某蓄水建筑物鋼壩閘設(shè)計要點

商博

（河南省山水水利工程有限公司，河南 鄭州 475000）

1 工程概況

該工程設(shè)計根據(jù)該河道具體比降及灘地高程確定蓄水建筑物位置，設(shè)計擬在河道上新建2 座鋼壩閘，分別為建設(shè)路橋閘（衛(wèi)河樁號40+050）、毛樓閘（衛(wèi)河樁號46+700）。鋼壩閘中心線與河道中心線平行布置，2座鋼壩閘設(shè)計擋水高度為4.30 m、4 m，結(jié)構(gòu)形式基本一致，由上游連接段、鋪蓋段、閘室及消力池段、海漫段、防沖槽、下游連接段組成。

2 鋼壩閘閘門設(shè)計要點

該工程設(shè)計2座鋼壩閘均采用專業(yè)成品底軸驅(qū)動下臥式翻板鋼壩。擬建設(shè)路閘閘門尺寸4 m×16 m，毛樓閘閘門尺寸3.70 m×25.00 m。閘門門體厚度不小于450 mm，門頁面板采用Q235B材質(zhì)，門葉設(shè)前、后面板，面板厚度不小于10 mm。

鋼壩閘門底軸要求采用Q345B直縫焊接鋼管，鋼管直徑不小于800 mm，鋼管壁厚不小于55 mm，底軸支鉸采用半封閉鉸座，底軸上要設(shè)置不銹鋼軸套，軸套壁厚不小于10 mm，底軸啟閉機(jī)控制室穿墻套管采用鑲銅軸套，軸套壁厚不小于20 mm。

門葉及埋件外露部分（不銹鋼除外）防腐采用噴鋅防腐，噴砂除銹達(dá)到Sa2.5 級，表面粗糙度Ry60～100 μm，噴鋅厚度160 μm，底漆為環(huán)氧云鐵漆1道，干膜厚度為80 μm，面漆為氯化橡膠漆，干膜厚度為80 μm，埋件與混凝土接觸部分涂苛性鈉水泥漿。

3 鋼壩閘布置

3.1 上游連接段

上游連接段設(shè)計全長10 m，設(shè)計底寬18～22 m，兩岸邊坡1.00∶2.50。岸坡采用現(xiàn)澆C25混凝土護(hù)砌，厚0.30 m。護(hù)坡下設(shè)反濾土工布。底板及岸坡每10 m分一道伸縮縫，縫寬20 mm，內(nèi)填聚乙烯閉孔泡沫板。上游連接段混凝土抗?jié)B等級W4，抗凍等級F150。

3.2 防滲鋪蓋段

鋪蓋段設(shè)計全長20 m，寬22 m（16 m、25 m），采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.40 m，下設(shè)0.10 m 厚C15混凝土墊層。兩岸采用圓弧翼墻與岸坡連接。翼墻采用現(xiàn)澆C25 混凝土重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻頂高程按正常蓄水位+0.50 m確定。翼墻墻高4.50 m，頂寬0.60 m，背坡1.00∶0.50；基礎(chǔ)厚0.80 m，底寬3.75 m，前趾長0.50 m，后踵長0.40 m，下設(shè)0.10 m厚C15混凝土墊層。鋪蓋段底板及翼墻每10 m，分1道伸縮縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)設(shè)橡膠帶止水。翼墻墻后填筑原狀土，壓實度不小于0.91。鋪蓋段混凝土抗?jié)B等級W4，抗凍等級F150。

3.3 閘室及消力池段

蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計閘室及消力池底板采用一體化設(shè)計，全長16 m，寬22 m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘底板上游端高出河道底高程0.30 m，采用1∶4 斜坡與上游鋪蓋連接。閘室段底板厚1.20 m，下設(shè)0.10 m厚C15混凝土墊層。消力池末端底板厚0.80 m，下設(shè)粗砂、碎石墊層，各厚0.20 m；表層設(shè)置φ75PVC排水孔，間距1 m，呈梅花型布置。

