贾口枢纽拦河闸除险加固工程方案设计

宋洪武，马千丽

（枣庄市水利勘测设计院，山东 枣庄 277000）

1 工程概况

贾口枢纽拦河闸工程位于胜利渠与峄城大沙河交叉口，通过控制拦河闸、东西节制闸，在胜利渠灌溉时提闸放水，非灌溉期挡大沙河蓄水，涉及灌溉面积8.29万亩，是一座以防洪、灌溉为主的中型水利枢纽。自1976年修建至今，工程已运行40多年，在防洪和灌溉两个方面取得显著的效益。工程主要建筑物为钢筋砼拦河闸，垂直水流方向全长70 m，共5孔，每孔净宽7.0 m，闸墩宽1.2 m，闸门采用宽×高为7.0 m×5.5 m的钢闸门，闸后为钢筋混凝土工作桥板。闸室上游连接段铺盖长5.5 m，闸室长12.8 m，下游连接段消力池长19.7 m，结构材料均为浆砌块石。西面闸5孔，东面闸6孔，共11孔，均为3.0 m×3.5 m铸铁闸门，胜利渠西闸设计流量54 m3/s，东闸设计流量40.17 m3/s。长期的运行使得工程现状存在很多问题，早期工程建设标准相对较低，尽管经过多次维修，但未从根本上消除工程隐患。贾口枢纽拦河闸工程作为枣庄市唯一大型灌区胜利渠灌区的主要工程，其现状难以承担城乡生活和国民经济发展所赋予的繁重供水任务，加快改造是唯一可行的措施。

2 工程现状及存在问题

由于工程多年的运行导致老化损坏严重，受限于资金，本工程只是局部进行了修补，未能进行深入的检修，并未完全消除隐患。特别是闸上生产桥，由于原设计标准偏低，再加上频繁过往超载车辆，桥面出现许多裂缝，桥面铺装层钢筋外漏、面板出现沉陷等现象，排架出现扭曲变形。同时，工程还存在上下游护坡砌筑砂浆强度低，老化剥蚀严重、局部沉陷坍塌，闸门长年锈蚀毁坏、止水橡胶老化破损漏水严重、启闭机制动失灵及运转不灵活等问题，严重影响正常蓄水运用。同时，根据《峄城大沙河防洪规划报告》，该闸现状泄洪能力不满足河道近期和远期防洪规划的要求。由于贾口枢纽拦河闸运行时无法达到相关设计标准，鉴定为四类水闸，亟需对该工程进行除险加固改造，消除存在的工程安全问题，满足过流能力，恢复原闸蓄水灌溉的功能，同时发挥交通运行、回补地下水源、改善生态环境等综合效益[1，2]。

3 工程除险加固设计

3.1 闸址选择

根据贾口枢纽拦河闸工程任务及运行要求，在河道顺直、河势相对稳定的河段修建闸室具有明显优势，同时该河段应地质条件良好，具有有利的交通运输公路，方便施工和工程管理；选定的闸址与支流汇入口之间宜有一定的距离。原工程位于胜利渠与峄城大沙河交叉处，闸址处上下游河道顺直、河势稳定。同时闸址处担负着峄城大沙河泄洪和胜利渠调蓄双重功能，闸后桥连接两岸硬化道路交通便利；河道左岸现状布置管理设施，位置较合适无需新增占地。综上所述，闸室周线不变，在原闸址拆除新建拦河闸方案是合适的。

3.2 工程建筑物布置

贾口枢纽拦河闸闸址处设计过闸流量为500.0 m3/s，校核过闸流量为578.0 m3/s，根据规范选取，该工程的规模为中型，对应的工程等别为Ⅲ等。为与现行河道防洪规划标准相匹配，同时考虑闸址以上河道远期规划，保障水闸工程安全、减少对河道行洪的影响，本工程采用20年一遇设计洪水标准，采用50年一遇校核洪水标准。由于贾口枢纽拦河闸工程位置特殊，是连接胜利渠与峄城大沙河重要枢纽，左右岸与胜利渠东西节制闸相连，具有灌溉、拦蓄、交通等多重任务[3-5]，其枢纽布置需要根据工程任务及各建筑物的运行特点，结合闸址处的地形水流条件等布置，使其发挥过程的最大效益。贾口枢纽拦河闸除险加固工程主要为改建拦河闸工程。拦河闸为开敞式钢筋砼结构，主要由3部分组成。

