沙湖水闸重建工程设计分析

张奕池

（江门市科禹水利规划设计咨询有限公司,广东 江门 529000）

1 工程概况

沙湖水闸位于莲塘水中下游,是潭江流域一级支流莲塘河下游的一座拦河水闸,地处恩平市沙湖镇沙湖圩长堤东路侧,距沙湖镇镇府约380 m,是莲塘水沙湖圩河段的重要节制闸。该水闸于20 世纪70年代兴建并投入使用,在20 世纪80年代进行了扩建,灌溉面积0.4 万亩,总控制集雨面积150 km2,是一座以灌溉为主,兼顾排洪、交通的Ⅴ等工程。现状水闸设有4 个闸孔,总净宽16.0 m；闸底板高程8.73 m,厚1.4 m；有5 根闸墩, 闸墩上部为交通桥, 桥面高程12.83 m, 总宽8.05 m；下游是长14.47 m,深0.7 m,底板厚1.4 m 的消力池,消力池下游连接海漫,总长20.0 m；上下游两岸堤防防浪墙顶高程为13.20 m,原设计过闸流量为817 m3/s。

由于水闸建成年代过久,经现场勘察发现,水闸下游防冲槽长期遭到冲刷,已出现冲坑；下游右岸连接段墙顶与防浪墙连接处局部脱离,墙体出现裂缝、渗漏；闸底板表面出现许多坑洞；闸墩出现裂缝；交通桥的桥面混凝土脱落,护栏损坏,梁板开裂；控制室墙体开裂、钢筋外露、门窗锈蚀严重；闸门老化,漏水；启闭机老旧,且出现偏流,启闭机排架梁、板、柱均存在裂缝,工作桥护栏开裂,钢筋严重锈蚀、变形等隐患,已严重危及水闸的安全运行,亟需对沙湖水闸拆除重建,以确保沙湖镇农田灌溉用水安全。

2 工程重建设计

2.1 建筑物选型及布置

考虑到沙湖水闸地质条件较好,旧址地势开阔,故本次重建工程选择旧址重建。拦河建筑物型式选择拦河闸型式,水闸堰型根据闸下水位变化情况,选用开敞式平底宽顶堰；为了保证闸室结构具有较高整体性以及对地基不均匀沉降有较好的适应性,闸室结构型式采用整体式底板,墩中分缝型式；闸门选用平面钢闸门,启闭设备选用固定式QPQ2×10 t卷扬机,并采用一机一门控制[1]。

根据水闸地形条件、周围环境以及水流条件等因素,重建水闸的布置以原水闸交通桥中心线为基准,闸门布置在下游侧,其它主要建筑物顺水流向依次为上游连接段、闸室段以及下游连接段,并在重建水闸下游右岸新建柴油发电机房、工具房。

2.2 主要建筑物设计

2.2.1 上游连接段

上游连接段河底主要是砼铺盖,长10 m,宽56.72 m～45.92 m,顶面与河道齐平,高程8.50 m,铺盖厚0.4 m,上下游两侧设置1.1 m 深齿墙,铺盖采用C25 钢筋砼浇筑；垂直水流方向设置分缝,缝宽20 mm,采用PE 板填缝并设铜片止水,共5 道,铺盖两侧与两侧挡墙底板分缝位置一并设止水。

2.2.2 闸室段

沙湖水闸的闸室选用开敞式型式,闸室总净宽40 m,共设计5 孔,每孔净宽8.0 m,边墩厚1.0 m,中墩厚1.50 m；3#孔右侧中墩根据闸室构造要求在闸墩中间分缝,缝宽20 mm,并用PE 板填缝；闸室总宽48.42 m,长16.0 m,上游往下游依次为：上游侧检修闸门槽、交通桥、工作闸门、下游侧工作桥、下游侧检修门槽。闸顶高程13.25 m,闸底板面高程8.50 m,底板厚1.0 m,底板底高程7.50 m,闸底板上下游两侧设置0.5 m深齿墙；上游侧齿墙设置4.0 m 深钢板桩防渗,水闸底板左右岸两侧设置0.5 m 深齿墙,齿墙底高程7.0 m。

为了充分发挥交通枢纽作用, 交通桥采用箱涵结构,与闸墩整体浇筑, 桥面设净宽8.0 m, 并在桥的两侧各设置0.25 m 宽防撞栏,桥板厚0.5 m,桥板底高程12.75 m；工作桥采用梁板式整体结构,桥面宽1.5 m,桥板厚0.2 m,板下设2道主梁,并在闸室左、右两边墩后设空箱与堤岸相接,空箱岸长5 m,宽5 m。

2.2.3 下游连接段

下游连接段消力池平面采用矩形布置,净宽46.42 m,首端采用斜坡面与闸底板相连接,坡度为1∶4,长25.0 m,其中斜坡段长12.0 m,水平段长13.0 m,池深1.0 m,池底高程5.50 m,采用钢筋混凝土结构,厚0.60 m,底部设有砂石等反滤层和排水管。下游海漫长25.0 m,顶面高程6.50 m,厚1.0 m；垂直水流方向设置分缝,缝宽20 mm,采用PE 板填缝并设铜片止水,共3 道,铺盖两侧与两侧挡墙底板分缝位置一并设止水；海漫末端设抛石防冲槽,且顶面与河道齐平,高程6.50 m,槽深1.5 m,长10.0 m。

2.3 水力计算

2.3.1 重建水闸过流能力复核

根据沙湖水闸地形、规模及《水闸设计规范》（SL 265-2016）中高淹没公式（hs/H0≥0.9）、多孔平底闸的堰流公式（hs/H0＜0.9）对其过闸流量进行计算,计算结果见表1。