3.4 海漫段

消力池下游設(shè)置海漫，共長20 m，其中上游為M7.5 漿砌石海漫，長10 m，厚0.50 m，下設(shè)粗砂、碎石墊層，各厚0.15 m，表層設(shè)置φ75PVC排水孔，間距1 m，呈梅花形布置；下游側(cè)為干砌石海漫，長10 m，厚0.50 m，下設(shè)粗砂、碎石墊層，各厚0.15 m。防沖槽位于海漫末端，底寬2 m，深1 m，上游邊坡1∶2，下游邊坡1∶3，內(nèi)填拋石。翼墻及護(hù)坡設(shè)置Φ75 mmPVC排水孔，行距2 m，排距3 m。兩岸護(hù)坡、翼墻及漿砌石底板每10 m設(shè)道伸縮縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)充填聚乙烯閉孔泡沫板。混凝土抗凍等級F150，抗?jié)B等級W4。

3.5 下游連接段

下游連接段設(shè)計全長10 m，設(shè)計底寬22 m～18 m（11 m、19 m），兩岸邊坡1.00∶2.50。岸坡采用現(xiàn)澆C25 混凝土護(hù)砌，厚0.30 m。護(hù)坡下設(shè)反濾土工布。底板及岸坡每10 m 分一道伸縮縫，縫寬20 mm，內(nèi)填聚乙烯閉孔泡沫板。下游連接段混凝土抗?jié)B等級W4，抗凍等級F150。

3.6 閘室平臺

結(jié)合上下游圓弧翼墻布置，設(shè)計在鋼壩閘兩側(cè)設(shè)平臺，平臺寬11.55 m，順?biāo)鞣较蜷L56 m；平臺頂高程同上下游翼墻頂高程，表層采用C25無砂透水混凝土硬化，厚0.30 m，下設(shè)0.10 m厚碎石墊層；兩岸閘墩及翼墻頂部設(shè)仿石混凝土欄桿。平臺上下游設(shè)C25混凝土踏步。

4 鋼壩閘工程水力計算

4.1 閘孔凈寬計算

該蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計4 座蓄水建筑物均為敞開式寬頂堰結(jié)構(gòu)。閘孔凈寬按淹沒堰流計算，采用高淹沒度（hs/H0≥0.90）公式：

式中：Q—過閘流量；B0——閘孔的總凈寬，m；H0—計入行近流速的堰上水深，H0＝H+V02/2 g；H—堰上靜水深，m；V0—行洪流速，m/s；hs—由堰頂算起的下游水深，m；μ0—淹沒堰流的綜合流量系數(shù)。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，“一般情況下，平原區(qū)水閘的過閘水位差可采用0.10～0.30 m”。衛(wèi)河建設(shè)路橋閘閘室總凈寬取16 m，毛樓閘閘室總凈寬取25 m，設(shè)計流量和排澇流量工況下，上下游水位差均滿足規(guī)范要求。

4.2 消能防沖計算

消能防沖計算的主要目的是確定水閘的消力池深度、長度及底板厚度，同時確定下游海漫的長度及沖刷深度，確保水閘在各種運行工況下的安全。

按照鋼壩閘的任務(wù)，在汛期來臨之際或發(fā)生異常情況時，其上游正產(chǎn)蓄水位時、下游無水時開啟泄水，作為控制消能設(shè)計的水力條件。按河道天然水位流量關(guān)系曲線，閘門逐漸降低，進(jìn)行動態(tài)計算。消力池計算采用《水閘設(shè)計規(guī)范》附錄B公式，先判斷是否需要設(shè)消力池，然后采用試算方法確定消力池深度及長度。

4.3 滲流計算

水閘的滲流計算應(yīng)根據(jù)閘基的地質(zhì)情況、閘基和兩側(cè)輪廓線的布置及上下游水位條件進(jìn)行，主要內(nèi)容包括滲透壓力計算和抗?jié)B穩(wěn)定性驗算。初擬鋪蓋長度20 m，閘室長度16 m。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，閘基滲透壓力采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計算。

