石馬河馬灘水閘改擴(kuò)建工程結(jié)構(gòu)方案探究

周達(dá)杰

(東莞市運河治理中心，廣東 東莞 523000)

1 工程概況

馬灘水閘是原東深供水工程第二個攔河梯級，位于石馬河干流清溪鎮(zhèn)馬灘村，于1965年建成投入使用，后歷經(jīng)3次改擴(kuò)建，形成了現(xiàn)在的規(guī)模，水閘原設(shè)計正常蓄水位16.244 m，閘址見圖1。馬灘水閘主要建筑物自左至右依次為土壩(東深二期出水涵閘)、14孔泄洪閘、1孔溢流壩、東深三期出水涵閘及一期泵房。泄洪閘14孔，每孔寬6 m，堰頂高程為11.244 m；溢流壩堰頂高程為16.244 m，寬9.75 m。閘頂上設(shè)2 m寬人行橋和啟門設(shè)備平臺及構(gòu)架，均為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘壩建于弱～微風(fēng)化花崗巖基礎(chǔ)上。

圖1 馬灘水閘閘址圖

本工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、閘室穩(wěn)定、基底最大最小應(yīng)力比等基本滿足現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，但閘室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及混凝土結(jié)構(gòu)及耐久性、工作橋等方面都難以滿足使用要求。根據(jù)《水閘安全評價導(dǎo)則》(SL 214-2015)的有關(guān)規(guī)定[1]，需要對馬灘水閘進(jìn)行除險加固處理，處理后的馬灘水閘即可以在初汛期蓄水，控泄流量，起到蓄污調(diào)節(jié)的作用，增加石馬河河口調(diào)污工程的引污能力，又可增加河道水量，輔以河道水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及閘壩復(fù)氧等措施，有利于形成河道濕地生境，增加水體溶解氧濃度，提高污染物的降解能力，可改善水環(huán)境、水生態(tài)[2]。

2 石馬河馬灘水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 堰頂高程及閘室底板高程

在進(jìn)行堰型選擇時需要考慮的主要方面有排沙防淤、泄流能力和施工方便等。舊閘堰型型式為開敞式實用堰，堰頂高程11.244 m。

圖2 舊閘堰面曲線圖

《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)條文說明第4.2.7條，“一般情況下，為了多泄(引)水，多沖砂，節(jié)制閘、泄洪閘、進(jìn)水閘或沖砂閘閘檻高程宜與河(渠)底齊平”。以利于泄水沖沙和減小工程投資[3]。

若抬高閘底板高程，優(yōu)點是可以降低閘室高度，缺點如下：

1)減小了水閘泄洪能力，需要增加閘孔寬度。

2)下游水墊深度減小，需增加消能防沖設(shè)施工程量。

3)容易引起閘上泥沙淤積。

若降低閘底板高程，帶來的不利影響如下：

1)基礎(chǔ)及兩岸邊坡開挖工程量增加，閘室及兩岸邊坡增加高度，對安全穩(wěn)定不利。

2)為保證進(jìn)出口水流平順及減小下游沖刷，需對水閘上下游附近河道進(jìn)行開挖，改變現(xiàn)狀水下地形。

為提高河道蓄污調(diào)節(jié)能力，本階段新建閘段選擇閘底板高程8.944 m為推薦方案，相應(yīng)選擇開敞式平底寬頂堰為推薦堰型。

表1 舊閘堰面曲線坐標(biāo)表

2.2 閘孔數(shù)及水閘總凈寬

馬灘水閘舊閘由14個閘孔組成，單孔凈寬6 m，新建水閘沿用舊閘孔寬度。設(shè)計、校核工況下，水閘所有閘門全部打開，水閘過流能力按下式堰流公式進(jìn)行計算：

(1)

式中：B0為閘孔總凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s；H0為計入行近流速水頭的堰上水深，m；g為重力加速度，可采用9.81，m/s2；m為堰流流量系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ為堰流淹沒系數(shù)[4]。

馬灘水閘50 a一遇設(shè)計洪水流量為2625 m3/s，200 a一遇校核洪水流量3425 m3/s。石馬河現(xiàn)狀河床淤積嚴(yán)重，水閘上下游局部淤積高程達(dá)12.5 m；正在實施中的石馬河整治工程位于馬灘水閘位置上游河床清淤高程9.044 m；本次水閘過流能力計算上游河床高程取清淤高程8.944 m，下游河床結(jié)合堰面出口高程取8.744 m，計算結(jié)果見表2。

表2 水閘過流能力計算結(jié)果表

經(jīng)計算確定當(dāng)水閘閘孔大于等于19孔時，過閘水頭差可滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)中水閘的過閘水位差為0.1 m～0.3 m的要求[1]。若布置20孔(即擴(kuò)建6孔)水閘，右岸將會產(chǎn)生較大的開挖量及高邊坡處理問題，從節(jié)約投資及現(xiàn)有右岸寬度兩方面考慮，本次改擴(kuò)建工程水閘布置19孔(即擴(kuò)建5孔)，單孔寬度6 m，過流總凈寬114 m。

