五里河翻板闸更新改建工程设计

赵 旭

（驻马店市河湖事务中心，河南 驻马店 463000）

0 引言

水闸工程可以有效调节水位，也能控制水流大小；主要由上游连接段、闸室和下游连接段三部分组成。在水利工程建设过程中，水闸是一个非常重要的组成部分，其设计施工质量会对水利工程的整体质量产生直接影响。因此在对五里河翻板闸更新改建设计要充分考虑实际情况，对周围环境进行详细的调查研究，严格按照要求实施其各方面的设计，确保五里河翻板闸更新改建工程的质量和安全。

1 项目概况

五里河翻板闸坐落于置地公园下游（天中山大道与滨河路交叉口西100 m 处），是练江河支流五里河上的一座控制性工程，此水闸修建于1977年3月，完建于1979年9月，结构为7孔混凝土翻板闸，每孔5 m，全长35 m，中间有1.50 m×1.50 m提水小闸门启闭机一套，常年控制水位高程为79.10 m，设计库容55万m3。水闸工程由闸室、上游连接段、下游连接段组成，其工作原理是运用水压力与闸门自重当作启闭闸门的动力，随着上游水位升高逐渐开启泄流，随着上游水位下降，逐步回关蓄水；建设五里河翻板闸主要是用于练江河水渠的闭合，难以满足农田灌溉需要。

该水闸是当年的水利智慧结晶，于2018 年12 月被驻马店市人民政府评为驻马店市历史建筑。

2 水文与地质

2.1 水文

五里河是练江河支流，呈西北至东南流向，在市区天中山大道南段下游200 m处汇入练江河。属亚热带向暖温带过渡气候区，多年平均降水量960 mm，年际变化较大，年内分配不均。

2.2 工程地质

工程区地处淮河冲积平原，为平原河谷地貌形态。两侧地形较为平坦，地势西北高东南低，地面平均坡度约为1/1 000。根据工程区地形及工程地质条件，建筑物基础主要持力层为第③层中粉质壤土，该层承载力标准值为130 kPa，强度一般，工程地质条件较好。

3 五里河翻板闸存在问题

3.1 上游连接段存在的问题

由于翻板闸已运行40余年，闸前淤积严重。

3.2 闸室段外观存在的问题

闸门：混凝土闸门锈蚀露筋，止水失效，漏水严重，翻板闸门已失效，已失去翻板闸门的作用，只能起到拦蓄水的作用，支墩、支腿出现碳化现象，连杆锈蚀严重。见图1。

图1 现状混凝土闸门图

启闭机：机架锈蚀，齿轮箱漏油严重，制动轮磨蚀不平。

启闭机房：启闭机房地面、墙面及房梁出现裂缝，门窗破损严重，已失去其基本功能，栏杆等附属设施损坏严重。见图2。

图2 现状交通桥栏杆图

3.3 闸门与启闭机存在的问题

混凝土平面翻板闸门混凝土碳化严重，多处钢筋锈胀裂缝，闸门面板锈胀严重，保护层单机翘皮脱落；闸门多处止水失效，漏水严重，启闭机老化，启闭机齿轮锈蚀，启闭机已使用40年之久，已超过《水利水电工程金属结构报废标准》所使用的折旧年限。

总之，该翻板闸至今运用40 余年，已出现闸门漏水、闸底板冲蚀严重、闸门启闭困难、管理失控、闸房老化等问题，这些问题严重影响了翻板闸的安全运行，不能保证农田的灌溉水源，也严重影响五里河流域防洪除涝安全，给周围人民群众的生命财产安全带来了极大威胁。

4 更新改建的必要性和工程任务

4.1 更新改建的必要性

五里河翻板闸为五里河节制闸，主要用途为拦蓄上游来水，供两岸农田灌溉。但翻板闸出现了闸门漏水，不仅浪费了宝贵的灌溉用水，也不能保证农田的灌溉用水需求；闸门启闭困难、管理失控这些问题严重影响了五里河流域防洪除涝安全。因此，对五里河翻板闸进行更新改建是非常有必要的。

4.2 工程任务

该工程主要任务是对五里河翻板闸进行更新改建，主要内容包括：更换翻板闸闸门及闸后支墩，维修闸底板、消力池、护坡、闸房、交通桥及清淤等。

闸门安装前应凿除闸后支墩、闸墩边墙及底板已冲蚀和老化的部分，植筋和浇筑混凝土修整，并安装底部和侧向止水钢板。对上下游冲毁的连接工程按原结构和原材料进行修复。闸门由原水力自控混凝土闸门换成液压双控钢闸门。

对闸房进行更换门、新增防盗窗、整修室内地坪、重新粉刷内外墙体、改造屋顶及更换观光平台外栏杆等。对交通桥梁栏杆损毁部位进行维修，桥梁两边栏杆重新刷漆。

5 工程设计

该工程为五里河翻板闸改建工程，仍在原闸址处。钢闸门重新安装于原混凝土闸门处，数量是7扇闸门，共3孔。

5.1 设计依据

此工程的设计依据是：《防洪标准》《水利水电工程等级划分及洪水标准》《河道整治设计规范》《水工混凝土结构设计规范》《水闸设计规范》等。

5.2 工程等级及标准

按照《防洪标准》和《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定该段河道按50年一遇防洪设计，相应过闸流量为145 m3/s，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（1）型，主要建筑物等级为4级，次要永久建筑物级别为5级，临时建筑物级别为5级。此工程永久性建筑物洪水标准：设计洪水标准50年一遇，相应设计流量为145 m3/s。

