李家橋節(jié)制閘重建工程閘型比選及水力計(jì)算

宋文燕，程 剛，范立群

（德州市水利局，山東 德州 253000）

1 工程概況

李家橋節(jié)制閘位于山東省德州市德城區(qū)馬頰河干流中泓樁號(hào)157+827處， 興建于1970年10月，1971年7月竣工，為7孔開敞式鋼筋混凝土框架式，設(shè)升臥式平板鋼閘門。 除險(xiǎn)加固前， 原閘總長(zhǎng)84m， 凈寬70m，每孔凈寬10m，閘底板高程15.55m。 設(shè)計(jì)防洪流量658m3/s，相應(yīng)閘上水位21.49m；排澇流量429m3/s，相應(yīng)閘上水位20.17m。 設(shè)計(jì)蓄水量780萬(wàn)m3，最大蓄水量1140萬(wàn)m3，是以蓄水灌溉為主，兼顧防洪排澇、輸水調(diào)水等綜合利用的中型水閘工程。 水閘設(shè)計(jì)最大防洪流量為846m3/s，為Ⅲ等3級(jí)水工建筑物。

2 水閘病險(xiǎn)現(xiàn)狀及安全復(fù)核

李家橋節(jié)制閘已運(yùn)行40余年，由于服役年限長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、養(yǎng)護(hù)不到位等因素制約，水閘長(zhǎng)期“帶病超期超載”服役，存在嚴(yán)重安全問(wèn)題［1］。 防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足《山東省海河流域綜合規(guī)劃》防洪標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)流能力不滿足要求；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕嚴(yán)重，機(jī)架橋混凝土強(qiáng)度低；地基不均勻沉降，刺墻沉降縫開裂；水閘滲透變形，下游護(hù)坡塌陷；閘底板斷裂或沉陷，部分閘孔底板異常涌水。

根據(jù)《山東省海河流域綜合規(guī)劃》防洪標(biāo)準(zhǔn)知：李家橋閘50年一遇防洪流量為846m3/s，20年一遇防洪流量為658m3/s。改造前（現(xiàn)狀），李家橋閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，防洪流量為658m3/s、水閘最大可過(guò)流量為775m3/s，改造前防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，過(guò)流能力不滿足50年一遇防洪流量846m3/s防洪要求。改造后，李家橋水閘防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇， 水閘最大可過(guò)流量為900m3/s，大于50年一遇設(shè)計(jì)最大防洪流量846m3/s，防洪排澇安全可靠性高。

李家橋閘現(xiàn)狀過(guò)流能力不滿足要求； 主體混凝土強(qiáng)度低于規(guī)范要求，不滿足耐久性設(shè)計(jì)要求。經(jīng)安全檢測(cè)復(fù)核，鑒定為四類閘，采取正常維護(hù)和大修無(wú)法解決工程的老化病害，需報(bào)廢重建。

3 節(jié)制閘重建設(shè)計(jì)方案

結(jié)合安全鑒定結(jié)果，將原李家橋閘拆除，原址上移8m重建。 新閘布置在馬頰河干流上，順?biāo)飨虮荛_原有樁位布置，垂直水流向交通橋軸線與現(xiàn)有交通道路中心線一致，增加水閘過(guò)流寬度以提高過(guò)流能力。

3.1 閘型方案比選

李家橋節(jié)制閘為樁基開敞式閘室，8孔， 每孔凈寬10m，中墩1.2m厚，邊墩厚1.2m，總寬90.8m。攔蓄工程型式主要有直升式平板閘（提升閘）、底軸翻板鋼閘（翻板閘）、橡膠壩3種，現(xiàn)結(jié)合李家橋節(jié)制閘工程特性，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，比選結(jié)果如表1。

