大涌河水闸重建工程设计分析

邓镇宁

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 5110635)

1 工程概况

大涌河水闸位于西江干堤大涌河出口处，属珠江流域西江干流的一级支流，地处广东省云浮市云安区都杨镇。该涵闸始建于1957年，至今已运行50多年，是一座以防洪、排涝、灌溉为主的水闸枢纽工程。现状涵闸段长50 m，3个涵孔，单孔宽3.0 m，高3.3 m，洞身为钢筋混凝土城门洞形结构，侧墙高2.6 m，涵底进口高程4.0 m，出口高程3.74 m，出口设有三扇单掩钢闸门，设计过闸流量为100 m3/s，除西江干堤 1.95 km接近 50 年一遇的防洪标准外，大涌河内堤的防洪标准均低于 10 年一遇，校核过闸流量为595.13 m3/s，是自排涵闸原设计流量的6倍，设计防洪标准低。

2 工程基本条件

2.1 水文气象条件

大涌河水闸所在流域为珠江流域，位于广东省中西部都杨镇境内，主流发源于云安区都骑镇大旗顶东南麓，海拔479 m。从东南向西北流，经洞坑、六合三合至都骑墟侧旁金刚山脚出口注入西江。大涌河干流全长19.29 km，流域集雨面积84.29 km2，河床属沙质河床，两岸地势中游平坦，下游地势较低洼。工程区域气候温和，常年东北风和西南风；区内降雨量年内分配不均，4—9月份占全年降雨量的80%以上。多年平均降雨量为1556 mm，最大年降雨量为1981年的2069 mm，最小年降雨量为1977年的951 mm，最大24 h暴雨255.3 mm，水面蒸发量为1505.7 mm，干旱指数为0.93。

2.2 地质条件

工程区内三面环山，为中低山丘陵地形，一面临水的冲积阶地上，地势南高北低，周围地势如“簸箕状”。其东面山顶高程一般300～500 m，最高山峰为南高顶，高程为567 m；南面山顶高程一般100～400 m；西面山顶高程一般400～600 m，最高山峰为白石颈，高程为670.1 m。工程地震基本烈度为Ⅵ度，场区为中硬场地，区域稳定性较好。根据区域地质资料及工程场区地质钻探结果，工程区大部分为第四系地层覆盖，表层第四系地层有：①人工填土(Qs)、②冲积层(Qal)、③坡积层Qdl)；下伏地层有燕山五期石英斑岩(Oπ53(2))、奥陶系下统回龙群(O1 hl)砂岩，按风化程度划分为全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)和弱风化带(Ⅲ)[1]。闸基岩土层主要物理力学参数建议值如表1所示。

表1 各岩土层主要物理力学参数建议值

表2 抗渗稳定计算结果

3 工程重建设计

3.1 工程设计标准

大涌河水闸设计过闸流量为595.13 m3/s，依据《水闸设计规范》(SL 265—2016)相关规定，大涌河工程为Ⅲ等中型水闸。由于大涌河水闸位于西江干堤上，西江干堤工程级别为 2 级，按照“位于防洪(挡潮)堤上的水闸，其级别不得低于防洪(挡潮)堤的级别”的规定，大涌河水闸重建工程主要建筑物级别按 2 级，次要建筑物级别为 3 级设计。主要建筑物包括闸室、上游连接段、下游连接段挡土墙以及消能防冲结构等，工程防洪设计标准采用50年一遇。

3.2 闸址与闸轴线确定

考虑到大涌河水闸处于西江干堤大涌河出口处，水闸出口与西江相接。为了方便水闸后期的运行管理，经主管部门审查同意，重建工程的闸址维持原址拆除重建[2]。

按照大涌河流域防洪体系，西江干堤(大涌河口段)是外挡西江洪水的防线，当西江水位高于大涌河水位时关闸抵挡外江洪水，启动大涌河泵站抽排内河涝水，低于大涌河水位时开闸排洪。为了有效抵挡西江洪水，大涌河水闸宜布置在西江干堤上，从现状地形看若水闸往大涌河上游或下游布置均会增加西江干堤的长度，水闸布置在现有的西江干堤上最为合适，因此本阶段大涌河重建水闸闸轴线选择在大涌河口西江干堤上。

3.3 建筑物选型

3.3.1 闸室结构型式选择

考虑到水闸和泵站的联合调度运行工况，大涌河水闸采用涵洞式结构，为此，闸室堰型和闸门型式的选择应根据设计要求确定，具体如下：

(1)堰型选择。由于大涌河水闸是一个以排泄洪水为主的中型水闸，在西江水位高于大涌河水位时可以通过关闭水闸阻挡洪水。为此，在选择闸室堰型时，首先要考虑水闸在运用时操作灵活、安全可靠、泄流能力稳定、施工方便，有利于排沙防淤；其次还要根据大涌河水闸挡水及泄水特点和运用要求，结合水闸地形、地质等实际情况，大涌河水闸的堰型选为泄洪能力大的涵洞式平底宽顶堰，堰顶高程与原大涌河涵闸同高，基本与现河底高程齐平。

