楊啟功

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510630）

0 引言

加固設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上,采取綜合加固措施,提出建設(shè)性設(shè)計(jì)方案和處理措施,使工程恢復(fù)設(shè)計(jì)指標(biāo),達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠［1］。水閘經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行,常出現(xiàn)過(guò)流能力下降、閘基不均勻沉降、防滲穩(wěn)定性不足等現(xiàn)象,為保障取用水戶的用水效益和工程的安全運(yùn)行,及時(shí)進(jìn)行除險(xiǎn)加固是經(jīng)濟(jì)合理的手段。

1 工程概況

練江水閘工程位于練江干流,閘址以上集雨面積334.3 km2,為開敞式水閘,共設(shè)10 孔,總凈寬82.15 m,原設(shè)計(jì)過(guò)閘流量為420 m3/s,閘室總寬97.15 m,是一座以防洪排澇為主、發(fā)電為輔的中型水利樞紐工程。水閘縱剖面見圖1。

圖1 原水閘縱剖面圖

2 水閘設(shè)計(jì)指標(biāo)復(fù)核

2.1 過(guò)流能力

水閘原10 年一遇設(shè)計(jì)（10%）：流量1118 m3/s,閘上水位5.314 m。20 年一遇校核（5%）：流量1420 m3/s,閘上水位6.914 m。閘底高程-0.44 m,閘墩頂高程6.114 m,橋頂高程8.094 m。經(jīng)復(fù)核,閘前校核洪水位6.486 m高于現(xiàn)狀閘頂高程6.114 m,水閘過(guò)流能力不滿足要求。

2.2 閘頂高程

閘頂高程計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 閘頂高程計(jì)算成果表

從表1計(jì)算結(jié)果可知,閘頂高程應(yīng)為7.86 m,現(xiàn)狀閘頂高程6.11m,不滿足規(guī)范要求。

2.3 抗?jié)B穩(wěn)定性

抗?jié)B復(fù)核工況為：上游水位為最高擋水位2.94 m,下游采用實(shí)測(cè)最低水位-1.06 m。根據(jù)工程實(shí)際情況,選取閘室段加下游漿砌石部分進(jìn)行計(jì)算分析。按照規(guī)范推薦改進(jìn)阻力系數(shù)法,可以求得底板平均坡降和出口處坡降：

J0=出口段水頭損失/出口段長(zhǎng)度

J1=底板各段水頭損失/底板水平段長(zhǎng)度

底板平均坡降和出口處坡降見表2。

表2 改進(jìn)阻力系數(shù)法抗?jié)B復(fù)核計(jì)算成果

根據(jù)工程地質(zhì)勘察,堅(jiān)硬粘土地基水平段允許滲流坡降0.40。計(jì)算結(jié)果表明,底板水平段坡降0.04,滿足要求；底板出口處坡降0.41,不滿足要求。

2.4 消能防沖復(fù)核

2.4.1計(jì)算工況

練江水閘現(xiàn)狀消能防沖措施采用消力池和海漫相結(jié)合。主河槽段閘室底板出口以1∶7坡度與護(hù)坦銜接。消力池長(zhǎng)20.8 m,池底板厚度0.6 m,池底高程-1.857 m,消力坎頂高程-1.057 m。練江水閘上游正常蓄水位為2.94 m,當(dāng)上游來(lái)水量大于發(fā)電流量時(shí),開啟閘門泄洪。閘門開度按0.25 m、0.5 m、0.75 m…至全開控制,首次按2孔0.25 m開啟,然后分別按相應(yīng)的開度逐扇開啟至1 孔,進(jìn)行消能防沖復(fù)核計(jì)算,找出最不利的控制工況。計(jì)算方法見式（1）~（4）。

式中：d為消力池深度；σ0為水躍淹沒系數(shù)；h＇c為躍后水深；hc為收縮水深；ΔZ為出池落差；hs為出池河床水深。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水閘消力池計(jì)算成果表

