某拦河闸设计要素分析计算与设计

高明晶，李志强

（1.晋中市潇河流域管理中心，山西 晋中 030600；2.五台县水利局，山西 五台 035500）

1 工程区概况

某拦河闸集水区属平原地区，受季节性台风气候影响，每年4—9 月台风季节都有3～5 次台风在该区域登陆，流域实测最大降雨448 mm/d，三天降雨848 mm。由于台风往往伴随暴雨，洪峰由暴雨产生，洪水时空分布不均匀，在洪水期间，可能同时遭遇下游涝水顶托，影响闸门过流能力。

闸肩人工填土上部含砂粉质土、中细砂，下部淤泥，标贯平均2.7 击，综合层承载力fk=70 kPa。闸基自上而下为淤泥、中粗砂和粗砂砾，平均标贯分别为0.9击、9.4 击、15.1 击，综合层承载力fk分别为90 kPa、120 kPa、180 kPa，砂层分布欠均匀。闸基按接触部分为含泥质细砂或中砂，抗压强度不高，容易因受压而产生不均匀沉降或倾斜，对拦河闸安全稳定不利。

2 拦河闸高程分析

2.1 闸墩顶高程

根据《水闸设计规范》（SL265—2016），位于防洪堤上的水闸闸顶高程不得低于所在堤顶高程。

闸墩顶计算高程：最高洪水位4.43 m，计算波浪高2.11 m，安全超高0.3 m，按最高洪水位加波浪计算高度和安全超高，计算闸墩顶高程为6.84 m。本闸门处防浪顶高程为7.25 m，堤顶高程6.45 m。闸墩顶高程由上面各高程比较，取较高者为水闸顶高程，即7.25 m，胸墙底高程2.10 m，闸门高3.00 m。

2.2 两岸联接堤顶高程

两岸联接堤的堤顶高程，取海堤顶高程，即堤顶高程为6.45 m，防浪墙顶高程为7.25 m。

2.3 上游引堤顶高程

水闸上游最高水位为3.62 m，波浪高为0.484 m，查规范安全超高值为0.70 m，则上游堤顶高程为4.804 m，采用4.8 m。

3 水力计算

3.1 水闸过流能力复核

水闸上游为设计、校核洪水位分别为3.26 m 和3.31 m，遇下游多年平均高涝水位，为最不利过流情况，复核水闸过流能力。闸下游多年平均高涝水位3.19 m，按同样条件进行水工模型试验的结果，水闸上游洪水位分别为3.30 m 和3.35 m，计算值与试验值非常接近，而且上下游水头差均低于规范要求，满足过流要求。

3.2 渗流设计

根据闸址地基土质为砂土及可能出现设计校核洪水时较大水头差，渗径长度设为27.70 m，设计拟采用上游护坦长20 m，闸室长18 m，设计地下轮廓线长为38 m，满足防渗要求。

根据拦河闸砂层地基情况，在闸室底板上游端设垂直防渗混凝土墙，采用高压喷射灌浆形成防渗墙，刺墙设同样的防渗墙并与底板垂直防渗混凝土墙连成整体，形成平面垂直防渗体系，防渗墙厚1.0 m，深9.90 m 至-12.00 m 高程。

3.3 消能防冲设计

按排涝调节计算成果进行水闸消能计算，成果汇总见表1。

表1 排涝调节计算成果表

由表1 结果得：当闸内水位为2 m 时，消力池深度为0.86 m，消力池长度为11.11 m。为方便施工，取消力池深度为0.9 m，消力池长度为11.5 m。

（1）消力池底板厚度计算，根据抗冲要求，消力池底板始端厚度按下式计算：

式中：t——消力池底板厚度，m；

k1——消力池底板计算系数，可采用0.175～0.20；

q——单宽流量，m3/s.m；

ΔH′——泄水时的上、下游水位差，m。

经计算分析，取消力池底板厚度为0.70 m。

（2）海漫长度计算

式中：Lp——海漫长度（m）；

qs——消力池末端单宽流量（m3/s.m）；

ks——海漫长度计算系数，查《水闸设计规范》（SL 265—2016）附表B.2.1，得ks=11～12（砂土），本工程属于中砂，取ks=12。

代入公式计算，取较大值，海漫长度为40 m。

综合以上计算成果，设计采用消力池长11.5 m，池深0.90 m，海漫长40 m，并设防冲槽宽5.50 m。下游消力池末端设防冲板墙深5.0 m，厚1.0 m。

4 闸墩分析

根据本工程区域，结合淤泥质土层到砾砂层的地质情况，为了减少腐蚀性影响，延长工程寿命，经比较，采用分离式闸墩较适宜，闸墩底板总宽2.20 m，闸墩身厚1.20 m，闸墩基础每边悬臂长度0.50 m。

4.1 闸墩稳定分析

根据地质钻探报告，闸墩基础处于淤泥质土层和砾砂层之间，基底容许承载力为70～180 kPa，拟对淤泥进行挖除回填中粗砂，振冲压实达到180 kPa，基底与地基土的摩擦系数为0.45。闸墩稳定按以下七种组合情况进行分析。