(2)闸门型式选择。闸门型式一般分为弧形钢闸门与平面钢闸门两种。弧形闸门具有重量轻、受力条件好、启闭灵活、不需设门槽、过闸水流流畅等优点，但该闸门安装工期紧、施工难度大，特别是闸门布置需较长的闸墩，且闸墩顺水流向的长度比平面钢闸门还长，这也进一步增加了土建费用；而平面钢闸门的安装在检修平台便可进行，施工难度相对较低。根据本水闸的运用要求，综合以上因素，水闸的闸门确定选用平面钢闸门。

3.3.2 上下游连接段结构型式选择

水闸上下游连接段作为水闸重要组成部分之一，其结构型式选择关系到整个水闸的安全运行。由于水闸上下游翼墙高度较大，为此，在选择时，上游连接段可采用混凝土扶壁式挡墙或者悬臂式挡墙，下游河岸可采用现浇混凝土护坡。

3.4 枢纽布置

为了能够充分发挥水闸枢纽工程的作用，在确定重建水闸的闸轴线后，还需要合理布置水闸枢纽建筑物位置。由于重建水闸是在原闸址的基础上重建，为此，本次水闸枢纽总布置从左到右依次为上游连接段，河道长度 121.6 m，与大涌河平顺连接，采用矩形断面，河宽 9.5 m，河底高程 3.0 m，两岸为直立式钢筋混凝土挡墙护岸，墙顶高程 9.5 m；中间是闸室段，闸墩长度 20 m，水闸底槛高程为 4.0 m，闸室进出口设直立式挡墙结合混凝土护坡与下游河岸平顺相接，闸室底板上游为混凝土铺盖。右边是下游连接段，与消力池相接，其后为海漫，海漫末段设置抛石防冲槽；在下游侧布置闸门启闭机室，并在下游侧预留检修门槽一道。合理布置水闸与枢纽建筑物，确保水闸枢纽工程的作用得到充分发挥。

3.5 主要建筑物设计

3.5.1 闸室段

考虑到重建水闸是采用平底宽顶堰型，堰顶高程为 4.0 m，基本与原河床齐平。闸孔数为 2 孔，单孔净宽 4 m，闸室基础为淤泥质土。为了保证闸室结构具有较高整体性、对地基不均匀沉降有较好的适应性，闸室段采用 2孔一联整体式结构。根据结构受力要求，选闸底板厚 1.5 m，边墩厚 1.5 m、中墩厚 1.5 m。闸室底板顺水流方向长为 20 m，上、下游均设齿槽，槽底高程 1.5 m。闸室内设有工作闸门。工作闸门采用平面定轮钢闸门，共 2扇，由启闭室工作平台固定卷扬机进行操作。下游侧不设置检修门，仅预留检修门槽一道。水闸顶高程 20 m，墩顶设闸架及启闭室。启闭机室宽度为 5.4 m，室内地面高程为 30 m，屋面高程为 34.5 m。上游侧采用钢筋混凝土箱涵穿过堤身，上部堤身宽度与两侧堤防保持一致，取为 7.0 m，堤顶路面汽车荷载按公路Ⅱ级设计。

3.5.2 上游连接段

闸室上游连接段采用钢筋混凝土箱涵穿过堤身，与上游河道连接，箱涵长52.5 m，规模为2孔，单孔净宽4.4 m。箱涵进口连接段河道长度 121.6 m，与大涌河平顺连接，采用矩形断面，河底宽 9.5 m，河底高程 3.0 m，两岸为钢筋混凝土挡墙护岸，墙顶高程 9.5 m。

3.5.3 下游连接段挡墙设计

水闸下游连接段的主要作用是引导过闸水流均匀扩散，调整流速分布和减缓流速。考虑到下游连接段出口与西江相接，两岸为混凝土护坡，且闸室出口设直立式挡墙结合混凝土护坡与下游河岸平顺相接，为此，在设计下游段挡墙时，其长度应为146.1 m，底板高程为2.5～4.0 m，墙顶高程为 12.0～12.8 m方能满足防渗排水要求。

