刘老涧新闸除险加固方案比选分析

丁瑞 郝人艺 许委

在20 世纪中叶，我国掀起了全国性的兴修水利热潮，水闸一直以来承担着防洪、排水等一系列的重要任务，为地区工农业发展和保障民生提供了极大帮助，但是受当时设计与施工水平的影响，很多水闸都存在一些质量缺陷，再加上几十年的运行，水闸老化或受损等问题日益突显，如果不采取科学性除险加固措施，对以上情况进行有效改善，便极易引发各种不良后果。基于此，本文以刘老涧新闸项目为例，通过对水闸除险加固方案进行比选，明确各方案的优劣势，从而选出性价比最高的加固方案，确保水闸工程的安全稳定运行，将其效用最大化发挥出来，造福于民。

水利水电工程是一项影响巨大的民生工程，水闸在水利工程中对防洪抗涝起着关键性作用，但是随着使用的年限不断增加，其伴随的隐患也会逐渐增多，如未及时处理，可导致严重的后果。因此需要对水闸实施科学的评估以及合理的除险加固，通过对比选出最具经济性、安全性的加固方案，及时排除水闸隐患，确保水闸效益的充分发挥。本文将针对刘老涧新闸除险加固方案比选展开分析，仅供参考。

一、水利水电工程中水闸工程的建设意义

结合我国国情特征分析可发现，我国地域广博，资源丰富，其中水资源较多，但是我国的水资源分配存在不合理现象，在一定程度上也会制约社会的发展和进步。为改善水资源分配不合理的现象，我国在实际的发展中建设了大量的水利工程，对促进国民经济发展有着非常积极的作用，其中水闸是保障水利水电工程建设效益的重要组成部分，整体的施工质量对工程效益与效用发挥有着直接的联系。具体的施工意义如下：

1.有助于防洪减灾

水闸作为水利水电工程中的重要部分，对防洪减灾有着重大作用，在水资源匮乏时能够开闸放水，减少旱灾的产生，同时在出现降水量过度时则可以调节水量，避免出现洪涝灾害等。具体来说，我国属于典型的亚热带季风气候，其中长江流域在汛期时会受到洪水和涝灾的影响出现较多的问题，这一流域群众的生命和财产安全受到了极大的威胁。近些年，在水利水电工程持续建设完善的背景下，水闸在汛期时及时调整调度，起到防洪和减灾的作用。水闸可以拦截和储存洪水，同时还能够满足泄洪和削弱洪峰的管理目标。在实际的运行管理中，利用水闸的开闭来实现洪水的调节和流向的改变，由此来降低对周围区域产生的各种影响，对保障周围环境的安全和社会群众的生命安全有着显著的意义。

2.能够调整水位

在上述观点的分析中明确指出，我国的水资源是非常丰富的，但是资源的分布却极不平衡，南北方的水量差异巨大，因此我国的人均水资源在世界上也处于落后地位。为解决和优化这一问题产生的消极影响，我国在社会发展中积极建设了大量的水利水电工程，利用这一工程能够实现水资源的合理分配。同时在这一工程的建设下，还能够实现水资源的合理调度，可以提高水位增加水势能，利用水力资源实现发电和水资源的再分配。总的来说，水利水电工程的建设对社会发展产生的积极作用显著且长远，能够很好地满足社会持续发展需要。水闸的广泛应用，能够强化工程的建设效益和使用效益，有助于推进清洁型能源的影响力和使用率。

3.便于河流管理

我国的河流湖泊众多，若是不优化利用则会导致水资源浪费的同时产生各种危害，对社会发展也会产生不利的影响，为充分利用水资源，我国非常重视水利水电工程建设，为社会经济以及民生发展提供了巨大帮助。水闸可以利用自身闸门的开启和关闭来调蓄水位，尤其是针对部分有航行要求的河流，水闸在其中起到的重要性更显著，此能够确保整个河道内船舶交通调度管理的有效性，为航运和水资源的充分利用起到了关键性作用。

从上述不难看出，水闸对地区发展及防洪有重大意义，但为了确保水闸作用的充分发挥，还应结合水闸项目实际，采取可行的除险加固方案，为水闸工程的安全稳定运行保驾护航。本文将以刘老涧新闸为例，针对刘老涧新闸除险加固方案比选展开分析，详情如下：

二、工程概况

自1976 年刘老涧新闸建设后发挥了巨大作用，刘老涧新闸属于刘老涧枢纽排泄宿迁闸下游、黄墩湖以及沂河洪涝的控制性建筑物，位于京杭运河中运河段。对于运河中每秒800 立方米到1000 立方米的排洪任务由刘老涧二站节制闸和刘老涧新闸共同分担，并且还兼具着洋北地区的排涝职责。刘老涧新闸关闸蓄水能够对其所在范围内的工业与农业需求充分满足，同时还能在丰水期间达到抽水站发电目的。刘老涧新闸于2015 年工程项目安全被鉴定为三类，为了确保其安全稳定运行，亟需对其实施进一步加固改造，通过分析比选得到可行的除险加固方案，切实提升新老涧新闸运行安全性。