表1 閘型方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比選結(jié)果

從表1可知，3種閘型從技術(shù)上均能滿足李家橋節(jié)制閘的攔蓄灌溉、防洪排澇、輸水調(diào)水等功能要求。 綜合考慮構(gòu)建物布置、運(yùn)行管理、檢修維護(hù)、綜合造價(jià)等因素，設(shè)計(jì)比選表明：八孔樁基開敞式平板閘方案雖阻水性相對(duì)較大，但相比翻板閘和橡膠壩方案，其水工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、升降操作靈活、檢修維護(hù)方便，且工程造價(jià)也較適中。 設(shè)計(jì)推薦優(yōu)選與工程匹配性更高、 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的直升式平板閘閘型。

3.2 節(jié)制閘構(gòu)建物布置

李家橋重建閘布置在主河槽內(nèi)，為8孔樁基開敞式水閘， 每孔凈寬10.0m。 閘墩為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩墻厚1.2m，閘室總寬90.8m。 底板為分離式平底板，順?biāo)蜷L(zhǎng)15m，底板頂高程為15.55m，樁基承臺(tái)小底板間設(shè)永久止水縫。 承臺(tái)寬5m，厚1.5m，下設(shè)10根直徑1.0m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁， 垂直水流向分兩排布列，入土深18m。 邊墩下設(shè)17根直徑0.8m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，入土深22m。 小底板厚0.60m，承臺(tái)與小底板上下游端均設(shè)深齒坎。 閘墩頂設(shè)鋼筋混凝土交通橋，凈寬5.0m，長(zhǎng)102.4m，采用裝配式鋼筋混凝土空心板結(jié)構(gòu)。 閘室兩側(cè)設(shè)刺墻， 墻頂高程為23.35m。 兩側(cè)設(shè)橋頭堡，每個(gè)橋頭堡共3層，內(nèi)設(shè)柴油發(fā)電機(jī)室、配電室、啟閉機(jī)集中控制室、滲壓集中觀測(cè)室等。 上下游連接采用鋼筋混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)。上、下游擋土墻頂部設(shè)防護(hù)石材欄桿。李家橋節(jié)制閘控制段立面布置如圖1。

圖1 李家橋節(jié)制閘立面圖

上、下游連接段護(hù)坡下設(shè)碎石墊層15cm，閘室上游順?biāo)飨蚍謩e為10，15m鋼筋混凝土鋪蓋。 兩側(cè)采用漿砌料石護(hù)坡，護(hù)坡頂高程21.05m。 下游連接段由消力池、海漫、下游防沖槽及下游護(hù)坡組成。 閘室下游依次布置20m鋼筋混凝土消力池、35m漿砌石海漫、12m拋亂石防沖槽，拋石深度2.0m。兩側(cè)采用干砌料石護(hù)坡，護(hù)坡頂高程20.55m。

4 節(jié)制閘水力計(jì)算

4.1 改造后對(duì)河道防洪能力的影響

根據(jù)SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》采用平底閘堰流公式， 對(duì)20年一遇和50年一遇洪水行洪條件下的過(guò)流能力和壅水情況進(jìn)行計(jì)算［5-6］，結(jié)果如表2。

表2 李家橋節(jié)制閘改造前后壅水計(jì)算結(jié)果

經(jīng)與防洪規(guī)劃部門對(duì)接， 確定改造后水閘壅水高度在允許范圍內(nèi)，河道行洪過(guò)流通暢、防洪能力得到提高。

4.2 消能防沖

由于李家橋節(jié)制閘屬于平原地區(qū)的攔蓄閘，河床抗沖刷能力較低，所以采用底流式消能?？紤]最不利開啟閘門因素為第1次開啟，假設(shè)下游無(wú)水或水深為0m時(shí)，試算得池深1.13m，池長(zhǎng)17.399m。 初定消力池池深1.2m， 消力池前段為1∶4斜坡段， 水平投影長(zhǎng)5m，池長(zhǎng)20m。 閘門按照0.5m高度差逐級(jí)提升，計(jì)算得消力池特性參數(shù)分析結(jié)果如表3。

表3 消力池特性參數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)表3計(jì)算成果，結(jié)合李家橋節(jié)制閘工程特性并參照同類已建工程經(jīng)驗(yàn)， 設(shè)計(jì)確定消能防沖設(shè)施尺寸為：池深1.2m，池長(zhǎng)20m，底板厚0.5m，海漫長(zhǎng)35m，防沖槽深度2m。