5.3 设计流量

北支五里河流域面积只有27 km2，使用附近练江河水文站观测的点 雨量进行分析。五里河流域属平原区，根据流量经验公式Q=KRF0.75，五里河设计流量见表1。

表1 五里河设计流量表

5.4 施工期设计流量

此次设计以练江河上的驻马店水文站作为参证站按面积比的0.75次方推求设计河流段非汛期设计洪水。施工期洪水标准为5年一遇，统计1956—2020年65年每年11月至第二年4月份最大测流量，进行频率分析，5年一遇施工期洪水为1.50 m3/s。

5.5 工程设计

5.5.1 原翻板闸设计方案

五里河翻板闸原设计为水力自控翻板闸，闸门为混凝土结构，共7扇，单扇尺寸宽5 m、高3 m，呈3+1+3共3孔分布。闸顶高程79.10 m，闸上有钢筋混凝土梁板式交通桥，桥面高程81.50 m。

5.5.2 改建翻板闸设计方案

拆除原钢筋混凝土平板闸门及其闸后支墩，水力自控翻板闸更换为液压双控翻板闸，重新浇筑闸后支墩，闸门采用钢闸门结构，采用液压启闭。

整个闸室分为3孔，分别为南北边孔和中孔。南北边孔净宽均为15 m，中孔净宽4.30 m。闸门共7扇：南北边孔分别使用3扇×5 m×3 m（宽×高）钢板闸门；中间孔使用1扇×4.30 m×3.00 m（宽×高）钢板闸门。原检修闸螺杆式启闭机混凝土闸门，此次改建为手电两用螺杆式启闭机和1.50 m×1.50 m铸铁闸门。

5.6 过流能力复核

根据翻板闸在运行时的工作情况，其过流可分为如下方式：①在洪水期或需大流量放水时的塌坝过流，按堰流公式计算。②翻板闸立坝挡水时上游水头超过坝顶，水流从坝顶过流，按薄壁堰流计算过流能力。③翻板闸局部坝段部分开启，从开启坝扇与挡水坝扇间的局部出流，按门顶薄壁堰流与门底孔流之和计算。此次主要复核五里河翻板闸塌坝过流能力。

当遇洪水时，翻板闸塌坝过流，和宽顶堰过流类似，根据《水闸设计规范》，按照宽顶堰堰流公式计算过流能力。

式中：Q—过坝流量（m3/s）；H0—坝前堰上水头，计行进流速（m）；m—包括行近流速影响的宽顶堰的流量系数；ε—侧收缩系数；B—翻板闸净宽（m）；σs—淹没系数。

翻板闸净宽b=7.2 m×2 m×2 m+4.3 m=33.10 m，50年一遇防洪水位为79 m，过闸水位差为0.20 m，按照堰流计算公式可以得出Q=205 m3/s，大于该段河道50 年一遇流量（Q=145 m3/s）。因此，翻板闸改建后过流能力满足防洪要求。

5.7 闸室稳定复核

5.7.1 计算工况

工况一：完建期，上、下游均无水，仅考虑永久荷载及可变荷载中的风荷载和人群荷载。工况二：正常运用期，上游有水、下游有水。工况三：正常运用期，上游有水、下游无水。

5.7.2 计算地质参数

根据勘探资料和翻板闸基布置情况，翻板闸坝区第③层粉质壤土为主要持力层，承载力标准值130 kPa，其地质参数建议基础与地基土之间的摩擦系数f=0.25～0.30。

5.7.3 闸室稳定复核

5.7.3.1 抗滑稳定计算

抗滑稳定计算主要核算坝基面上的抗滑安全系数，采用抗剪强度计算公式：

式中：Kc—沿基底面的抗滑稳定安全系数；［Kc］—沿基底面的抗滑稳定安全系数允许值；f—基底面与地基之间的摩擦系数，按《水闸设计规范》第7.3.10 条的规定采用；∑H—作用于基底的全部水平向荷载，（kN）；∑G—作用于基底的全部垂直向荷载，（kN）。

5.7.3.2 基底应力计算

基底应力计算参照《水闸设计规范》，基底应力计算公式为：

翻板闸稳定计算结果见表2。

表2 翻板闸稳定计算成果表

经复核计算，各工况下翻板闸抗滑安全系数和不均匀系数均满足规范要求；各种工况下闸基底压力均小于地基允许承载力设计值，且坝基底不出现拉应力，满足规范要求。

5.8 主体工程设计施工

5.8.1 混凝土工程施工

此工程混凝土工程主要涉及重建闸后支墩及原闸底板整修。闸后支墩与原闸底板接触处需先植筋再浇筑混凝土。

混凝土采用商品混凝土，混凝土工程施工时依次按序进行浇筑。施工中，应按设计要求的工作缝跳仓施工，减少不必要的施工缝出现。如有发生，要对混凝土进行冲毛清洗后，先铺筑一层2～3 cm厚的高标号水泥砂浆。

5.8.2 金属结构设备设计安装

金属结构制作与安装主要包括液压翻板闸门、支撑杆及铰链轴制作与安装等，单件最大重量在40 t以内。闸门支撑杆及铰链轴等均选用具备金属结构制造资质的单位制成成品，通过试拼装并验收合格后再运至工地现场拼装，拼装好后采用汽车吊装就位。金属结构安装在相应部位的混凝土浇筑完成、具备安装条件后进行，金属结构埋件施工与相应的混凝土工序同时进行。

6 结语

综上所述，水闸工程设计关系到整个水利工程的质量，因此在对五里河翻板闸进行更新改建设计时要充分考虑好实际情况，对项目地的情况有详细调查和研究，从工程建设实际条件与影响因素出发严格按照要求实施各方面的设计，确保工程的质量和安全。通过五里河翻板闸进行更新改建工程的实施，在很大程度上提高了流域内的防洪排涝能力，解决了目前防洪存在的问题，也为灌区水利工程的建设安全与区域水利危险控制打下坚实的基础。