图1 刘老涧新闸外观效果图

三、方案分析

1.除险加固—扩孔

有两个企业位置紧贴着刘老涧新闸北侧，如果将扩孔处设计在刘老涧新闸北侧，那么需要向北侧加大50米，这样才能满足施工布置要求及基坑开挖作业标准，并将这两个企业迁出此地。由于这两个企业的拆迁工程需投入较大的人力、物力，所以可将扩孔位置设计在刘老涧新闸南侧。闸墎除门槽段结构为现浇钢筋混凝土，其他都是内部填充块石的预制混凝土，其墎壳厚度为20 厘米，凿开表层后，里面填充的块石混凝土可见，需要重新建设闸墩。所以，在闸墩外侧加固改造建设期间，将钢筋混凝土围包于闸墩外侧，厚度控制在20厘米，每孔净宽为4.6 米，闸孔净宽度依据每秒500 立方米的流量计算应为34.9 米，一共有8 个孔，其中向南侧扩3 孔，净宽总长度为36.8 米。具体加固方案共涉及十方面：第一，向南侧增加3 孔，闸墩厚度为1.2 米，净宽度为4.6 米，总体宽度加到18.6 米，并且将南侧上下游翼墙拆除；第二，钢筋混凝土作为预制块混凝土闸墩外包材料，厚度控制在20 厘米；第三，凿除反拱底板面层，同时铺设钢筋网，面层凿除厚度为20 厘米，随后在上面浇筑混凝土；第四，根据抗震加固规定，需要将闸上交通桥、便桥进行拆除；第五，抗震不符合规定，且排架配筋难以达标时，拆建排架、启闭机房以及工作桥；第六，将备用发电机组与相关涉及的设备进行及时更换，并结合时代发展趋势，构建符合项目实际的自动化控制系统；第七，更换闸门、启闭机8 台套；第八，选择减载加固方式，解决地震期翼墙系数过大且不均匀的问题；第九，新建备用发电机房，完善上下游水文观测设施；第十，上下游翼墙、护坡、护底整修。结合施工设计与基坑开挖需求，工程应整体向南扩55 米。为了确保刘老涧北侧与老闸周边的两家企业建筑物安全，应套打总共240 米的防渗搅拌桩进行防渗处理，此处采用的搅拌桩长度为15 米，北侧与老闸分别打120 米。扩孔加固改造对于混凝土反拱底板闸墩处存在的底层受力难题未能予以解决，只能加固反拱底板面层，不利于实施封闭式项目管理。除此之外，在此方案中，北侧翼墙并未被拆除，虽然保留了下来，但其为浆砌石结构，是一种不利于抗震的砖石结构。

2.除险加固—拆除重建

结合刘老涧新闸上下游及周边建筑布置情况，可采取移址重建与原址拆建两种改造加固方案。可在二站交通桥下游或者原闸和二站交通桥间进行移址重建的位置设计。最佳位置可通过比选方案来进一步确认。

（1）方案一：结合刘老涧新闸门每秒500 立方米的设计流量确定拆迁地址与施工计划。在迁拆闸门孔时需要选择3 孔，各孔净宽均为10 米，闸顶与底板高程分别为11.5 米和22 米。上下游连接段选取的是圆弧翼墙连接河坡；10 度扩散角直线段连接圆弧翼墙，随后再连接河坡。在此期间的连接段翼墙为钢筋混凝土悬臂挡土墙。上游翼墙顶部需要安装挡浪板，高度为1 米，整个顶部高程为21 米。下游翼墙顶部也同样需要安装挡浪板，高度为1 米，整个顶部高程为20 米。相邻建筑物在施工的顺利开展下为了确保其安全，可在支护期间选择φ60 直径搅拌桩，此桩的长度为120 米。另外，还需要从北部厂区拆除一部分，面积为1730 立方米。为了实现对闸门的控制，需要在上游设置混凝土散水、C20 混凝土护底，长度分别为16 米和50 米，并选用C20 混凝土对两侧包头予以保护。除此之外，下游也需要设置2 米深、27 米长的消力池，58 米的C20 混凝土护底，12 米混凝土散水以及8 米抛石防冲槽，同时于槽外设置12 米的护坡。在此期间，上下游河流底部要控制50 米宽度。方案一优点：①可以省去一座交通桥，乡镇道路交通桥可选用闸上交通桥；②降排水费用有明显节省，且上下游围堰间并无太远距离③闸上两侧不用对堤防高程进行提高，此处堤防已达到规定标准。方案一缺点：①原闸址南北侧分别为老闸桥和一企业，为了降低对建筑物带来的影响，需要采用临时支护，并选择适合的防渗处理措施；②在闸上设计的外部交通桥，由于车流量较大，所以管理难度较大，明显增加了维修困难，无法做到封闭式管理；③需要确保支护桩施工完成后，再展开拆老闸建新闸工程，施工期间有较大风险，且周期过于紧张；④原址拆建与乡镇道路紧邻，从而无法有序进行施工工场的布置。

