息縣樞紐閘室設(shè)計研究

馮 帥 楊子江 歐 勇

（1.國家投資項目評審中心 北京 100037 2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

息縣樞紐是2019年開工建設(shè)的河南省大別山革命老區(qū)引淮供水灌溉工程三大主要建設(shè)內(nèi)容之一，同時也是河南省大別山革命老區(qū)引淮供水灌溉工程的控制性工程。息縣樞紐位于淮河干流息縣水文站下游約6.7km 處，上游距出山店水庫壩址約130km，下游距省界王家壩約100km。 息縣樞紐具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉和改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能，其中城鎮(zhèn)供水范圍為息縣、潢川兩縣縣城，灌溉范圍涉及息縣、淮濱兩縣沿淮35.7 萬畝灌區(qū)。息縣樞紐正常蓄水位39.2m，蓄水庫容1.2 億m3，興利庫容0.92億m3，多年平均供水量1.65 億m3，其中向城市供水1.03 億m3，灌溉供水0.62 億m3。

2 建筑物級別及設(shè)計標(biāo)準

息縣樞紐位于淮河干流，設(shè)計洪水流量9300 m3/s，校核洪水流量15600m3/s。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》，確定主要建筑物級別為1 級，次要建筑物級別為3 級；設(shè)計洪水標(biāo)準50年一遇，校核洪水標(biāo)準200年一遇。

3 樞紐位置

息縣樞紐選址位于淮河息縣水文站下游約6.7km 處，此處河底寬240～420m，閘址上、下游河底高程25～29.5m，局部采砂坑底高程19.0m。閘址上游有河灘地，寬70.0～120.0m，地面高程31.5～35.0m，其他處無灘地。右岸一級階地地面高程36.5～41.0m，團山、伊山等低山丘陵區(qū)地面高程43.0～64.0m；左岸為沖洪積平原，地面高程37.5～41.0m。息縣樞紐布置在淮河主槽內(nèi)，結(jié)合地形地質(zhì)條件，選擇全深孔閘行洪方案。

4 閘室設(shè)計

4.1 閘檻高程比選

閘檻高程的確定應(yīng)滿足蓄水、泄洪等功能，并結(jié)合上、下游河道高程和河道縱坡進行多方案比選。息縣樞紐閘檻高程比選方案如表1所示。3 個方案的過閘落差均為0.2m。

息縣樞紐節(jié)制閘下游河床土質(zhì)為中粗砂，兩岸邊坡土質(zhì)為輕粉質(zhì)壤土、粉細砂及中粗砂，抗沖能力較差。本工程河床土層水力半徑為1m 時的抗沖流速取0.7m/s，設(shè)計水深情況下允許不沖流速計算結(jié)果為1.72m/s。從表1中可以看出，方案1 校核洪水下游河道流速1.78m/s 大于允許不沖流速，不滿足要求。故重點對方案2 和方案3 進行技術(shù)經(jīng)濟比選。從土方填挖工程量、基礎(chǔ)處理和工程占地方面進行比較，方案2 均占優(yōu)。經(jīng)測算，方案2 可比投資54492 萬元小于方案3 可比投資57214 萬元。結(jié)合工程安全和技術(shù)經(jīng)濟分析綜合比較，息縣樞紐閘檻高程推薦采用方案2，閘檻高程確定為29.0m。

4.2 閘孔孔徑比選

根據(jù)確定的閘檻高程，通過水力計算確定閘室總凈寬需383m。節(jié)制閘正常擋水高10.2m，結(jié)合淮河干流已建大型水閘運行情況，選取單孔凈寬10.0m×39 孔、15.0m×26 孔和20.0m×20 孔3 種不同孔徑方案進行比選，比選情況如表2所示。3 個方案的過流能力均滿足要求，方案3 超泄能力相對較大。就溫度控制和啟閉機房大梁施工難度兩項，均是方案1 占優(yōu)，方案3 難度較大，方案2 介于兩者之間。從可比投資看，方案2 ＜方案1 ＜ 方案3。綜合比較分析，推薦采用方案2，即孔徑為15m。

4.3 閘室結(jié)構(gòu)比選

息縣樞紐節(jié)制閘具有蓄水和泄洪功能，閘室宜采用開敞式，常用的閘室結(jié)構(gòu)型式有整體式和分離式。閘室結(jié)構(gòu)型式選擇整體式結(jié)構(gòu)和分離式大小底板結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同的地基基礎(chǔ)處理方案進行綜合比選。

方案1：整體式結(jié)構(gòu)。閘底板采用整體式結(jié)構(gòu)，閘總凈寬390m，單孔凈寬15.0m，共26 孔，2 孔一聯(lián)，共13 聯(lián)。每聯(lián)在閘墩處分縫，中墩厚2.5m，邊墩及縫墩均厚1.8m，每塊底板垂直水流向?qū)?6.1m，閘室總寬469.3m。邊墩與岸墻之間以永久縫分隔，使邊墩不受側(cè)向土壓力的作用。閘室上部布置有檢修橋、工作橋和公路橋，工作橋頂部布置啟閉機房，兩側(cè)岸墻頂部布置橋頭堡。閘室地基采用振沖擠密砂樁加固，樁徑1.0m，樁間距1.9m，平面上樁呈三角形布置，置換率25%。上游護底、鋪蓋和下游的消力池、海漫也采用擠密砂樁進行處理，樁徑1.0m，樁間距2.5m，三角形布置。閘室范圍樁頂換填2.0m厚水泥土褥墊層，兼顧防止基礎(chǔ)接觸沖刷。

