肖江横闸除险加固工程泄洪闸设计方案分析

熊 丹

(樟树市水利工程服务中心,江西 宜春 331200)

1 工程概况

肖江横闸地处樟树市经楼镇，位于赣江水系肖江支流山前河下游，距樟树市城区1.8 km。闸址控制流域面积249 km2，水闸最大过闸流量309.4 m3/s，设计灌溉面积0.14万hm2，是一座具排洪、灌溉、防洪等综合效益的中型水闸工程。

肖江横闸枢纽工程始建于1976年9月，1977年 12月建成受益，是一座横跨山前河的涵闸。肖江横闸由进口段、箱涵段、泄洪闸及消能防冲段组成[1]。

2 水闸存在的主要问题

根据樟树市肖江横闸《水闸安全鉴定报告书》，确认肖江横闸为三类闸，属病险水闸，存在主要问题如下：

(1)闸室抗滑稳定、抗倾及抗浮稳定、渗透稳定性满足要求；闸墩、闸底板应力满足要求。箱涵、启闭框架、启闭机房等混凝土蜂窝、麻面、露石、露筋、裂缝严重。出口边墙抗滑稳定及抗倾稳定均满足规范要求，但地基应力不满足规范要求。

(2)现有消力池尺寸不满足消能要求，底板厚度不满足规范要求，海漫长度不满足规范要求。

(3)钢筋混凝土闸门混凝土老化、露筋、破损严重，埋件及吊耳锈蚀破损严重，止水失效；启闭设施老化、锈蚀严重，螺杆弯曲，启闭困难；供电设施老化、损坏严重[2]。

3 枢纽工程总体布置

肖江横闸加固后由进口段、检修闸、箱涵段、泄洪闸、消能防冲段组成。

进口段桩号：闸桩0-015.000～0+000.000段，总长15 m。两岸边墙为C20混凝土重力式挡土墙，底板采用厚0.4 m的C20混凝土，下设厚0.1 m的C10混凝土垫层。

检修闸桩号：闸桩0+000.000～0+003.500。闸底高程21.20 m，闸墩顶高程27.70 m，共设置5孔，每孔净宽2.6 m，总净宽13.0 m；闸底板厚0.8 m，闸墩长3.5 m，边墩厚0.97 m，中墩厚1.1 m，总宽度19.2 m。

加固后箱涵段桩号：闸桩0+003.500～0+032.500，总长29.0 m。闸桩0+003.500～0+029.000为现有混凝土箱涵段，总长25.5 m，共5孔，两侧孔每孔净宽3.175 m，中间三孔每孔净宽3.35 m，总净宽16.40 m。对原泄洪闸上部加铺C25混凝土顶板形成箱涵，原泄洪闸改造成箱涵后，闸桩0+029.000～0+032.500箱涵长3.5 m，共5孔，每孔净宽3.0 m，总净宽15.0 m。

泄洪闸桩号：闸桩0+032.50～0+040.500，总长8 m。泄洪闸采用箱闸式整体式结构，由箱涵与水闸组成。

消能防冲段桩号：闸桩0+040.500～0+85.100，其中闸桩0+040.500～0+055.100段为消力池，闸桩0+055.100～0+085.100段为M7.5浆砌石海漫。

4 泄洪闸设计

现状泄洪闸为涵闸式整体结构，土堤加高培厚后，需重建泄洪闸；为增加泄洪闸的稳定性，使水闸出口水流平顺，重建泄洪闸仍采用涵闸式整体结构。

4.1 泄洪闸结构布置

泄洪闸范围为桩号闸桩0+032.50～0+040.500，总长8 m。泄洪闸采用箱闸式整体式结构，由箱涵与水闸组成，闸桩0+032.500～0+037.000段箱涵长4.5 m，共5孔，每孔净宽3.0 m，总净宽15.0 m，净高5.0 m，底板厚0.8 m、顶板0.5 m、边墙0.7 m、隔墙0.7 m，纵坡坡降i=0。水闸闸底高程21.20 m，闸墩顶高程28.70 m，共设置5孔，每孔净宽2.6 m，总净宽13 m；闸底板厚0.8 m，闸墩长3.5 m，边墩厚0.97 m，中墩厚1.1 m，总宽度19.2 m；闸墩上布置框架立柱，框架柱断面尺寸为0.4 m×0.4 m，高为6.0 m，启闭平台高程35.2 m，并设宽2.0 m的C25混凝土楼梯至箱涵段土堤堤顶；泄洪闸段下设厚0.7 m的C10混凝土基础，泄洪闸与消力池底板、边墙分缝采用沥青杉板填缝，采用紫铜片止水。工作闸门为平板钢闸门，启闭设备为LQ-300 KN-SD螺杆式启闭机，一门一机[3]。