2.4.2復(fù)核結(jié)果

（1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果,工況2 水流銜接良好,基本上下游水深均大于躍后水深,不會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍,小流量時(shí)產(chǎn)生遠(yuǎn)離水躍。在流量為19 m3/s時(shí),消力池池深最大,為1 m,大于現(xiàn)狀池深0.8 m；在流量為618 m3/s時(shí),消力池池長(zhǎng)最大,為36.08 m,大于現(xiàn)狀池長(zhǎng)20.8 m；在流量為429 m3/s時(shí),海漫長(zhǎng)度最大,長(zhǎng)33.7 m,大于現(xiàn)狀海漫長(zhǎng)5.5 m,均不滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）現(xiàn)狀無(wú)防沖槽,不滿足防沖要求。水流出消力池后端單寬流量較大,采用的河床土質(zhì)允許不沖流速V0=0.7 m/s,海漫末端河床計(jì)算沖刷深度dm=12.3 m。下游護(hù)岸已局部受沖破壞。

3 除險(xiǎn)加固方案擬定

根據(jù)復(fù)核結(jié)果,水閘過(guò)流能力及閘頂高程、出口段滲流坡降、消力池長(zhǎng)度和海漫長(zhǎng)度均不滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)存在的問(wèn)題,除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)擬定兩種方案。

3.1 方案一

舊水閘底板及閘墩采用“金包銀”型式。保留現(xiàn)水閘左側(cè)9 孔閘室底板及閘墩,拆除右側(cè)單孔閘及電站,新建2 孔新閘；重建上游鋪蓋及下游消能防沖設(shè)施、啟閉機(jī)室等,閘室上游側(cè)新建工作橋。

左側(cè)9 孔閘室利用現(xiàn)狀3 孔一聯(lián)型式。閘底板加厚0.4 m,高程-0.04 m,前段加寬0.5 m,總寬8.90 m,中墩和縫墩加長(zhǎng)與閘底板同寬,中墩兩側(cè)各外包C30 鋼筋砼,厚0.45 m,總厚度2.2 m,縫墩及邊墩內(nèi)側(cè)包C30 鋼筋砼厚0.45 m,總厚度1.75 m,孔口凈寬由8.7 m變?yōu)?.8 m；閘墩頂加高1.89 m,高程8.00 m。右側(cè)拆除現(xiàn)狀孔口凈寬3.95 m單孔閘及電站部分,新建2 孔新閘,新閘底板厚1.8 m,底板頂部高程-0.04 m,寬8.9 m,中墩厚2.5 m,邊墩厚1.5 m,閘頂高程8.00 m,凈寬7.8 m。加固后共11 孔,單孔凈寬7.8 m,閘室總寬度111.8 m,總凈寬85.8 m,長(zhǎng)度8.9 m。閘墩上游側(cè)設(shè)工作橋,橋?qū)?.95 m,橋面高程8.00 m,與檢修平臺(tái)同高。工作橋設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級(jí),采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板結(jié)構(gòu),空心板兩端分別簡(jiǎn)支在各孔的閘墩上。拆除原閘室上部排架及啟閉機(jī)室,按新的要求新建排架及啟閉機(jī)室,啟閉機(jī)室地面高程16.36 m。工作閘門采用平板鋼閘門,閘門尺寸b×h=7.8 m×3.3 m,固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉,一門一機(jī)；檢修閘門位于工作閘門前,采用懸掛式移動(dòng)啟閉機(jī)進(jìn)行操作,共一扇閘門。閘室段在加長(zhǎng)的縫墩前段新設(shè)垂直止水,閘室底板前段與上游鋪蓋之間、閘室底板后段與消力池斜坡段之間新設(shè)水平止水,止水材料采用1.5 mm厚紫銅片,現(xiàn)有底板部分利用原有的水平止水。閘室上游設(shè)C25 鋼筋砼水平防滲鋪蓋,長(zhǎng)20.0 m,厚0.5 m。鋪蓋末端設(shè)厚0.6 m、深5.4 m的砼地下連續(xù)墻。消力池長(zhǎng)38.0 m,其中斜坡段長(zhǎng)19.2.0 m、水平段長(zhǎng)18.8m,池深1.2 m,C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu)；海漫段長(zhǎng)40.0 m,前段水平段長(zhǎng)5.0 m,C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu),后段長(zhǎng)35.0 m,為C25 鋼筋砼框格、漿砌石結(jié)構(gòu),坡比1∶25,防沖槽長(zhǎng)15 m,采用拋填塊石。

