皂角水闸加固工程结构设计

万勇

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512026）

1 工程概述

水闸位于湖南省湘乡市月山镇金山村，是湘江二级支流石狮江西干流上的一处中型Ⅲ等水闸。水闸距月山镇2.70 km，距湘乡市政府34 km。皂角水闸加固全长184.50 m，其中上游防冲槽以上河道护砌31.60 m，防冲槽长3.40 m，上游铺盖长15 m，闸室段长6 m，消力池斜坡段长13 m，水平段长15.50 m，海漫段直墙段长10 m，渐变段长15 m，交通桥宽4 m，交通桥下游河道护砌71 m。闸址下游水位流量关系曲线见图1。

图1 闸址下游水位流量关系曲线图

2 皂角水闸加固工程结构设计与处理

2.1 建筑物加固设计与处理

2.1.1 泄洪闸设计

根据皂角水闸安全评价及水闸实际运行情况，皂角水闸泄流能力满足要求，但下游左右两侧岸墙高度小于下游低最低高程92.10 m，不满足要求。根据地勘钻孔资料，基础坐落于强风化花岗岩上，存在渗漏通道，且上游无渐变挡墙，下游无消能防冲措施，下游挡墙基础因冲刷掏空，出现沉陷断裂，基础悬空。因此，此次皂角水闸除险加固设计的原则是保证水闸泄流能力的前提下，提高闸室自身的抗滑稳定安全性能。此次水闸加大泄流措施方案主要设计原则是：水闸坝址总宽度所占河床部分宽度基本不变，维持现状正常蓄水位高程，新建消力池和消力池斜坡段，以及海漫段，改善水闸过水消能。

2.1.2 除险加固方案具体设计与处理

根据水闸实际运行情况及现有河床地形、地质条件，综合安全鉴定阶段结论，及前述相关方案技术经济比较，此次对该水闸的除险加固方案初步拟定如下：①上游河床新建浆砌石铺盖，两侧岸墙新建浆砌石挡墙护岸。②拆除原闸室砌体，凿除原闸室基础浆砌块石，采用C15 混凝土回填，浇筑C25 钢筋混凝土闸室。③拆除原闸体闸门，安装提升式钢闸门，于闸体中间新建冲砂闸，新建闸室启闭房。④对下游河床冲刷坑采用C15混凝土回填，新建水闸斜坡段。⑤对坝基础进行帷幕灌浆处理。⑥上下游翼墙拆除重建，对河岸侧墙进行加高，岸墙采用浆砌石护岸。⑦新建工作桥，净宽1.60 m，下游交通桥桥墩基础加固。⑧重建原灌溉涵，新建1#、2#灌溉涵及配套闸门。⑨新建水闸观测设施。

2.1.3 防渗设计与处理

根据此次钻孔揭露和前期的施工资料，闸基岩属于二长花岗岩，厚度保持在3～6 m，岩体容易发生破碎现象；下部为弱风化，钻孔揭露的最大深度为6.40 m。根据施工记录，闸基未进行过防渗帷幕灌浆处理。通过钻孔资料，闸基强风化岩体岩芯获得率为60%左右，RQD一般30%～40%，弱风化岩体岩芯获得率为80%～90%，RQD一般60%～70%；根据压水试验，基岩面以下0～7 m透水率为10.90 Lu。

为解决闸基上部基岩岩石较破碎，节理裂隙发育，为中等透水带，及水闸修建过程中基础浆砌石水泥浆含量低，砌石不密实，存在严重的渗漏等问题，此次设计拟定对闸基进行帷幕灌浆处理+刺墙。

防渗帷幕设计。综合考虑闸底防渗排水及侧墙绕渗。边闸墩两侧设置5 m长刺墙伸入两侧河堤内部，既能对水闸的稳定有利，又能够对绕渗有一定的作用。刺墙顶宽0.50 m，斜面坡比为1∶0.1。采用现浇C20混凝土，与基础帷幕搭接，防渗帷幕采用一排，孔距为2 m。

2.2 除险加固后水闸水力复核计算

2.2.1 水闸过流能力复核

根据水文章节计算成果，在设计时，皂角水闸的洪峰流量（P=5%）、闸前水位分别为304.04 m3/s、92.91 m；校核洪峰流量（P=2%）、闸前水位分别为365.52 m3/s、93.12 m。闸孔净宽：

