苏家屯区柳沟拦河闸除险加固工程设计研究

张晓琳

(沈阳顺源德工程咨询有限公司，沈阳 110000)

1 工程概况

1.1 基本情况

柳沟拦河闸坐落在十里河支流柳沟河上，是一座以灌溉为主的5孔平板水闸，该闸拦截蓄水主要用于灌溉，现灌溉农田200hm2，闸前最大蓄水量20万m3。至今水闸运行40多年，闸门翼墙、闸墩及闸室底板下部为浆砌石结构，排架、启闭机梁、消力池及闸室底板表层10cm为混凝土结构，闸门工5孔，总净宽为10.0m。柳沟河全长22.73km，流域面积106.7km2，闸址以上河长17.64km，闸址上游99.3km2，水文分区Ⅲ4。闸址位于陈家村柳家沟，上游河道比降1.38‰，下游5.09km柳沟河在二十家子村附近汇入十里河。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》库容小于100万m3，因此拦河闸工程等别为Ⅴ等，规模为小(2)型，永久性主次要建筑物和临时性水工建筑物均为5级，设计涝水标准重现期均为10a，校核涝水标准重现期为20a。

1.2 现存问题分析

自建成以来，柳沟拦河闸遭受了多次洪水的考验和破坏，经现场踏勘、测量、地勘发现存在如下问题：①上下游护坡：水闸上下游河道均无护岸工程，河岸受水流冲刷严重，多处坍塌。②翼墙：局部浆砌石散落。③闸墩：浆砌石体有裂缝，水位变化区剥蚀较为严重。④闸门及启闭设备：闸门严重锈蚀，部分腐烂，已不能正常运用；闭机为单吊点手动螺杆式启闭机，经多年运行螺杆、对轴均有较大损毁；由于无启闭室及管理房，设备锈蚀风化严重，已无法正常运用。⑤交通桥：交通桥路面窄、标准低，桥面、桥墩破损严重，混凝土有裂缝、脱壳、剥落现象；此外，由于闸上交通桥为连接村内外交通的要道，经常有超重型货车强行通行，存在极大的安全隐患。⑥消能防冲设施：消力池下有较大、较深的冲刷坑，下游海漫早己冲毁。⑦管理及观测设施：柳沟拦河闸无管理房、观测设施，管理人员为所在地村委会村民，无专业人员管理。

1.3 安全检测与复核

经辽宁省水利水电工程质量检测中心现场安全检测、沈阳市水利建筑勘测设计院复核计算；专家组现场查看和对相关分析报告审查，柳沟拦河闸安全类别评定为四类闸，认为该座水闸过流能力复核不满足现状要求，且多项运用指标无法达到设计标准，存在严重安全问题，已经不能正常运行，建议报废重建。

2 拦河闸除险加固工程设计

2.1 总体布置

根据实际工程特点，此次设计重点是闸门的除险加固，提高河道抗冲刷能力，加强生态建设，在满足河道行洪要求的基础上改善河道生态环境[1-2]。设计内容主要包括旧闸拆除、新建拦河闸、护岸工程、绿化工程。

2.2 工程设计

2.2.1 旧闸拆除工程设计

采用1m3挖掘机进行水闸拆除，拆除的建筑垃圾用5t自卸汽车运至25km外的处理场进行掩埋处理。

2.2.2 新建拦河闸工程设计

新建7孔拦河闸一座，单孔净宽为3m，闸门孔口尺寸为3m×3m，顺水流方向主体长度36.3m，垂直水流方向宽度36.2m。其中，上游混凝土铺盖厚1m长5m，闸室底板厚1.5m长5m，桥底板厚1.5m长7m，消力池厚0.8m长19.3m(其中斜坡段长度12.5m，坡比1∶5，池底水平段长6.8m深1.1m)，后面衔接18m长的海漫和29m长5m深的防冲槽。拦河闸中墩高3.5m宽1m，支墩高3.5m宽0.8m，边墩高4m宽1m(以挡土墙代替)，其中闸墩长5m桥墩长7m。单个闸墩布置2根3.5m高截面0.6m×0.6m的钢筋混凝土支柱，间距1.8m，支柱上布置截面0.6m×0.6m的钢筋混凝土梁，梁上铺设400mm厚30.2m长3.5m宽的操作平台，平台上布置启闭机、管理房。桥墩上铺设500mm厚的桥梁基座，基座上铺设0.6m×0.4m的桥梁，梁上铺设7m宽30.2m长500mm厚的桥面板，桥面两侧布置护栏，上下游进出口两侧布置八字翼墙，上游翼墙宽500mm高5.5m埋深1.5m，下游翼墙宽500mm高7.8m埋深1.5m。最后，对破坏的村路用沥青混凝土进行修复，沥青混凝土厚100mm，下铺设150mm厚碎石垫层，垫层下回填土需要进行夯实处理，闸门具体尺寸形式见图1。

图1 闸门立面图

2.2.3 护岸工程设计

1)护岸材料比选。防护材料的选择应符合以下要求[3-5]：应坚固耐久、抗冲刷、抗磨损性强，适应河床变性能力强，应便于施工、修复和加固，应就近取材，经济合理。根据目前常用的护砌材料和工程具体情况，对镀锌铁丝网石笼护岸、混凝土面板、浆砌石重力墙这3种护砌型式进行方案比较[6]，见表1。

