城市防洪水閘重建設(shè)計與滲流穩(wěn)定計算分析研究

江 高

(江門市新會區(qū)水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 江門 529100)

1 概述

下淺水閘位于江門市新會區(qū)會城街道江門水道右岸距虎坑口0.85km，虎坑河是西江連通崖門水道的重要支流，從睦洲流入，向西南流經(jīng)會城街道，由虎坑口出銀洲湖從崖門出海，流域面積40km2，干流全長15km，平均坡降0.5‰。本地區(qū)主要受到銀州湖水道暴潮的襲擊，堤內(nèi)暴雨徑流主要由于自身集雨面積產(chǎn)生。該區(qū)受臺風(fēng)暴雨襲擊頻繁，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)形成的風(fēng)暴潮破壞力大，且臺風(fēng)來時一般又伴隨區(qū)內(nèi)暴雨，因此堤內(nèi)又產(chǎn)生澇災(zāi)，造成巨大洪澇災(zāi)害。

下淺水閘原有一孔，原凈寬4m，底板高程-1.6m。水閘承擔(dān)排洪擋潮與引水灌溉任務(wù)。下淺水閘現(xiàn)有啟閉架混凝土剝落，鋼筋外露，閘門及滑輪組等金屬結(jié)構(gòu)部分銹蝕，且橋面寬度不滿足交通需求，現(xiàn)以重建工程展開詳細(xì)設(shè)計和穩(wěn)定性分析研究。

2 工程水文地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

根據(jù)臨近工程資料，工程所在地地下水屬潛水類型，賦存于第四系地層中，主要受地表河水及大氣降水補給，向河道排泄，水位變化明顯受地表河水變化的影響，地下水位一般洪水期上升，旱季下降，水位變化幅度約為0.5～1.5m。

研究項目所在地區(qū)的地下水中碳酸根離子比重大，因此會對混凝土結(jié)構(gòu)有一定的弱腐蝕性，在周邊環(huán)境出現(xiàn)干濕反復(fù)的情況下導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋產(chǎn)生弱腐蝕，同時也對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性；項目區(qū)內(nèi)的地表河水對混凝土沒有腐蝕性，僅僅對鋼結(jié)構(gòu)有一定的弱腐蝕性。

2.2 工程地質(zhì)條件

所在區(qū)域地層主要為人工填土層、第四系海陸交互相沉積層、第四系殘積層及基巖，其中基巖地表出露很少，僅在小山頭有零星出露。按時代從新到老將工程區(qū)內(nèi)主要地層分述如下：

人工填土層(Q4ml)，素填土：黃、灰色的素填土，主要成分為粘土，粉砂含量高，稍壓密，稍濕，成分較純，人工填筑而成，濕可塑，稍壓實。主要分布于堤圍區(qū)域。層厚3.3～4.60m。

第四系海陸交互相沉積層(Q4mc)，①淤泥：深灰色，流塑，以粘粒為主，其次為粉粒、粉砂、腐殖質(zhì)和貝殼碎屑，具有層理，夾薄層粉砂。該層在場地內(nèi)普遍分布，層厚9.40～10.30m。②粘土：紅褐色、淺灰白色、淺黃色，可塑-硬塑，以粘粒為主，局部石英質(zhì)粗砂含量高。該層在場地內(nèi)普遍分布，層厚9.4～10.30m。

第四系殘積層(Q4el)，主要為粘土或粉質(zhì)粘土，屬花崗巖風(fēng)化殘積物，含有風(fēng)化碎塊及砂粒。

燕山三期花崗巖層(γ52/3)，灰色、深灰色，片麻狀，條紋狀構(gòu)造，成分以長石、石英、云母為主，常與下古界變質(zhì)巖混雜呈過渡狀。

3 設(shè)計初步方案

3.1 防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)

本工程建設(shè)的主要任務(wù)是防洪(潮)、排澇和引水灌溉，兼顧交通功能。根據(jù)GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50286—98《堤防工程設(shè)計規(guī)范》確定水閘所在外河涌堤防級別為Ⅳ等，防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇設(shè)計，以歷史最高洪(潮)水位校核[1]?？紤]到本地區(qū)未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，本次采用10年一遇24h暴雨所產(chǎn)生的徑流量1天排干設(shè)計。

3.2 閘室規(guī)模計算

閘室規(guī)模具體選定原則如下：①滿足擋洪潮、排澇和灌溉的要求；②以對現(xiàn)狀排水影響小、建設(shè)經(jīng)濟(jì)為原則；③水閘在汛期有搶排澇的任務(wù)，閘孔凈寬應(yīng)滿足及時排除閘前設(shè)計來水量的要求[2].

