气动盾形闸门在河东闸加固改造工程中的设计与应用

2022-10-13蒋文健

水利科学与寒区工程 2022年9期

关键词：防渗墙闸门水闸

蒋文健

(江西省水投工程咨询集团有限公司，江西南昌 330000)

1 工程概况

广昌县旴江镇河堤整治工程位于抚河上游盱江流域，工程区域为广昌县盱江回辛村李家上(自然村)至河东闸段。

1.1 水闸存在主要问题

河东闸位于盱江镇河堤整治工程治理范围尾端桩号K13+900处，堰跨长234.0 m，共1孔，为自动翻板闸，堰顶高程130.70 m，挡水高程为131.90 m，右岸设置了1孔冲砂闸，宽6.0 m，闸底板高程129.70 m，闸门顶高程为131.90 m。河东水闸受兴建时期经济条件、技术水平等制约，以及运行年代久远，翻板闸门出现了较严重的老化，已无法正常翻板开启。现状下游无消力池，受水流淘刷，堰体下游部分坍塌，淘空。对河道行洪带来很大影响。冲砂闸现状闸门漏水严重，启闭设备损坏无法启闭，上游淤积严重。

1.2 闸基工程地质

闸址上部覆盖层为粗砾砂和圆砾，其中粗砾砂层厚2.1～7.0 m，层底高程122～124.36 m，具强透水性，粗砾砂下部为圆砾，揭露层厚1.4～3.9 m，层底高程120.46～121.09 m，具强透水性。下伏基岩为第三系红砂岩，强风化带厚度1.0～5.7 m，下限高程115.39～119.46 m，岩体完整性较差，具中等透水性。

闸坝基础坐落于粗砾砂层之上，地基强度满足上部结构荷载要求，基本不存在沉降变形问题，现已运行五十余年，沉降变形现象不明显；粗砾砂层抗剪强度相对较高，经五十余年运行，未出现因抗滑稳定引起的溃、垮坝现象，基本不存在抗滑稳定问题；闸基下部分布较厚为粗砾砂及圆砾，具强透水性，防渗性差，存在渗漏问题，两坝肩存在绕坝渗漏问题；闸坝下游河床为粗砾砂和砂卵砾石层，抗冲性差，现状闸坝右侧河床段护坦存在损毁、坝基掏空现象。粗砾砂承载力地质建议值fk=180 kPa，基础混凝土与地基的接触面摩擦系数μ=0.42。允许不冲刷流速地质建议值：强风化红砂岩V允许=1.3～1.5 m/s，弱风化红砂岩V允许=3.0～3.5 m/s。

2 闸型选择

河东闸结构为固定堰+活动闸，固定堰为宽顶堰，活动闸为自动翻版门，固定堰顶高程为130.70，翻板门长226 m，高1.2 m，顶高程为131.90 m。本次设计更换自动翻板门，不改变原闸门规模，闸门高1.2 m。水闸改建后除应具有抬水、泄洪能力外，还应具备排除水表面漂浮的各种垃圾的能力。根据工程经验，平面钢闸门、液压翻板闸、液压升降坝以及气动盾型闸门均适合本工程。但是平面钢闸门单孔宽度较小，本工程河道较宽，须设多孔闸门，所设闸墩过多，占用河道过流断面，对行洪不利；本河道为山区性河道，两岸树木较多，河道中树枝较多，选用翻板闸容易被树枝卡住，不宜选用翻板闸，相比来说，液压升降坝和气动盾型闸门更适合本工程，因此，设计拟对液压升降坝和气动盾型闸门两种闸型进行比选[1-3]。

2.1 方案拟定

方案一：液压升降坝

液压升降坝系统主要由钢闸门、液压设备、埋件、液压系统和闸门控制系统组成。拦河闸设置4孔液压升降坝，每孔宽55.5 m，坝体中墩厚1.0 m，边墩厚1.0 m，总长227 m，呈“一”字形布置。液压升降坝高1.2 m，为安装液压升降坝闸门，需要将原固定堰体表层拆除0.5 m，同时为安装液压升降坝的液压缸等设备，局部需要挖深1.2 m。