4.2 泄洪闸过流能力分析计算

4.2.1 下游水位流量关系

(1)不受闸内洪水顶托(赣江、肖江处于中低水位)。肖江横闸下游断面水位与下泄流量关系曲线计算结果见表1。

表1 肖江横闸下游断面水位流量关系曲线(不考虑顶托)

查肖江横闸下游断面水位流量关系曲线，当肖江横闸遇50 a一遇(P=2%)洪水时，洪峰流量为571 m3/s，水闸过闸流量为309.4 m3/s，闸址闸外相应洪水位为27.697 m；当肖江横闸遇20 a一遇(P=5%)洪水时，洪峰流量为428.0 m3/s，水闸过闸流量为264.3 m3/s，闸址闸外相应洪水位为27.17 m。

(2)受下游洪水顶托(赣江、肖江处于高水位)。肖江横闸高水位往往是受闸外洪水顶托导致，肖江横闸闸址下游不同频率设计洪水位见表2。

表2 肖江横闸下游不同频率设计洪水位成果(考虑顶托)

考虑肖江横闸受下游洪水顶托，当遇P=2%洪水时，肖江横闸下游设计洪水位为32.497 m；当遇P=5%洪水时，肖江横闸外下游设计洪水位为31.72 m。

4.2.2 水闸泄流能力计算

水闸泄流能力复核计算工况为按洪水期闸门全开，加固后肖江横闸泄流计算成果见表3。

表3 肖江横闸加固后闸址水位～流量关系

当考虑下游洪水顶托、肖江横闸关闭时，闸内没有排水设施，洪水全部存蓄于肖江横闸内。

经调洪演算，各频率水位见表4。

表4 肖江横闸闸址加固后特征水位成果 m

4.3 泄洪闸稳定计算

肖江横闸为3级建筑物，壤土层地基允许承载力为[R]=160 kPa。

计算工况：关闸挡水灌溉，闸内水位为正常灌溉水位24.00 m，闸外无水(21.2 m)。闸内为设计洪水位27.60 m，相应闸外水位27.17 m。闸内为校核洪水位28.10 m，相应闸外水位27.697 m。

闸坝稳定及应力计算成果如表5，由表中计算结果可知，闸底板抗滑稳定和基底应力均满足规范要求。

4.4 箱涵结构计算板

根据箱涵顶部填土厚度及运行条件，考虑四种不同荷载组合情况：

(1)正常运用期：正常高水位+最大填土厚度情况，此时涵管所受的荷载有：自重、水压力、土压力，ψ=1.00。

表5 泄洪闸稳定及基底应力计算成果

(2)设计洪水+最大填土厚度情况，此时涵管所受的荷载有：自重，水压力，土压力，ψ=0.95。

(3)校核洪水+最大填土厚度情况，此时涵管所受的荷载有：自重，水压力，土压力，ψ=0.85。

(4)检修期情况，正常高水位+最大填土厚度情况，此时涵管所受的荷载为：自重、土压力，外水压力，ψ=1.00。

箱涵荷载复核结果见表6。

表6 箱涵荷载计算结果 kN

管壁内力按结构力学方法计算，对于弯矩M，以管壁内侧受拉为正，反之为负，对于轴为N，以压力为正，拉力为负；计算断面取管顶、管侧、管底三个典型断面。

涵管在各种荷载作用下的管壁内力计算成果见表7。

表7 箱涵管壁内力计算结果

上述四种荷载组合的内力合力见表8。

表8 箱涵管壁强度计算成果

涵管抗裂复核按偏心受拉、受压构件计算，箱涵抗裂计算结果见表9。

表9 箱涵正截面抗裂验算成果

从表9可看出，箱涵在以上荷载组合作用下，结构构件管顶、管侧及管底部位均满足强度和抗裂要求[4-5]。

5 结 语

肖江横闸枢纽工程运行多年，存在混凝土老化、止水失效、启闭设施启闭困难等诸多问题，严重影响工程安全运行，经过本次除险加固，可确保工程安全运行、发挥正常功能。本文主要就其泄洪闸的设计方案进行了详细的分析研究，为今后类似水闸工程设计提供参考。