確定地基有效深度：由于Lo/So=5.90＞5.00 則按公式Te=0.50Lo計算地基有效深度式中：Lo—地下輪廓的水平投影長度（m）；So—地下輪廓的垂直投影長度（m）；Te—水閘的地基有效深度（m）。經(jīng)計算地基有效深度為18 m。

計算分段阻力系數(shù)：將實際的地下輪廓進(jìn)行簡化，使之成為垂直的和水平的兩個主要部分，再根據(jù)簡化了的地下輪廓不透水部分各角點的等勢線，將地基分段。

5 鋼壩閘工程穩(wěn)定計算

5.1 閘室穩(wěn)定計算

5.1.1 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，衛(wèi)河水環(huán)境綜合治理蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計2座鋼壩閘，閘室基礎(chǔ)均位于第③單元地基土中，地基允許承載力特征值為130 kPa；閘室與基礎(chǔ)綜合摩擦系數(shù)f=0.30。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，閘址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，抗震計算采用擬靜力法。

5.1.2 計算工況

根據(jù)閘室結(jié)構(gòu)，蓄水建筑物鋼壩閘工程對閘室按基本荷載組合和特殊荷載組合分別進(jìn)行計算。按《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，土基上閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值，中等堅實地基上，基本組合η=2.00，特殊組合η=2.50。閘室基底應(yīng)力計算成果見表1。

由計算結(jié)果可知，閘室基礎(chǔ)以③單元重粉質(zhì)壤土為持力層可滿足承載力求。

5.2 擋土墻穩(wěn)定計算

閘室上下游翼墻采用重力式擋土墻，蓄水建筑物鋼壩閘工程擋土墻穩(wěn)定計算選擇閘前鋪蓋擋土墻斷面進(jìn)行典型穩(wěn)定分析。閘墩采用空箱式擋土墻形式，衛(wèi)河水環(huán)境綜合治理蓄水建筑物鋼壩閘工程對閘墩進(jìn)行穩(wěn)定計算。

5.2.1 擋土墻計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，兩岸翼墻及閘墩基礎(chǔ)位于第③單元地基土中，地基允許承載力特征值為130 kPa；擋土墻與地基綜合摩擦系數(shù)f=0.30?？够€(wěn)定安全系數(shù)，按《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，3 級建筑物基本組合k＝1.25，特殊組合Ⅱk＝1.05；在各種計算工況下，基底應(yīng)力的最大值與最小值之比即不均勻系數(shù)允許值，堅實土基的基本組合η＝2.00，特殊組合η＝2.50。

5.2.2 擋土墻計算工況

各斷面均按基本荷載組合和特殊荷載組合進(jìn)行計算?；窘M合完建期：自重+土壓力+土重基本組合；設(shè)計蓄水位工況：自重+水重+水壓力+土重+土壓力+揚(yáng)壓力；特殊組合：地震工況。

表1 閘室基底應(yīng)力計算成果表

5.2.3 擋土墻計算方法

抗滑穩(wěn)定計算按抗剪強(qiáng)度公式：

閘墩及翼墻擋土墻穩(wěn)定計算由計算結(jié)果可知，擋土墻計算斷面在各種工況下抗滑穩(wěn)定計算均滿足規(guī)范要求，計算基底應(yīng)力均小于第③單元地基允許承載力。

6 結(jié)語

該水環(huán)境綜合治理蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計充分利用該段河道內(nèi)灘地優(yōu)勢，通過建設(shè)蓄水建筑物，抬高河道水位，建設(shè)人工濕地，改善水環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)水生態(tài)；同時在濕地內(nèi)修建生態(tài)步道，增加游覽的趣味性，發(fā)展周邊旅游經(jīng)濟(jì)；另外，對現(xiàn)狀岸坡進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸改造，保障水安全的同時美化造景、維護(hù)河道生態(tài)環(huán)境。