2.3 泄水閘閘頂高程計算

本工程為Ⅱ等大(二)型工程，水閘級別為2級，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)[1]第4.2.4條規(guī)定，水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運用情況確定。

閘頂高程計算結(jié)果見表3。

從表3中計算結(jié)果可知：閘上校核洪水位(P=0.5%)加相應(yīng)安全超高值的閘頂高程(泄水時)21.477 m為最不利工況。舊閘現(xiàn)閘頂高程為24.744 m大于所需閘頂高程21.477 m。因此，水閘按現(xiàn)閘頂高程進(jìn)行擴(kuò)建[5]。

表3 水閘閘頂高程計算表 單位：m

2.4 閘室穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算

(1)計算斷面

取一塊新建閘段閘室分塊寬度15 m作為計算斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析。計算斷面見圖3，計算段沿水流方向長13 m。

圖3 水閘整體穩(wěn)定分析橫斷面圖(單位：高程，m；其余，mm)

(2)閘室穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算

閘室的抗滑穩(wěn)定計算公式：

(2)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，采用0.5；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載[6]，含底板上的揚壓力，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

閘室抗浮穩(wěn)定計算公式：

(3)

式中：∑V為作用在閘室上的全部向下的鉛直力之和，kN；∑V為作用在閘室基底面上的揚壓力，kN。

閘室基底應(yīng)力計算公式：

(4)

式中：∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，含基底揚壓力，kN；A為閘室基底面積，采用的是分離式底板，閘室基底面積取墩基底面積；∑Mx、∑My為作用在閘室上的全部豎向荷載和水平荷載對基礎(chǔ)底面形心軸x、y的力矩；Wx、Wy為閘室基底對該底面形心軸x、y的截面矩。

作用在閘體上的荷載主要有：自重、水重、靜水壓力、揚壓力、土壓力、淤沙壓力、風(fēng)壓力、波浪壓力等，計算成果見表4。

表4 水閘穩(wěn)定計算成果表

閘室建基面選擇在弱風(fēng)化巖石上，弱風(fēng)化巖石天然密度2.50 g/cm3，與砼摩擦系數(shù)0.65，承載力特征值的經(jīng)驗值2000 kPa。

閘室建筑物級別為2級，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)的規(guī)定，巖基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合不應(yīng)小于1.08[1]、特殊組合Ⅰ不應(yīng)小于1.03；抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合不應(yīng)小于1.10、特殊組合不應(yīng)小于1.05；最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力，且基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力[7]。

基底計算結(jié)果表明，閘室抗滑與抗浮安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力且不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足要求。

2.5 右岸上下游連接段擋墻計算

根據(jù)安全鑒定結(jié)論，水閘現(xiàn)有左岸上、下游連接段擋墻整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足要求，可不進(jìn)行加固，需要對右岸進(jìn)行穩(wěn)定計算與基底應(yīng)力計算。

右岸上、下游連接段靠閘室分別設(shè)置50 m長重力式擋墻，右岸重力式擋墻采用與左岸擋墻相同的形式與斷面尺寸，擋墻墻頂墻頂寬1 m，后坡比1∶0.6，墻頂高程19.004 m～23.744 m，墻身高度11.76 m～16.5 m，底寬9.056 m～11.9 m。

(1)計算參數(shù)選取及安全系數(shù)

作用在擋墻的荷載主要有：自重、靜水壓力、揚壓力、土壓力等。擋墻基建面選擇在弱風(fēng)化巖石上，強(qiáng)風(fēng)化巖石天然密度2.50 g/cm3，與砼摩擦系數(shù)0.65，承載力特征值的經(jīng)驗值2000 kPa。

擋墻建筑物級別為2級[8]，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》[1](SL 265-2016)的規(guī)定，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合不應(yīng)小于1.08、特殊組合Ⅰ不應(yīng)小于1.03；抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合不應(yīng)小于1.50、特殊組合不應(yīng)小于1.30；在硬質(zhì)巖石地基上，最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力。

(2)計算結(jié)果

利用理正巖土擋土墻設(shè)計計算軟件進(jìn)行驗算，計算得出各種運用條件下的抗滑、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)及基底壓應(yīng)力值見表5。

表5 擋墻穩(wěn)定計算與基底應(yīng)力計算表

計算結(jié)果表明，擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應(yīng)力均滿足要求[9]。

3 結(jié)語

在馬灘水閘的可研階段，確定了馬灘水閘的工程等別及標(biāo)準(zhǔn)為：工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(二)型，主要水工建筑物2級，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。經(jīng)過精確計算后設(shè)計石馬河馬灘水閘結(jié)構(gòu)施工方案能夠符合上述要求。