根據(jù)水位資料、內(nèi)河涌地形地勢及圍內(nèi)田面高程情況，綜合確定下淺水閘內(nèi)、外特征水位見表1。

表1 特征水位表1

3.2.1水閘總凈寬復(fù)核計算

同樣的過水能力，閘底高程較低則要求閘寬較小，水閘的閘底高程應(yīng)盡可能與河底齊平。由于重建排澇水閘屬小(1)型水閘，規(guī)模不大，考慮河涌的地形地質(zhì)情況及現(xiàn)有水閘閘底高程，先選定水閘閘底高程，根據(jù)水閘現(xiàn)狀規(guī)模擬定閘孔凈寬，驗算水閘過流能力是否滿足要求[3]。

對于平底閘而言，參照SL 265—2001《水閘設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，在堰流位于高淹沒度(hs/H0≥0.9)情況[4]，可按如下公式計算水閘過流能力：

式中,B—閘孔總凈寬,m；μ0—淹沒堰流的綜合流量系數(shù)；hs—由堰頂算起的下游水深,m；Q—過閘流量,m3/s；H0—堰上水深,m；g—重力加速度，g=9.8m/s2。

采用以上計算方法對下淺水閘根據(jù)設(shè)計流量確定所需的寬度，若計算寬度小于原有寬度，則原則上維持原有閘寬[5]。下淺水閘所需寬度規(guī)模詳見表2。

表2 下淺水閘設(shè)計成果表

3.2.2閘頂高層復(fù)核驗算

水閘閘頂高程不應(yīng)低于正常水位(或最高擋水位)加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高之和；位于防洪(擋潮)堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪(擋潮)堤頂高程[6]。故下淺水閘閘頂高程計算分設(shè)計擋潮和校核擋潮兩種工況。設(shè)計擋潮工況下潮水位取閘外設(shè)計水位2.51m，設(shè)計風(fēng)速采用相應(yīng)年最高潮位日的最大風(fēng)速平均值15m/s的1.5倍，即v0=22.5m/s；校核擋潮工況的潮水位取閘外歷史最高潮位計算，歷史最高洪潮水位為2.73m，風(fēng)速采用相應(yīng)年最高潮位日的最大風(fēng)速平均值15m/s。

根據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定計算閘頂高程，計算公式如下式：

Z=h0+h10%+hz+A

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Hz—超計算水位的波浪中心線的高度，m；h0—計算潮水位，m；A—安全超高，m；hm—平均浪高，m；v0—計算風(fēng)速，m/s；Hm—風(fēng)區(qū)內(nèi)的平均深度，m；Tm—平均波周期，s；Lm—平均波長，m；D—風(fēng)區(qū)長度，m；Z—水閘頂部的高程，m；H—水閘前的水深，m；H10%—相應(yīng)于波列累積頻率10%的波高，m。

根據(jù)上述公式計算，結(jié)果見表3。閘頂高程應(yīng)取以上兩種工況計算的大值，即3.17m，考慮水閘兩邊堤防的以后可能加固的高程及原有閘頂高程，本次綜合確定下淺水閘設(shè)計閘頂高程為3.20m。

表3 閘頂高層計算成果表

根據(jù)排澇計算成果，綜合考慮水閘原規(guī)模及地形、地勢、現(xiàn)狀河道寬度等多方面因素，確定下淺水閘的重建規(guī)模[6]，選址上選定原址，規(guī)模選定成果見表4。

表4 下淺水閘重建規(guī)模表

3.3 閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和SL 265—2001《水閘設(shè)計規(guī)范》等[7]。主要參數(shù)取值如下：

①結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別：水閘環(huán)境類別的劃分參照SL 265—2001條文說明第7.1.2條進(jìn)行劃分，取多年平均低潮位-0.66m以下閘墩及底板為三類環(huán)境；多年平均低潮位-0.66m以上結(jié)構(gòu)部分及其他露天結(jié)構(gòu)為二類環(huán)境。

②建筑物級別：4級

③荷載分項系數(shù)(γG)：1.05

④可變荷載分項系數(shù)(γQ)：1.20

⑤受力鋼筋最小配筋率：0.15%

⑥鋼筋砼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大裂縫寬度允許值：根據(jù)SL 265—2001第7.1.2.2條，二類環(huán)境最大裂縫寬度計算值不應(yīng)超過0.20mm，三類環(huán)境不應(yīng)超過0.15mm。

使用計算軟件箱涵結(jié)構(gòu)計算程序1.2，計算結(jié)果如下圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)圖