4.1.1 基本组合

（1）施工完建期；

（2）闸上为正常蓄水位（2.0 m），闸下为正常高洪水位（3.40 m）；

（3）闸上为正常蓄水位（2.0 m），闸下为P=5%洪水位（3.666 m）；

（4）闸上为正常蓄水位（2.0 m），闸下为P=2%洪水位（3.826 m）；

（5）闸下为P=5%洪水位（3.666 m），闸上为最低洪水位（-0.60 m）；

（6）闸下为P=2%洪水位（3.826 m），闸上为最低洪水位（-0.60 m）；

4.1.2 特殊组合

（7）地震情况：闸上为正常水位（2.0 m），闸下为正常高洪水位（3.40 m）加地震烈度为7 度设防。

根据《水闸设计规范》（SL265—2016），本水闸属Ⅲ等3 级，所处地基土质为中等密实，则基础底面的容许抗滑稳定安全系数[KC]分别为本组合1.25，特殊组合Ⅰ为1.10，特殊组合Ⅱ（地震情况）为1.05，特殊组合Ⅰ适用于施工情况、检修情况及校核洪水位情况。根据地质钻探报告，基础底地基土属中等密实，按规范不均匀系数容许值基本组合为2.0，特殊组合为2.5，闸墩基础在海堤身的内外侧大部分位于第四层淤泥质土层，只有海堤身对应的局部墩段处在第五层砾砂层，地基容许承载力为70 kN/m2和180 kN/m2。详见表2。

表2 各种组合情况闸墩稳定分析成果

由表2 计算成果可知：闸墩基底应力平均值大于地基容许承载力70 kN/m2，需要进行地基处理。

4.2 基础处理方法分析

基础处理方法可采用砂垫层法和采取钻孔混凝土摩擦桩处理桩基。

一是砂垫层法：按计算需将闸基底第4 层淤泥质土挖去清除，回填中粗砂，分层振冲压实。

二是采取钻孔混凝土摩擦桩处理地基，闸墩基底总长18 m，总宽2.2 m，取桩直径为1 m，按摩擦桩间距a≥2.5 倍桩直径计算，沿水流方向布置7 排，宽度方向布置1 排。摩擦桩单桩轴向容许总承载力计算公式如下：

式中：［P］——单桩轴向容许承载力，kN；

μ——桩的周长，μ=3.14 m；

h——桩在局部冲刷线以下的有效长度，按13.6 m 计；

τp——桩壁土的平均极限摩阻力，本工程采用钻孔桩，入土层为上层淤泥质土层，下层为砾砂层，由工程勘察报告查得钻孔桩淤泥质土层τp=7 kN/m2，砾砂层τp=40 kN/m2，加权平均换算τp=34.9 kN/m2；

A——桩尖的横截面面积，采用桩直径1 m，则A=0.785 m2。

σR——桩尖处土的极限承载力，kN/m2。

桩尖处土的极限承载力按下式计算：

式中：σ0——桩尖处土基本承载力，据地质报告σ0=180 kN/m2；

md——清底系数，对于透水地基md=0.70；

K0——考虑桩尖以上土层附加荷载作用的系数，砾砂层K0=5，淤泥质土层，Il=1.04＞0.5，K0=1.5；

γ2——桩尖以上土的天然容重，砾砂层γ2=20kN/m3，淤泥质土层γ2=17.1 kN/m3，则加权平均换算容重γ2=19.55 kN/m3；

h1——桩尖的埋置深度，取h1=13.6 m，其中上层为淤泥质粘土层，平均厚度2.1 m，其下层为粗砾砂层，最大揭示厚度13.80 m，底层粉质粘土，揭示厚度3.7～3.8 m；

λ——考虑桩的入土长度影响修正系数，查得透水地基λ=0.70。

代入公式，桩尖处土的极限承载力σR=1215.2kN/m2；得单桩容许承载力［P］=1 331.046 kN；闸墩桩基础总容许承载力［Pa］=9 317.322 kN；闸墩最大竖直总荷载Pi=6 101.964 kN。

桩基进入第5 层砾砂层深13.6 m，桩直径1 m，桩中到中间距为桩直径的2.5 倍，每边岸墙灌注桩沿水流方向布置7 排，垂直于水流方向布置1 排，桩总的容许竖向承载力［Pa］=9 317.322 kN，计算闸墩最大竖直总荷载Pi=6 101.964 kN，Pi＜［Pa］满足承载力要求，安全。

根据闸基地质情况，第4 层淤泥质土分布较均匀，设计闸基底以下厚度＜3 m，挖除该软弱土层难度不是很大，采取换填中粗砂结合振冲挤密加固方案较适宜，造价较低。桩基施工进度慢，相对造价较高。拟采用换填中粗砂结合振冲挤密加固方案处理拦河闸地基，要求处理基础承载力为200 kPa。

5 闸门设计

采用梁格式布置的结构尺寸为：闸门5 500 mm×3 000 mm（宽×高）；顶横梁截面160 mm×500 mm（b×h）；中横梁截面250 mm×500 mm（b×h）；底横梁截面200 mm×500 mm（b×h）；边柱截面250 mm×500 mm（b×h）；吊点处纵梁截面350 mm×500 mm（b×h）；小纵梁截面200 mm×500 mm（b×h）；面板厚δ=150 mm。

闸门受水压力及浪压力作用，其内力及配筋计算结果见表3。

表3 闸门内力及配筋计算成果表

横梁挠度值f=7.4 mm＞［f］=10.5 mm，满足要求。横梁裂缝宽度值0.239 mm 小于规范值0.30 mm，满足要求。

根据地质报告试验结果，场区地下水对混凝土结构无腐蚀性，对长期浸水混凝土结构中的钢筋无腐蚀性，对干湿交替混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。结构设计使用年限不小于50 年，属三级，水位变化区环境E 级，故混凝土标号采用C40 混凝土，Ⅰ、Ⅱ级热轧钢筋，保护层最小厚度板45 mm，梁、柱50 mm。设计采用钢筋混凝土平面闸门，门高3.0 m，门宽5.5 m。