表1 护岸形式比选

续表1 护岸形式比选

经比较，综合考虑选择镀锌铁丝网石笼护岸，在保障岸坡长期稳定、保持河道工程耐久以及人水和谐上发挥重要作用，所以护岸材料采用镀锌铁丝石笼[7]。

2)护岸型式比选。河道两岸岸坎较高，平均高度在4m左右，局部岸坡高度超过5m，不适宜直立式石笼，危险度较高。所以，河道两岸修坡采用贴坡式石笼进行防护，防护长度共1787m。

3)工程设计。石笼格宾网箱由直径3.8mm的镀锌铁丝机械编制而成，石笼网箱具体尺寸为(长宽高)4m×1.5m×0.5m、4m×1m×0.4m，单个网箱内每隔2m布置一道隔片[8-9]。石笼背部铺设土工布(400g/m2)，为保证地面平整网箱底部应进行杂物清理，土工布顶部进行回折处理，相邻土工布搭接长度500mm，上游片压下游片。

贴坡式石笼水平护脚埋深0.5m，防护高度3.0m，水平护脚长4.5m，坡比1∶2，水平石笼厚0.5m，贴坡石笼厚0.4m，下部铺设土工布和150mm厚的砂垫层具体形式见图2。

图2 贴坡式石笼防护典型图01

贴坡式石笼水平护脚埋深0.5m，防护高度1.5m，水平护脚长4.5m，坡比1∶2，水平石笼厚0.5m，贴坡石笼厚0.4m，下部铺设土工布和150mm厚的砂垫层，具体形式见图3。

图3 贴坡式石笼防护典型图02

2.2.4 绿化工程设计

绿化工程为在两岸岸坎处栽种1排垂柳602株、在闸门四周栽种垂柳415株，总共1017株(种植间距为3m×3m)，柳树胸径4-6cm，见表3。

表3 绿化工程量

3 工程计算分析

3.1 拦河闸相关计算

水闸坝的消能计算主要考虑设计工况和校核工况，其中设计工况为十年一遇洪水时，计算如表4。经计算，单闸孔净宽3m，设计孔数为7孔，闸孔总净宽取21m；消力池深0.6m，消力池长11m。消力池护坦厚度取0.5m。海漫段长度取为16m；海漫采用铅丝石笼，海漫厚0.5m；防冲槽深度取为1.5m，底宽3m，顶宽9m，上游斜坡坡率1∶2，下游斜坡坡率1∶2。

表4 计算成果表

校核工况为20a一遇洪水时，计算成果如表5。经计算，单闸孔净宽3m，设计孔数为7孔，闸孔总净宽取21m；消力池深1.1m，消力池长15m，消力池厚度0.6m，消力池护坦厚度取0.6m；海漫段长度取为18m。海漫采用铅丝石笼，海漫厚0.6m；防冲槽深度取为5m，底宽9m，顶宽29m，上游斜坡坡率1∶2，下游斜坡坡率1∶2。

表5 计算成果表

根据以上计算结果，校核工况下数值均大于设计工况下数值，为保证施工质量及建筑物安全，海漫前采用校核工况下尺寸进行设计，海漫及防冲槽按设计工况下尺寸进行设计[10-13]。海漫长16m，防冲槽顶宽9m底宽3m深1.5m上下游坡比1∶2。

3.2 闸室基底应力计算

1)渗透压力计算：

(1)

式中：U为作用于闸底板面上的渗透压力，kN/m；L为闸底板底面的水平投影长度，m。经计算，在20a一遇的校核洪水中闸底板的渗透压力为73.5kN/m。

2)地基承载力计算：

(2)

式中：Pminmax为最大和最小闸室基地应力，kPa；∑G为闸室上全部竖向荷载之和，kN；∑M为全部水平和竖向荷载对垂直水流方向基础底面形心轴力矩之和，kN·m；A为基地面积，m2；W为基底面对形心轴的截面矩，m3。

3)抗滑稳定计算：

(3)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；f为地基与闸室基底面的摩擦系数；∑H为全部水平向荷载，kN。经计算，Kc=1.26>[Kc]=1.20满足要求。

4)抗浮稳定计算：

(4)

式中：Kf为抗浮稳定安全系数；∑V全部向下的铅直力之和，kN；∑U为扬压力，kN。经计算，Kf=1.201>[Kf]=1.1满足要求。

5)翼墙抗倾覆稳定计算：

(5)

式中：K0为岸墙、翼墙的康轻度稳定安全系数；∑MV为对于岸墙、翼墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN；∑MH为对于岸墙、翼墙基底前趾的倾覆力矩，kN。经计算，Kf=1.201>[Kf]=1.1满足要求。

6)地基允许承载力计算：

[R]=NBγBB+NDγDD+NCC

(6)

式中：[R]为土质地基允许承载力，kPa；γB、γD为基底面以下和以上土的容重，kN/m3；B为基底面宽度，m；D为基底埋深，m；C为土黏结力，kPa；NB、ND、NC为承载力系数；经计算，[R]=NBγBB+NDγDD+NCC=128.62kPa满足要求。

4 结 论

柳沟拦河闸是苏家屯区重要的引水灌溉工程，受当时经济条件、建设标准、施工技术和管理水平等条件限制，加之长期运行，缺少系统的病险排查和安全复核，前铺盖、闸底板、消力池、海漫等局部破损，闸门受腐蚀、有裂缝，因受力不均匀启闭机丝杠出现变形，为了保证拦河闸功能的高效正常发挥急需实施除险加固改造。根据选址区的洪水、暴雨、地质和自然条件，合理确定建筑物布置位置和工程设计形式，各主要建筑物设计均满足相应规程、规范的要求，可为类似工程拆除重建以及除险加固方案设计提供一定借鉴。