方案二：气动盾形闸门

气动盾形闸门系统主要由钢闸门、气袋、埋件、空压系统和闸门控制系统组成。拦河闸设置4孔气动盾形闸门，每孔为55.5 m。坝体中墩厚1.0 m，边墩厚1.0 m，呈“一”字形布置。气动盾形闸门高1.2 m，为安装气动盾形闸门，需要将原固定堰体表层拆除0.5 m。

2.2 方案比较

方案比较主要从景观、技术及经济方面进行比较。

2.2.1 液压升降坝

液压升降坝属新型活动坝，利用液压升降系统升降闸门，闸门后为液压操纵杆，通过液压系统带动操纵杆实现闸门的升降。闸门可平置于河床，无阻水影响。排泄上游漂浮垃圾能力强；闸顶可溢流，形成瀑布景观和水帘长廊特色。根据已建工程运行情况来看，液压升降坝还是存在诸多不足，闸门升起状态下，液压操纵杆暴露于外，景观效果较差；液压设备长时间工作存在漏油现象，造成后期运行费用增加及增加运行管理难度；布置的闸门扇数较多，闸门单独升降，无法多角度锁定，易漏水，运行管理应严格按操作规程，要求管理人员素质较高。

2.2.2 气动盾形闸门

气动盾型闸门兼具传统钢闸门与橡胶坝的优点，气动盾型闸门系统主要由钢闸门、气袋、埋件、空气压缩系统和控制系统组成。和橡胶坝一样，通过对坝袋进行充气和排气，从而实现闸门升降。气动盾型闸门优于橡胶坝的特点在于它可以使闸门保持在特定的高度，在调节水位上具有一定的灵活性。气动盾型闸门亦可像橡胶坝一样在排气的状态下完全倒伏在河床上，对行洪无不利影响，即使在断电的情况下也可手动排气，不影响河道过流能力。气动盾型闸门具有结构简单，材质轻，易制造，安装方便的特点；后期运维状态下，操作简便，特殊情况下可手动操作，检修方便，运维费用低；根据已建工程运行情况来看，运行情况较好。

2.2.3 方案比较

造价方面：两种方案造价相差不大，主要为闸门等主体设备造价，经厂家提供报价，液压升降坝主体设备造价约为660万，气动盾形闸门主体设备造价约为610万，气动盾形闸门较液压升降坝比造价减少约50万元。

施工方面：两种方案土建施工相差不大，主要为闸底板等混凝土构件浇筑，厂家派驻专业技术人员进行闸门等设备的安装，施工工艺、技术等相对较简单，但液压升降坝为安装液压缸等设备，局部需要挖深1.2 m。

后期运维管理：气动盾型闸门操作简便，特殊情况下可手动操作，检修方便，运维费用低，根据已建工程运行情况来看，运行情况较好；液压升降坝液压缸等管路埋在混凝土基础下，无法检修，且液压升降坝每扇闸门单独操作，汛期紧急情况下，降坝时间较气动盾型闸门长，泄洪方面逊于气动盾型坝。

经造价、施工、运维等角度综合比较，气动盾型闸门优于液压升降坝，故工程闸门型式拟采用气动盾形闸门方案(后面简称为气盾坝)。

冲砂闸现状闸门为铸铁闸门，闸门尺寸6.0 m×2.2 m(宽×高)，采用双电动螺杆启闭机双吊点启闭，冲砂闸闸门漏水严重，启闭设备无法正常使用。考虑拦河闸采用的是气动盾形闸门，冲砂闸也可采用该闸门，可共用一套控制系统和空气压缩系统，同时无需对原闸门的启闭平台进行维修加固。故本次设计冲沙闸更换采用气动盾形闸坝。