（1）上游连接段

翼墙、铺盖组成了上游连接段，根据布置及现场情况要求，铺盖分4段共长64.0 m，为C25钢筋砼结构，厚0.5 m，顺水流方向每段长16.0 m，每段上下游端均设置深1.0 m底宽0.5 m梯形齿墙。左右岸翼墙均采用C25扶臂式钢筋砼挡土墙，扶壁间距3.0 m，扶壁厚0.5 m，挡墙顶高程33.6 m，挡墙高8.3 m；直线段按5.0 m、10.0 m间距分段，圆弧段90°弧长整体为一段。右岸翼墙全长19.2 m，其中铺盖范围为5 m长直线翼墙，直线段以上为14.2 m长圆弧翼墙（圆弧半径9.0 m，圆心角90°）。左岸翼墙全长39.2 m，其中铺盖范围为25 m长直线翼墙，直线段以上为14.2 m圆弧段（圆弧半径9.0 m，圆心角90°）。

（2）闸室段

考虑到地基为土基，可能产生不均匀沉降，闸室段设计采用整体式闸室结构。闸室结构既要满足上部结构的布置需要，又要满足自身结构稳定的要求，同时闸室基地压力也应满足规范要求。根据以上设计原则，参考已建工程经验，闸室顺水流方向长度为16.0 m，闸室底板厚度通常采用闸孔净宽的1/6~1/8，设计闸室底板厚1.4 m。结合地形条件，闸室总宽度为47 m，由4个单孔10 m的闸孔组成，闸孔总净宽为40 m。

闸室段由闸底板、闸墩等组成。闸底板为C25钢筋砼结构，闸墩设缝，每2孔一联，缝墩厚2.0 m，分缝宽度2 cm，齿墙主要分布在闸底板上下游端。闸墩主要由中墩和边墩组成，中墩宽度为1.5 m，边墩宽度为1.0 m，主要是C25钢筋砼结构，墩顶高程34.0 m。

闸墩顶部设双柱C30钢筋砼排架，排架高7.0 m，柱截面尺寸为0.7 m×0.7 m。排架顶部设C30钢筋砼机架桥。贾口枢纽拦河闸机架桥顶部设启闭机房，长51.2 m，宽4.4 m，层高3.6 m，总高4.3 m，框架结构。

（3）下游连接段

下游连接段采用消力池进行消能，末端接海漫段进行保护，左右岸设置翼墙。消力池采用下挖式消力池，消力池总深度1.2 m，总长度22.0 m，厚度为1.0 m。消力池首部进口段高程取25.3 m，尾部平直段高程取24.1 m。消力池底板厚1.0 m，采用C25钢筋砼结构，池长范围底部设反滤排水，自上而下分别为10 cm厚碎石、300 g/m2土工布、10 cm中粗砂。

消力池边墙顶高程33.5 m，墙顶宽0.5 m，墙背填土高程为33.3 m。底板总宽9.9 m，底板顶高程与消力池底一致，为24.1 m。边墙底板下设0.1 m厚C10素混凝土垫层。墙背25.6 m及27.1 m高程处设直径80 mm的PVC排水管，间距1.5 m。

消力池后接海漫段，基本与下游河底相平。海漫段分为两段共长35.0 m，均为C20混凝土块护底，厚度0.3 m，下设0.1 m碎石垫层。结合地形条件及现场建筑物布置情况，消力池及海漫段范围内左右岸挡土墙主要采用C25扶臂式钢筋混凝土挡土墙。

4 工程水力计算

根据水闸设计规范宽顶堰淹没计算公式，拦河闸过流能力复核计算如下：

式中，μ0为宽顶堰淹没出流的综合流量系数；Q为拦河闸设计过流流量，m3/s；B0为闸孔净宽之和，即拦河闸过流总净宽，m；hs为拦河闸下部宽顶堰上的水深，m；H0为闸上堰下水头hs与行近流速水头之和，m；根据水文计算，贾口枢纽拦河闸除险加固工程50年一遇校核洪水流578.0 m3/s，20 年一遇设计洪水流量500.0 m3/s。设计的闸孔总净宽为40.0 m，当拟定的过闸水头差时，求得过闸流量略大于20年及50年一遇流量，对应过闸流量为553.1 m3/s及603.9 m3/s，即拟定的闸孔尺寸及条件能满足规范和过流要求，改善了河道的行洪条件。