4.3 防滲措施

采用滯滲與導(dǎo)滲兩種方法來(lái)進(jìn)行防滲布置。閘室底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)15m，單靠閘室底板起防滲作用，滲徑長(zhǎng)度達(dá)不到計(jì)算值38.5m的要求。在閘室上游端增設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，總長(zhǎng)25m，并起阻滑板作用，滲徑總長(zhǎng)44.14m大于38.5m指標(biāo)要求。邊墩上游端兩側(cè)設(shè)有扶壁式弧形鋼筋混凝土翼墻，以增強(qiáng)繞流防滲措施。 閘室下游采用四級(jí)反濾加土工布導(dǎo)滲，水平向設(shè)一級(jí)導(dǎo)滲，設(shè)在消力池底部起首處，側(cè)向?qū)B設(shè)在護(hù)坡底部， 反濾層通過(guò)無(wú)砂混凝土排泄?jié)B透水流。

4.4 穩(wěn)定性分析

李家橋水閘為鋼筋混凝土開敞式中型節(jié)制閘，設(shè)8孔10 m×5.5m（寬×高）的平板鋼閘門，閘門底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)15m，承臺(tái)寬5m，其底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩高7.8m，厚1.2m。 穩(wěn)定性分析計(jì)算工況為：①完建期工況： 無(wú)水； ②設(shè)計(jì)水位工況： 閘上游水位20.08m，下游尾水位15.55m；③校核工況：閘上游水位20.55m，閘下游無(wú)水15.55m。 邊墩閘室計(jì)算順?biāo)骱痛怪彼鲀蓚€(gè)方向的抗滑穩(wěn)定安全性； 而中墩閘室垂直水流向兩側(cè)平衡，故只計(jì)算順?biāo)飨?。邊墩和中墩穩(wěn)定性分析結(jié)果，如表4和表5。

表4 順?biāo)髦卸辗€(wěn)定性分析結(jié)果

表5 順(垂直)水流邊墩穩(wěn)定性分析結(jié)果

李家橋水閘為3級(jí)建筑物，沿閘室底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值基本組合時(shí)為1.25， 特殊組合時(shí)為1.10， 水閘在不同運(yùn)行工況條件下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于安全系數(shù)的允許值， 滿足規(guī)范要求。 但邊墩、 中墩的基底應(yīng)力均大于地基承載力允許值100kPa要求， 需進(jìn)行地基處理才能達(dá)到地基應(yīng)力要求。采用鉆孔灌注樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，即中墩樁長(zhǎng)18m、邊墩樁長(zhǎng)22m進(jìn)行樁基處理后， 地基承載力達(dá)到160kPa，滿足100kPa允許值要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和安全鑒定復(fù)核成果，李家橋節(jié)制閘屬長(zhǎng)期 “帶病超期超載” 服役的病險(xiǎn)水閘，現(xiàn)存防洪標(biāo)準(zhǔn)低、過(guò)流能力差、主體混凝土強(qiáng)度低、滲漏及抗?jié)B穩(wěn)定性差等問(wèn)題，被鑒定為四類水閘，需報(bào)廢重建以消除水閘病險(xiǎn)隱患，滿足攔蓄灌溉、防洪排澇、輸水調(diào)水等方面的功能要求和運(yùn)行效益。

（2）綜合考慮水閘構(gòu)建物布置、操作運(yùn)行靈活性、檢修維護(hù)難度、阻水性能和工程造價(jià)等因素，設(shè)計(jì)優(yōu)選工程適宜性強(qiáng)、匹配性高和造價(jià)適中的直升式平板閘閘型。

（3）水力計(jì)算及穩(wěn)定性分析成果表明，原址拆除重建提升閘方案， 河道行洪泄流能力強(qiáng)，泄水阻力小，壅水高度降低，構(gòu)建物安全穩(wěn)定性高，且經(jīng)樁基補(bǔ)強(qiáng)處理后水閘基底應(yīng)力能滿足地基承載力100kPa要求。