3 水闸布置

河东闸位于旴江镇大塘村，坐落于盱江K13+900处。水闸由拦河闸和冲沙闸组成，两闸呈“一”字形布置，总长234 m。本次仅对水闸进行除险加固，故水闸布置基本维持现状布置。

(1)拦河闸。采用气动盾形闸门，共设置4孔，每孔宽55.5 m，挡板高1.2 m，中墩厚1.0 m，边墩厚1.0 m，拦河闸与冲沙闸隔墩厚1 m，总宽227 m。闸门基础为原固定堰，其高程为130.7 m，闸门顶高程131.9 m。设计拆除固定堰0.5 m便于安装闸门，C30钢筋混凝土修复。

(2)冲沙闸。冲沙闸位于河东闸右侧，设置1孔，孔宽6 m，高2.2 m，边墩厚1.0 m，包含隔墩总宽8 m。闸门底板高程129.7 m，顶高程131.9 m，挡水高度2.2 m，堰前冲沙高程1.0 m。

(3)闸基础防渗。堰体上游采用高喷灌浆设置垂直防渗墙底部与岩基相接，顶部与闸底板混凝土底板相接，防渗墙起于水闸左岸5 m处的管理房，止于冲沙闸右岸的公路，防渗墙长243.5 m。

(4)消力池。水闸下游增设钢筋混凝土消力池，消力池长15 m，宽225 m，池深0.6 m，底板厚0.6 m。

(5)管理房。拦河闸左岸设置管理房，其尺寸为10.0 m×7.5 m。

4 水闸加固设计

(1)拦河闸混凝土堰体处理。原堰体规模保持不变，本次只对堰顶溢流面原混凝土基础表层拆除修复，厚0.5 m，长237 m。采用C30钢筋混凝土修复。堰体掏空部分采用C25埋石混凝土修补，损坏修复部分宽150 m，长6.3 m。

(2)消力池设计。气盾坝运行调度方式为：在洪水期，水位高于132.2 m时，开启闸门，宣泄洪水。本轮洪水过后，关闭闸门蓄水。因此本工程按堰上防洪水位及气盾坝闸门不同开度工况进行消能防冲计算。消能计算结果见表1。

表1 消力池计算成果表

根据上述计算结果，设计消力池底板厚0.6 m，池长15 m，池深0.6 m，消力池采用C25钢筋混凝土结构。底板梅花形布置排水孔，孔排距2.5 m×2.5 m。

(3)闸基础防渗设计。根据地勘资料，闸基下部分布较厚为粗砾砂及圆砾，强透水性，防渗性差，存在渗漏问题，两坝肩存在绕坝渗漏问题。

根据《水闸设计规范》(SL265—2016)闸基的防渗长度见式(1)：

L=CΔH

(1)

式中：L为闸基防渗长度，即闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直长度的综合，m；C为允许渗径系数值，根据进水闸基础岩性，取7；ΔH为上、下游水头差，闸门关闭，常水位时取6.08 m。

由上述公式计算结果可得，闸基防渗长度L≥42.56 m，若完全采用水平铺盖防渗，顺水流方向铺盖长度较长，施工质量难以保证，不宜采用水平铺盖防渗，设计拟采用垂直防渗方案进行闸基防渗处理，结合闸基础地质条件和现场实际情况，设计拟采用高喷灌浆防渗墙方案。

水闸基础采用高喷灌浆防渗墙方案进行防渗处理，摆喷，孔距1.2 m。防渗墙起于水闸左岸5 m 处的管理房，止于冲沙闸右岸的公路，防渗墙长243.5 m。高喷防渗墙布置在溢流堰混凝土底板，与闸底板形成封闭的防渗体系。高喷灌浆防渗墙深入基岩1.0 m，墙体抗压强度：R28≥5.0 MPa；墙体渗透系数：K≤1.0×10-6cm/s。