4 穩(wěn)定性計算

4.1 滲流穩(wěn)定性計算

4.1.1計算方法

計算水閘的滲流穩(wěn)定性方法，選取SL 265—2001中的建議方法，根據(jù)規(guī)定的改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行計算[7]，采用公式如下：

①地基有效深度：當(dāng)L0/S0≥5時，Te=0.5L0

式中,Te—地基的有效長度,m；L0—地下輪廓的水平投影長度,m。

②進(jìn)、出口段：

(5)

式中,ξ0—進(jìn)出口段的阻力系數(shù)。

③內(nèi)部垂直段：

(6)

式中,ξy—內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

④水平段：

(7)

式中,ξx—水平段的阻力系數(shù)。

⑤各分段水頭損失值：

(8)

式中,hi—各分段水頭損失值,m；ξi—各分段的阻力系數(shù)；n—總分段數(shù)。

⑥進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值公式

(9)

(10)

(11)

Δh=(1-β′)h0

(12)

⑦進(jìn)出口齒墻不規(guī)則部位水頭損失修正公式

當(dāng)hx<Δh，且hx+hy<Δh時，hy′=2hy，hcd′=hcd+Δh-(hx+hy)。

4.1.2下淺水閘滲流計算

下淺水閘基礎(chǔ)防滲輪廓主要由刺墻、底板、齒墻組成，防滲輪廓總長22.85m。計算結(jié)果見表5。

表5 水閘滲流計算結(jié)果表

根據(jù)《新會區(qū)會城街道迴蘭橋電排站新建工程工程地質(zhì)勘察報告》，淤泥質(zhì)土允許滲流坡降值水平段為0.32，出口段為0.55；由計算結(jié)果可知，在選定工況下滲透坡降均小于地勘規(guī)定值，水閘滲流穩(wěn)定滿足要求。

4.2 閘底應(yīng)力分析及穩(wěn)定驗算

按照SL 265—2001，根據(jù)下淺水閘的實際運行情況，采用不同荷載組合，進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算、閘室基底應(yīng)力計算。根據(jù)SL 265—2001計算下淺水閘穩(wěn)定和應(yīng)力時的荷載組合分為基本組合和特殊組合[8]?；窘M合采用完建期、設(shè)計運用期2種工況計算。特殊組合采用正常運用期遭遇7度地震工況計算。

4.2.1計算方法

根據(jù)SL 265—2001，抗滑穩(wěn)定可采用以下公式計算[7]：

(13)

式中,Kc—抗滑移穩(wěn)定安全性系數(shù)；∑G—閘室上所有豎向作用荷載；∑H—閘室上所有水作用荷載；f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.21。

水閘閘室的基礎(chǔ)底部應(yīng)力計算方法：

(14)

4.2.2穩(wěn)定性驗算結(jié)果

本工程基礎(chǔ)坐落在淤泥層，其承載力約為50kPa。通過上述計算方法對水閘穩(wěn)定性進(jìn)行驗算成果見表6。

表6 下淺水閘穩(wěn)定計算成果表

由成果表可知，在上述計算工況下水閘在荷載組合下的都能夠滿足穩(wěn)定性要求。同時基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范允許值要求，最大基底平均應(yīng)力48.26Pa，也滿足地基承載力(50kPa)要求[9]，最大基底應(yīng)力57.52kPa滿足1.2倍地基承載力(60kPa)要求。仍需對本工程進(jìn)行基礎(chǔ)處理，結(jié)合新會地區(qū)多宗水閘施工、運行、管理經(jīng)驗，本次水閘基礎(chǔ)采用尾徑不小于100mm松樁處理[10]，松樁單根長4m，間距400mm×400mm布置。

5 結(jié)語

近些年極端氣候的頻發(fā)和城鎮(zhèn)建設(shè)不斷發(fā)展帶來的防洪排澇壓力的增大，給許多老舊水閘帶來了極大的壓力，本文通過江門下淺水閘的重建規(guī)劃選址設(shè)計，對水閘規(guī)劃選址，根據(jù)新防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)重新復(fù)核驗算規(guī)模，設(shè)計結(jié)構(gòu)并進(jìn)行滲流穩(wěn)定性和閘底穩(wěn)定分析計算，滿足了重建的要求，提供了一套合理的設(shè)計經(jīng)驗依據(jù)，滿足了重建水閘擔(dān)負(fù)會城街道大滘村防洪防潮功能，兼負(fù)排澇、引水灌溉任務(wù)和交通要求。

水閘設(shè)計重建時，對地基的處理往往非常重要，特別是在特殊地質(zhì)條件下的水閘地基處理。對水工結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運營非常重要，本文由于篇幅所限，在這方面上研究較少，這也是水閘設(shè)計的重要研究方向。