流能力计算在相关规范和 书籍中有明确的公式和方法,过流能力计算结果较为可靠。

方案二：翻板门在汛期不能完全开启,对较大规模洪水的行洪阻碍比较明显, 如遇大量的上游漂浮物、杂草等,则易钩挂在闸门支座和堆积在闸门底部,从而 导致闸门不能正常关闭；闸门过流能力的计算在相关规范中并无确切的计算方法, 均是通过简化成底部孔流和表部堰流的模型进行计算,计算结果可靠度不高。

通过上述几方面的对比分析,方案一在工程结构、运行管理、行洪能力、技 术成熟度和可靠性方面均存在一定优势,故选取方案一作为本水闸除险加固设计 的推荐方案[4]。

3.3 推荐方案闸室布置

水闸闸址处河道宽度约41 m,河床平均高程为13.30 m,闸室上、下游河床高差约4.5 m左右,原设计闸室底板高程与河床齐平,为平底宽顶堰（13.30 m）,本次设计考虑闸前淤积的大粒径推移质会对闸门运行造成不利影响,故将闸室 底板提高至13.60 m。

闸墩上部结构主要包括启闭平台、下游人行桥和跨河灌溉渡槽,闸墩顶部高 程根据计算后,最终取为19.345 m。由于现有的闸室宽度不能满足上述结构布置 的需要,加之闸室下游无拓宽余地,故需将闸室向上游延伸拓宽,拓宽后的闸室 宽度为11 m。启闭平台高程在考虑闸门底部需超出闸墩顶部不小于0.5 m、闸门高度及闸门竖向吊距等因素后,最终定为23.045 m,启闭平台为梁板结构,平台 立柱断面0.5 m×0.5 m,排架横梁断面为0.5 m×0.8 m,启闭平台布置一台手电两用螺杆式启闭机。人行桥总宽2.8 m,净宽1.8 m,两侧设埋石栏杆。灌溉渡槽总宽0.9 m,净宽0.5 m,总高0.7 m,净高0.5 m。

本水闸的闸门包括钢坝和渠首平板提升闸门,钢坝规格为39.2m×2.0 m,采 用液压设备启闭,平板闸门,由置于启闭平台内的手电两用螺杆启闭机（QL-100- SD）控制。

3.4 下游消能防冲布置

本次除险加固设计的下游连接段包括新建消力池、海漫和翼墙等,消力池与 闸室底板采用1∶4 的斜坡溢流面连接。

新建消力池采用下挖式钢筋混凝土结构,池长15.0 m（不含斜坡溢流面）,池 深1.2 m,底板厚0.9 m,板顶高程18.00 m；底板设置直径为75 mm的排水孔,排水孔间排距2.0 m,梅花形布置,下部依次设置150 mm厚级配碎石、150 mm粗砂垫层消力池后设38 m长的海漫,海漫按材质划分为2 段,第一段为M7.5 浆砌石 结构,长10 m,厚0.5 m,顶部高程19.20 m,其上设置直径为75 mm的排水孔, 排水孔间排距2.0 m,梅花形布置,下部依次设置150 mm厚级配碎石、150 mm粗砂垫层 ；第二段为干砌石结构,长28 m,厚0.5 m,按1∶50的坡度向下游放坡, 下部依次设置150 mm厚级配碎石、150 mm粗砂垫层。海漫末端设抛石防冲槽, 防冲槽底宽 1.0 m。

在消力池、海漫及防冲槽长度范围内沿两岸设置M7.5 浆砌石衡重式翼墙（护岸）, 翼墙顶部与现状河岸高程齐平,顶宽为 0.6 m,临水侧垂直,上墙背坡比为 1∶0.3,下墙墙背坡比1∶0.35,基础埋深0.5 m,趾墙宽0.5 m,左岸长101 m,右岸 长 100 m。

连接消力池与闸室底板的斜坡溢流面经平整后采用0.5 m厚钢筋混凝土护面,其下部呈层状的基岩采用3.0 m长φ25 锚杆加固,锚杆间排距为2.0 m,梅花形布置,溢流面末端跌坎及局部坑洼部位采用M7.5 浆砌石砌筑找平。

4 结论

水闸枢纽于1987 年建成投入运行以来,因受当时设计施工技术,资金投入 等方面的原因,水闸运行中存在着土石结构（上下游翼墙等）、砼结构（闸墩、闸室 底板等）均受到不同程度的损坏,闸门变形损坏,启闭机丢失,下游河床冲刷严重等问题,水闸带病运行。为消除水闸安全隐患,2018 年对水闸进行了除险加固,加固后水闸运行良好,后期应重视专业技术人员的培养,定期对水闸上下游、闸室、闸门以及启闭设备等进行检查、养护和维修,确保水闸正常安全的运行。