3.2 方案二

保留原水閘底板,拆除現(xiàn)有閘墩并新建,同時(shí)拆除右側(cè)單孔舊閘及電站,新建1 孔新閘；重建上游鋪蓋及下游消能防沖設(shè)施、啟閉機(jī)室等,閘室上游側(cè)新建管理用橋?，F(xiàn)狀水閘左側(cè)9 孔為3 孔一聯(lián),閘室長(zhǎng)度8.4 m,每段寬度30.0 m。本次加固利用現(xiàn)有底板并加厚0.4 m、前段加長(zhǎng)0.5 m,拆除現(xiàn)有閘墩后新建閘墩,為了增大過(guò)流斷面,采用2 孔一聯(lián),邊墩或縫墩厚1.74 m,中墩厚2.5 m,長(zhǎng)度8.9 m與底板相同,單孔凈寬12.0 m,閘室底板頂部高程-0.04 m,閘墩頂部高程8.16 m。右側(cè)拆除現(xiàn)狀孔口凈寬3.95 m單孔閘及電站部分,新建1 孔新閘,新閘底板厚1.8 m,底板頂部高程-0.04 m,凈寬12.0 m,邊墩厚2.0 m,縫墩厚1.74 m,閘墩頂部高程8.16 m。加固后,閘室共7 孔,單孔凈寬12.0 m,左側(cè)6 孔為2 孔一聯(lián),右側(cè)一孔為單孔,閘室總寬度106.1 m,總凈寬84.0 m,長(zhǎng)度8.9 m。閘墩上游側(cè)設(shè)工作橋,橋?qū)?.95 m,橋面高程8.16 m,與檢修平臺(tái)同高。工作橋設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級(jí),采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板結(jié)構(gòu),空心板兩端分別簡(jiǎn)支在各孔的閘墩上。拆除原閘室上部排架及啟閉機(jī)室,按新的要求新建排架及啟閉機(jī)室,啟閉機(jī)室地面高程16.36 m。工作閘門采用平板鋼閘門,閘門尺寸b×h=12.0 m×3.4 m,固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉,一門一機(jī)；檢修閘門位于工作閘門前,采用懸掛式移動(dòng)啟閉機(jī)進(jìn)行操作,共一扇閘門。閘室段在縫墩前段新設(shè)垂直止水,閘室底板前段與上游鋪蓋之間、閘室底板后段與消力池斜坡段之間及閘室底板段新建的閘墩底部新設(shè)水平止水,止水材料采用1.5 mm厚紫銅片,現(xiàn)有底板部分利用原有的水平止水。

閘室上游設(shè)C25 鋼筋砼水平防滲鋪蓋,長(zhǎng)20.0 m,厚0.5 m。鋪蓋末端設(shè)厚0.6 m、深5.4 m的砼地下連續(xù)墻。消力池長(zhǎng)38.0 m,其中斜坡段長(zhǎng)19.2 m、水平段長(zhǎng)18.8 m,池深1.2 m,C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu)；海漫段長(zhǎng)40.0 m,前段水平段長(zhǎng)5.0 m,C25鋼筋砼結(jié)構(gòu),后段長(zhǎng)35.0 m,為C25 鋼筋砼框格、漿砌石結(jié)構(gòu),坡比1∶25,防沖槽長(zhǎng)15 m,采用拋填塊石。

3.3 方案比較

由于方案一過(guò)流斷面凈寬85.8 m,方案二過(guò)流斷面凈寬84 m,兩方案過(guò)流斷面及過(guò)閘單寬流量、上下游水頭差非常接近,消能防沖設(shè)施基本一致,在方案比選時(shí)上游鋪蓋及下游消能防沖設(shè)施投資未參與比較。見表4。

表4 方案比較表

經(jīng)綜合工程布置、水力條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)各方面比選,推薦方案二為本次除險(xiǎn)加固方案。

4 結(jié)語(yǔ)

除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)深入結(jié)合原工程,在保障后期運(yùn)營(yíng)期設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到規(guī)劃要求的前提下爭(zhēng)取以最小的經(jīng)濟(jì)成本獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益。因此設(shè)計(jì)方案要深入復(fù)核現(xiàn)狀工程概況,基于現(xiàn)狀病害提出適宜的加固方案,并通過(guò)施工工藝、工期及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選,確定最優(yōu)加固方案。