（2）方案二：移址重建方案1。方案二布置在原大门与第二站交通桥之间。根据刘老涧新闸门建设需求，可选择在原闸门下游108 米的位置进行新闸门的建设。结合刘老涧新闸设计的每秒500 立方米流量，在迁拆闸门孔时需要选择3 孔，各孔净宽均为10 米，闸顶与底板高程分别为11.5 米和22 米。上下游连接段选取的是圆弧翼墙连接河坡；10 度扩散角直线段连接圆弧翼墙，随后再连接河坡，在此期间的连接段翼墙为钢筋混凝土悬臂挡土墙。上游翼墙顶部需要安装挡浪板，高度为1 米，整个顶部高程为21 米。为满足施工要求，保证相邻建筑物的安全，拟采用φ60 直径搅拌桩进行支护和防渗，长度约120 米。北部厂区需要拆除约3000 平方米。控制闸门上游依次安装混凝土散水16 米，C20 混凝土护底50 米；下游设27 米消力池，深度2.0 米，后设12 米混凝土散水，58 米C20 混凝土护底，8 米抛石防冲槽，并在防冲槽外设护坡至12.0 米。上下游河道底宽50 米，北侧厂房外新建防洪墙，长约一百米。方案二优点：①外部交通在闸桥分离下明显降低了对节制闸带来的影响，并且可以落实封闭式管理；②能缩短施工周期，同时开展拆老闸建新闸项目。方案二缺点：①老闸位置需要将宽长为8 米与60 米的交通桥进行拆除；②工程降排水成本明显加大，上下游围堰有较远距离；③河道北侧厂房处堤防防洪高程抬高，防洪墙在建设时，总长度要超出一百米；④拆迁成本加大，需要从闸道路穿过厂区；⑤上游北侧需要临时支护，确保紧邻企业的安全性，并采用可行的防渗策略。

（3）方案三：移址重建方案2。为促进项目建设的顺利展开，推进运营管理，应根据刘老涧水利一站与二站枢纽工程的实际情况展开设计方案三，可选择在二站交通桥下75 米位置设计新闸地址。结合刘老涧新闸设计的每秒500 立方米流量，在迁拆闸门孔时需要选择3 孔，各孔净宽均为10 米，闸顶与底板高程分别为11.5 米和22 米。上下游连接段选取的是圆弧翼墙连接河坡；10 度扩散角直线段连接圆弧翼墙，随后再连接河坡，在此期间的连接段翼墙为钢筋混凝土悬臂挡土墙。上游翼墙顶部需要安装挡浪板，高度为1 米，整个顶部高程为21 米。下游翼墙顶部也同样需要安装挡浪板，高度为1 米，整个顶部高程为20 米。控制闸门上游分别安装8 米规格抛石防冲槽；58 米规格的C20混凝土护底；12 米规格的混凝土散水；27 米规格的消力池；C20 规格的混凝土护底，并且防冲槽外设置12米的护坡。根据上下游河道70 米的底宽，需要将180米的防洪墙建设在北侧厂房。选择φ60 组搅拌桩用作刘老涧二站侧堤防渗，以此来降低刘老涧站房受到基坑降水的影响。方案三优点：①工程开展中不会对周边建筑物造成影响，且工程布置十分便利；②闸桥分离，能够实现封闭管理，大大降低了节制闸受到外部交通带来的影响；③可节省施工时间，可同时开展老闸建新闸项目。方案三缺点：① 在旧闸址拆除并修建一座长宽为60 米、8 米的桥梁；②施工围堰上下游距离较长，部分项目涉及的降排水成本有明显增加。③明显加高了北侧厂房堤防高程，对于新建防洪墙的总体长度需要达到180 米以上。

3.拆除重建方案比较

在地质条件方面、供电方面，通过比较分析后得知，移址与原址并无明显差异，而两者不同处主要体现为：原址拆建施工周期过于紧张，施工十分困难且需要临时支护，但加固改造费用较低；移址重建施工便利，闸桥分离使得项目管理难度低，需要加固北侧堤防以及补偿交通桥一座。从表1 的方案比选可以看出，方案一和方案三只差了42 万的投资成本，而方案二投资金额较大，但考虑到整体项目实际，为了更有利于项目管理及施工，最终确定三、移址重建2 为本次加固改造方案。

表1 拆除重建方案比选

四、结论

（1）方案一，扩孔加固。可以有效加固反拱底板面层，但对于混凝土反拱底板闸墩处存在的底层受力难题未能予以解决；闸身受大量泄洪影响，导致振动现象的发生，但无法查明具体原因，故未对此处进行加固改造。（2）方案二，拆除重建。能够实现桥闸分离，使项目安全隐患得到了减少，大大防止了方案一闸上交通对于工程运行的负面影响，更有利于开展封闭式管理；同时，还降低了对周边建筑物受到方案一中不确保施工因素带来的破坏，为施工顺利推进奠定了基础。（3）经初步投资估算，与扩孔加固改造方案相比，拆除重建方案使用的加固成本明显高于前者，但其即在项目管理、施工、改造方面有明显优势。通过各方面对比分析，本项目更适合选择移址重建2 的拆除重建方案。