3.5.4 水闸及消能防冲结构设计

综合考虑闸室水流流态、下游水流衔接条件及对相邻建筑物运行的影响，根据重建水闸实际情况，本工程采用底流消能方式。但由于过闸流速较大，为了确保水闸安全，按常规设置消力池，消力池池深1.0 m，池底高程2.5 m，连接段坡度采用1∶4，其水平投影长6.0 m，水平段池长19 m，总长度(顺水流方向)为 25 m，底板厚0.8 m，采用钢筋混凝土结构，在消力池水平段设置梅花型布置的φ50 排水管，排距及孔距均为2 m。消力池下游布置海漫，海漫长 107 m，首段为水平段海漫，高程3.5 m，长20.0 m，厚0.5 m，采用钢筋混凝土结构，下游紧接斜坡段海漫常采用混凝土、混凝土框格梁浆砌石和格宾石笼等结构，综合考虑各种结构的抗冲能力、糙率、消能效果、耐久性和经济性等因素，本工程采用混凝土框格梁浆砌石结构，厚0.4 m，坡度1∶34.8，其水平投影长度为87 m，末端高程为1.0 m。设置浆砌石护底，同时设置梅花型布置的φ50排水孔，间距2 m。海漫末端设深2.5 m的抛石防冲槽，长度12 m。

3.6 水闸稳定计算分析

3.6.1 抗渗稳定计算

重建水闸防渗排水布置主要是结合水闸基础地质条件以及上下游段水位差等因素来确定，为此，根据《水闸设计规范》(SL 265—2016)相关规定，本工程渗流计算采用勃莱法，即考虑水平渗透和垂直渗透的效果一样，如式(1)：

L=C×ΔH

(1)

式中：L为基底防渗长度，即基底轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；C为允许渗径系数，水闸基底均为淤泥质黏土层，取4；ΔH为上、下游水位差，m。

本次计算工况主要针对下列两种工况进行分析：

防洪工况：内江设计水位11.67 m，外江最高防洪水位18.02 m。

排涝工况：内江设计水位11.67 m，外江低水位3.50 m。

经计算，水闸设计渗径长度大于需要的抗渗渗径长度，满足设计规范要求。

3.6.2 抗滑稳定计算

重建水闸闸室段采用的是2孔一联的整体结构，结构稳定性根据规范SL 265—2016进行计算，本次计算主要针对闸室基底应力、整体抗滑稳定进行计算，结果见表3。

表3 闸室基底应力及抗滑稳定计算结果

从上表计算结果可知，大涌河重建水闸基底应力分布均匀，且上下游最大应力值均小于基础加固后的承载力；闸室抗滑稳定验算值满足规范要求，故重建水闸闸室布置合理。

3.6.3 消能防冲计算

大涌河重建水闸消能防冲按照规范SL 265—2016附录B提供的消能防冲计算方法进行计算。 本次计算采用《理正岩土工程计算分析软件》中的消能工水力计算程序，采用理正水力学计算软件进行复核计算，经计算，水闸自由水跃长度最大值为12.48 m，此时需要的消能工长度为9.36 m，小于消能工的实际长度18.0 m。因此，大涌河水闸外江出口消力池消能防冲安全满足要求。

3.7 地基加固处理

根据工程现场地质勘察资料得知，重建水闸闸基下的地基土由上而下依次为黏土层、淤泥质黏土层、黏土层及全风化石英斑岩，其中淤泥质黏土层下限高程为-9.8～-2.4 m。水闸的建基面高程为 2.4 m，闸室底板直接位于淤泥质黏土层。由于该土层厚达 4.8～12.2 m，且其承载力特征值仅为70～100 kPa，低于水闸计算所需的地基承载力，另外通过沉降计算最大沉降量达 135 mm，故必须对其进行地基处理。结合本工程地质条件，水闸地基采用水泥搅拌桩进行处理。

首先为了增强抵抗不均匀沉降的能力，将底板进口及出口齿墙下的一排 φ600 水泥搅拌桩和边墩及中墩下的一排φ600水泥搅拌桩相邻桩体搭接成为格栅状布置，闸室底板下其余部位采用直径φ600的水泥搅拌桩，纵横间距1.0 m；其次，为了改善闸室和两侧回填土沉降变形协调性，地基处理范围向闸室两侧各延伸2排，桩底深入黏土层1.5 m。经计算，置换率m=0.212，复合地基承载力fspk=170 kPa，最大沉降量为 48 mm，可满足规范要求[3]。

4 结 论

大涌河水闸受早期建设条件限制的影响，其防洪标准低、施工质量差，经过50多年的运行，已存在较多严重的安全隐患，需报废重建。根据水闸现场地质水文勘察资料，制定了大涌河重建水闸设计方案，该方案主要分析了水闸闸轴线的确定、枢纽工程的布置、主要建筑物设计以及地基加固处理等内容。水闸经过改造建成后，其防洪、排洪能力提高，运行安全可靠，这对促进当地经济发展，提升当地居民生活水平都具有十分重要的意义。