表1 閘檻高程比選方案參數(shù)表

表2 閘孔孔徑比選情況表

方案2：分離式結(jié)構(gòu)。閘底板采用分離式結(jié)構(gòu)，大、小底板垂直水流方向?qū)挾确謩e為8.5m 和9.0m，兩側(cè)岸墻兼作閘室邊墻。閘孔凈寬15m，墩厚2.5m。閘室總寬457.5m。分離式大底板基底應(yīng)力大，擬采用灌注樁群樁基礎(chǔ)，灌注樁樁徑1.2m，樁間距3.0m，樁長15.0m。為防止大、小底板不均勻沉降，小底板基礎(chǔ)范圍也采用灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁徑0.6m，樁間距3.0m，樁長12.0m。為防止混凝土底板接觸沖刷破壞，閘底板換填1.0m 厚水泥土。上游護底、鋪蓋和下游的消力池、海漫采用擠密砂樁進行處理，樁徑1.0m，樁間距2.5m，三角形布置。

方案1 結(jié)構(gòu)整體性好，不易產(chǎn)生不均勻性沉降，地基處理措施簡單，工期較短，缺點是占地較多；方案2 占地較少，但易產(chǎn)生不均勻性沉降，結(jié)構(gòu)整體性較差，樁基礎(chǔ)處理工藝較復(fù)雜，施工周期較長，不利于工程度汛。息縣樞紐閘門長期處于擋水狀態(tài)，且水頭較高，若遇緊急情況因不均勻沉降造成弧門無法開啟，將造成不可估量的損失。整體式閘室結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)地基的沉降，即使縫墩兩側(cè)發(fā)生不均勻沉降，也不影響閘門啟閉。如采用分離式閘室結(jié)構(gòu)，地基承載力要求較高，結(jié)構(gòu)整體性較差，本閘單孔凈寬達15.0m，雖采用灌注樁進行處理，底板分縫間仍易產(chǎn)生不均勻沉降，影響閘門啟閉。綜合分析，息縣樞紐閘室采用方案1，閘室確定為整體式結(jié)構(gòu)。

4.4 閘頂高程確定

節(jié)制閘正常蓄水位為39.20m，設(shè)計洪水位43.82m（50年一遇），校核洪水位45.05m（200年一遇），根據(jù)波浪計算成果及水閘安全超高取值，計算結(jié)果如表3所示。閘頂高程計算值為46.05m。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，工作橋、檢修橋和交通橋的梁底高程均應(yīng)高出最高洪水位0.5m。息縣樞紐檢修橋梁高1.7m，為滿足梁底超高要求，綜合考慮，閘頂高程確定為47.30m。

4.5 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

表3 閘頂高程計算表

中墩和縫墩（邊墩）厚度根據(jù)門槽布置要求分別確定為2.5m 和1.8m；閘室順?biāo)鞣较蜷L度根據(jù)閘門及上部結(jié)構(gòu)布置要求確定為31.00m；閘底板厚度根據(jù)結(jié)構(gòu)計算確定為3.0m。

4.6 閘室結(jié)構(gòu)布置

4.6.1 閘室

閘室每孔凈寬15.0m，共26 孔，總凈寬390.0m，總寬469.5m，閘底板頂高程29.0m。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu)，二孔一聯(lián)整體式底板，閘墩分縫，底板厚3.0m；閘室順?biāo)鞣较蜷L31.0m；閘墩頂高程47.3m，中墩厚2.5m，縫墩及邊墩厚1.8m。

4.6.2 閘門

節(jié)制閘工作閘門采用弧形鋼閘門，閘門布置于上游側(cè)，配QH-2×800kN-19m 固定卷揚式啟閉機。工作閘門上游側(cè)設(shè)置檢修閘門，配門機啟閉。

4.6.3 公路橋

公路橋布置在閘室下游側(cè)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)。橋頂中心高程47.30m，橋面凈寬7.50m，兩邊設(shè)1.25m 寬的人行道和護欄，公路橋總寬10.0m。

4.6.4 工作橋

工作橋橋頂高程54.30m，其下通過排架與閘墩相連，上設(shè)啟閉機房，寬7.00m，房內(nèi)布置26 臺啟閉機和相應(yīng)的電氣設(shè)備。工作橋主梁為單跨簡支梁，采用現(xiàn)澆混凝土箱型結(jié)構(gòu)，梁高1.80m。

4.6.5 檢修橋

檢修橋橋面高程47.30m，橋面總寬9.7m，采用鋼筋混凝土單跨簡支箱梁結(jié)構(gòu)。

4.6.6 橋頭堡

閘室兩側(cè)的橋頭堡布置在岸墻上，為三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)集中控制室。每側(cè)橋頭堡垂直水流向長16.00m，順?biāo)飨蜷L10.00m，總建筑面積960m2。

5 結(jié)語

息縣樞紐是淮河干流上的1 級建筑物，設(shè)計時應(yīng)結(jié)合樞紐選址地質(zhì)地形條件，同時考慮施工難度，通過多方案技術(shù)經(jīng)濟比選確定息縣樞紐閘檻高程、閘孔孔徑、閘室結(jié)構(gòu)形式、閘頂高程、結(jié)構(gòu)尺寸、閘室結(jié)構(gòu)布置等重要設(shè)計內(nèi)容。實施過程要加強管理，重視基礎(chǔ)處理，保證施工質(zhì)量，從而保證工程建成后安全運行■