表1 过流能力计算成果表

从表1 可以看出,在满足不同频率的洪峰流量下,重建后水闸的过流能力能满足规范要求。

2.3.2 消能防冲计算

本次采用水闸消能最不利工况：闸上水位达到正常蓄水位10.93 m,闸下水位为6.50 m,当闸门开启高度按0.2 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、1.58 m 控制开启,下游水位逐渐上涨。

结合上述工况,依据《水闸设计规范》（SL 265-2016）附录B 消能防冲计算方法[2],采用北京理正岩土软件水力学计算程序。经计算,重建水闸设计的消力池长度、深度、底板厚度、海鳗长度以及末端最大防冲深度均能满足设计规范要求。计算结果见表2。

表2 消能防冲计算成果表

2.4 防渗排水设计

2.4.1 防渗设计

结合闸址地基情况,本次防渗设施采用铺盖和垂直防渗相结合的布置形式。铺盖采用混凝土,厚0.40m,长10.0m；垂直防渗方式在水闸底板前齿墙设置一下钢板桩,深4.0m,钢板桩底部穿透闸基弱透水层残积土层。

2.4.2 排水设计

在消力池的下游端,设置Φ75排水孔,孔距为1.0 m×1.0 m,呈梅花形布置,顺水流向设6 排；底板下从上往下分别布置：粗砂碎石垫层厚200 mm,粗砂垫层厚200 mm,最下面再铺一层土工布。

2.5 水闸上下游连接段挡墙设计

2.5.1 上游连接段挡墙设计

水闸上游左岸和右岸挡墙均设置重力式挡墙,左岸长3.95 m,高4.5 m,墙顶高程12.50 m；右岸长12.77 m,高4.5 m,墙顶高程12.50 m。水闸上游连接段所有挡墙的墙顶均设置防浪墙和不锈钢栏杆。

2.5.2 下游左岸连接段挡墙设计

水闸下游左岸挡墙设置扶壁式挡墙和仰斜式挡墙,靠近闸室挡墙设为高度渐变扶壁式挡墙,长度为31.23 m,墙高由4.8 m 渐变至7.8 m,墙顶高程均为12.50 m；渐变段挡墙下游设为仰斜式挡墙,长度为38.61 m,高度为2.0 m,墙顶高程7.50 m。为了减少水闸排洪时对左岸的冲刷影响,下游仰斜式挡墙与现有挡墙之间采用护坡,坡比为1∶3。

2.5.3 下游右岸连接段挡墙设计

下游右岸挡墙设为扶壁式挡墙、悬臂式挡墙和重力式挡墙；靠近空箱挡墙为扶壁式挡墙,长17.47 m,墙高7.8 m,墙顶高程12.50 m；扶壁式挡墙下游为高度渐变悬臂式挡墙,长8.79 m,墙高由6.6 m 渐变至3.6 m,墙顶高程由12.5 m 渐变至9.5 m；渐变段悬臂式挡墙顺接重力式挡墙,重力式挡墙长17.29 m,高3.50 m,墙顶高程为9.50 m。此外,悬臂式挡墙和重力式挡墙均设置草皮护坡,坡比为1∶2。

3 稳定性计算

3.1 水闸稳定计算

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）相关规定和沙湖水闸使用条件,计算闸室稳定和应力时的荷载组合为基本组合,见表3。

表3 荷载组合表

重建水闸抗滑稳定及基底应力采用《水闸设计规范》中闸室稳定及应力计算方法进行计算。经计算,水闸抗滑稳定及基底应力计算成果见表4。

表4 水闸抗滑稳定及基底应力计算成果

由表4 计算结果得知,水闸重建后闸室抗滑稳定安全系数基本组合,满足大于允许值1.2 的规范要求[3]。因此,水闸的抗滑稳定满足规范要求；

由于闸基基础为砾砂层,地基允许承载力为240 kPa。在各种计算工况下,闸室平最大和最小应力比均小于规范规定的允许值,平均基底应力均小于地基允许承载力,最大基底应力均小于地基允许承载力的1.2 倍,因此,水闸重建后的地基承载力满足规范要求[4]。

3.2 挡墙稳定计算

水闸上下游连接段结合地形设计4 种挡墙型式,分别为重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式挡墙以及仰斜式挡墙。根据使用条件,本次计算挡墙稳定选取了扶壁式与悬臂式进行计算,计算工况采用：完建工况,挡墙前后无水与水闸正常蓄水位等2 种工况进行计算。经计算,挡土墙稳定计算结果见表5。

表5 挡土墙稳定计算结果

由表5 计算结果可知,扶壁式挡墙和悬臂式挡墙基底应力不均匀系数η 及抗滑、抗倾覆稳定系数均满足规范要求[5]。且水闸两岸挡墙地基承载力为240 kPa,挡墙基底平均应力的最大值均小于天然地基承载力,因此能满足承载力规定要求。

4 结论

沙湖水闸经过几十年的运行,存在诸多严重的安全隐患,已无法满足现行的灌溉、防洪排涝要求,需对其拆除重建。结合水闸地质勘察情况提出新的设计方案,该方案包括重建水闸闸址的选择,水工建筑物的布置与选型,主要建筑物的设计、防渗排水设计以及上下游连接段挡墙设计等,并根据《水闸设计规范》相关计算方法对水闸主要建筑物的整体稳定性进行计算分析,结果表明均能满足设计规范要求。水闸建成后,充分发挥了水闸蓄水灌溉、防洪功能,不仅保障了当地农田灌溉用水,同时,还改善水闸周边环境,促进当地经济高质量发展。