其中：μ0、H0、g、Q、B0分别为淹没堰流的综合流量系数、下游水深、堰上水头、重力加速度、过闸流量与闸孔总净宽。

泄流能力复核。根据侧收缩系数计算公式：

其中：b0、N、εZ、dz、εb、bb、hs分别为闸孔净宽、闸孔数、中闸孔侧收缩系数、中闸墩厚度、边闸孔侧收缩系数、边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离与下游水深。

式中：q=Q/Σb，Σb 为总净宽度（m）；a—闸门铅垂挡水高（m）；θ—闸门全开时与铅垂面的夹角（θ=75°）；P—上游堰高（m）。

2.2.2 水闸消能防冲计算

此水闸为有坎实用堰闸坝工程，泄洪时，水头小流量大，根据类似工程经验，确定的处理方案为底流消能工。这种方式在实际应用中，一定淹没度可在闸下产生，这样水流动能可被消减，已减弱水流对下游河床冲刷。

根据《水闸设计规范》，此水闸闸下消能防冲的洪水标准应与该水闸的洪水标准一致，并应考虑泄放小于消能防冲设计标准的流量时可能出现的不利情况。在通过水闸最小流量到最大流量范围内，设定一系列流量Q，求出一系列相应的临界水跃跃后水深h″c及h″c-t（t为下游水深），相应于（h″c-t）为最大时的流量即为消能工设计流量。

消能防冲复核计算内容包括消力池和海漫计算两部分。消力池计算包括消力池深度、消力池长度及消力池底板厚度计算，海漫计算主要包括海漫长度和海漫末端河床冲刷深度计算。

是否设置消力池判别：h″c＞hs与h″c≤hs属于两种方案，第一种消力池需要设置，第二种则无须设置。其中h″c、hs分别为跃后水深与下游水深。

跃后水深h″c可按公式计算：

式中：hc—收缩水深（m）；α—水流动能校正系数，采用1.0；q—过闸单宽流量（m2/s）；T0—由消力池底板顶面算起的总势能（m）；b1—流速系数，采用0.95；Frc—跃前断面水流的佛劳德数；h″c—跃后水深（m）；b1—消力池首端宽度（m）；b2—消力池末端宽度（m）。

消力池深度按公式：

式中：d—消力池深度（m）；σ0—水跃淹没系数，采用1.1。ΔZ—出池落差（m）；h＇s—出池河床水深（m）。

2.3 闸室结构计算

2.3.1 加固前闸坝渗流复核计算

地质钻孔资料显示，闸坝基础均坐落于强风化的花岗岩上，经过计算水闸防渗底宽为7.17 m，现坝底宽为5.20 m，不满足防渗长度要求，闸基下游会发生渗透破坏，同时通过闸基的渗漏量较大，需增设防渗墙等防渗加固处理措施。

2.3.2 加固前闸坝稳定复核计算

闸身自重、水重等是闸室承受的主要荷载。在对闸室基底应力进行计算时，需按照下面的公式予以计算：

其中：Kc、f、∑G、∑H分别为安全系数、摩擦系数、竖向荷载与水平向荷载。

2.4 冲砂闸加固后稳定与基底应力计算

此次冲砂闸位于闸坝左岸，底板高程维持现状90.40 m，宽4.50 m，高2.50 m平板钢闸门。冲砂闸底板厚度为2.20 m，其中基础采用1 m 厚现浇C15 回填混凝土，上部底板厚1 m，采用C25钢筋混凝土，抗渗等级为W4。抗浮稳定安全系数：基本组合［Kf］≥1.10；特殊组合［Kf］≥1.05；坝区地震烈度小于Ⅵ度，不考虑地震，根据有关规范要求，计算下列几种工况，见表1。

表1 冲砂闸抗滑稳定计算荷载组合表

3 结语

水利工程建筑物结构设计与处理方式的研究，能关注水利工程的结构安全，重视工程施工中的各个重点环节。文章在分析时，从实际案例出发，制定水利工程建筑物结构设计与处理的要点，以此来提升水利工程施工质量。未来在水利工程建筑物结构设计与处理方式中，需考虑的要素更多，需注意的事项也会更多，要求设计者必须以实际项目工程情况为基础，设计出更加科学的方案，为水利工程的高效开展奠定基础。