表1 拦河闸过流能力计算表

5 工程结构计算

5.1 闸顶高程确定

水闸闸顶高程主要根据运行情况确定，一般分为水闸挡水和水闸泄水两种情况。挡水时，闸顶高程一般高于水闸最高拦蓄水位、波浪计算高度与规范对应标准的安全超高值相加的值；泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位与相应的安全超高之和，以及校核洪水位与相应的安全超高之和。 根据上述运行情况，水闸闸顶高程计算如下，根据计算结果，水闸闸墩顶高程应高于33.54 m。

表2 闸顶高程计算表 单位：m

5.2 闸底槛高程及闸孔总净宽

贾口枢纽拦河闸除险加固工程所在峄城大沙河属台儿庄区段，该段河口宽度约70.0 m，为衔接河道水位，现状拦河闸底板高程为25.3 m。河道属淤积砂质，现状闸址上游河道段高程为25.3~25.5 m，消力池后现状河道底高程为25.30 m。由于贾口枢纽拦河闸除险加固工程位于平原河道与渠道交叉口，闸址上下游水位落差很小，河床地质属土质，携带少量泥沙杂质，结合河道泥沙特性，拦河闸出险加固采用平底宽顶堰具有相当的优势。平底板宽顶堰结构简单、有利于排沙冲淤、泄流能力比较稳定、施工较方便，当闸底板高程与河底齐平时，能够多泄水引水、冲淤排沙。 据此，闸室底板采用平底板宽顶堰型式，闸室底板高程基本持平上下游河道，取25.3 m。

根据规范，一般闸室总宽度与河道宽度的比值在0.60~0.75之间，闸孔净宽选择范围在8~12 m之间，闸底板厚度约为闸孔净宽的1/6~1/8。据此，闸室总宽度47.0 m，闸孔总净宽为40 m，单孔宽度10.0 m，闸底板厚度采用1.4 m。

5.3 闸室稳定及闸基应力计算

根据水闸设计，闸室2孔一联，设置缝墩，故计算时，选取一联作为计算单元进行验算。结合规范要求，选取计算工况如下：

基本组合1：正常挡水期，工作闸挡水，下游水位平闸底板。

基本组合2：施工完建期，地下水位低于闸底板。

特殊组合 1：检修工况，检修闸挡水，下游水位平闸底板。

特殊组合2：地震工况，工作闸门蓄水，下游水位平闸底板。

根据规范，土质地基上，沿闸室基底面抗滑稳定安全系数计算如下：

式中，K为抵抗沿闸室基底面滑动的抗滑稳定安全系数；f为闸室底面与土质地基接触面之间的摩擦系数，根据规范取0.4；∑G为闸室结构受到的全部竖向荷载，kN； ∑H为闸室结构受到的全部水平向荷载，kN。

根据贾口枢纽拦河闸工程等别，其主要建筑物属于3级建筑物，抗滑稳定安全系数允许值在不同计算工况下取值不同，基本组合下K不小于1.25，特殊组合1下K不小于1.10，特殊组合2下K不小于1.05。若结构布置不对称或受到不对称荷载作用时，闸室底面基底应力计算如下：

式中，σmax、σmin为受不对称荷载或结构布置不对称时，闸室底面基底应力的最大值和最小值，kPa；∑G为闸室结构受到的全部竖向荷载作用和，kN；A为闸室结构底面的面积，m2；∑Mx、∑My为闸室结构受到的全部竖向和水平向荷载对于基础底面形心轴x、y的力矩和，kN·m；Wx、Wy为闸室底面对其形心轴x、y的截面矩，m3；η为闸室底部基底应力的不均匀系数值。

贾口枢纽拦河闸基础作用在土基上，其稳定计算主要从以下几方面评价，即闸室平均基底应力、闸室基底应力最大值及最小值比值及闸底面抗滑稳定安全系数。根据上述要求，各工况下计算单元成果如表3所示，由计算成果可知，各计算工况下抗滑稳定系数大于规范值，均能满足抗滑稳定要求。

表3 闸室稳定及应力计算成果表

6 结论

贾口枢纽拦河闸工程运行多年，由于其现状损坏严重，难以承担城乡生活和国民经济发展所赋予的繁重供水任务。为消除工程存在安全问题，文章结合工程闸址地质、地形条件、水力条件等实际情况，拟定了该工程除险加固方案。经复核，除险加固后的拦河闸功能均满足规范要求。文章结合工程特点制定方案，对拦河闸工程的除险加固设计提供了一定的参考。