五里河翻板閘更新改建工程設(shè)計(jì)

趙 旭

（駐馬店市河湖事務(wù)中心，河南 駐馬店 463000）

0 引言

水閘工程可以有效調(diào)節(jié)水位，也能控制水流大??；主要由上游連接段、閘室和下游連接段三部分組成。在水利工程建設(shè)過(guò)程中，水閘是一個(gè)非常重要的組成部分，其設(shè)計(jì)施工質(zhì)量會(huì)對(duì)水利工程的整體質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。因此在對(duì)五里河翻板閘更新改建設(shè)計(jì)要充分考慮實(shí)際情況，對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究，嚴(yán)格按照要求實(shí)施其各方面的設(shè)計(jì)，確保五里河翻板閘更新改建工程的質(zhì)量和安全。

1 項(xiàng)目概況

五里河翻板閘坐落于置地公園下游（天中山大道與濱河路交叉口西100 m 處），是練江河支流五里河上的一座控制性工程，此水閘修建于1977年3月，完建于1979年9月，結(jié)構(gòu)為7孔混凝土翻板閘，每孔5 m，全長(zhǎng)35 m，中間有1.50 m×1.50 m提水小閘門(mén)啟閉機(jī)一套，常年控制水位高程為79.10 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容55萬(wàn)m3。水閘工程由閘室、上游連接段、下游連接段組成，其工作原理是運(yùn)用水壓力與閘門(mén)自重當(dāng)作啟閉閘門(mén)的動(dòng)力，隨著上游水位升高逐漸開(kāi)啟泄流，隨著上游水位下降，逐步回關(guān)蓄水；建設(shè)五里河翻板閘主要是用于練江河水渠的閉合，難以滿(mǎn)足農(nóng)田灌溉需要。

該水閘是當(dāng)年的水利智慧結(jié)晶，于2018 年12 月被駐馬店市人民政府評(píng)為駐馬店市歷史建筑。

2 水文與地質(zhì)

2.1 水文

五里河是練江河支流，呈西北至東南流向，在市區(qū)天中山大道南段下游200 m處匯入練江河。屬亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡氣候區(qū)，多年平均降水量960 mm，年際變化較大，年內(nèi)分配不均。

2.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)地處淮河沖積平原，為平原河谷地貌形態(tài)。兩側(cè)地形較為平坦，地勢(shì)西北高東南低，地面平均坡度約為1/1 000。根據(jù)工程區(qū)地形及工程地質(zhì)條件，建筑物基礎(chǔ)主要持力層為第③層中粉質(zhì)壤土，該層承載力標(biāo)準(zhǔn)值為130 kPa，強(qiáng)度一般，工程地質(zhì)條件較好。

3 五里河翻板閘存在問(wèn)題

3.1 上游連接段存在的問(wèn)題

由于翻板閘已運(yùn)行40余年，閘前淤積嚴(yán)重。

3.2 閘室段外觀存在的問(wèn)題

閘門(mén)：混凝土閘門(mén)銹蝕露筋，止水失效，漏水嚴(yán)重，翻板閘門(mén)已失效，已失去翻板閘門(mén)的作用，只能起到攔蓄水的作用，支墩、支腿出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，連桿銹蝕嚴(yán)重。見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)狀混凝土閘門(mén)圖

啟閉機(jī)：機(jī)架銹蝕，齒輪箱漏油嚴(yán)重，制動(dòng)輪磨蝕不平。

啟閉機(jī)房：?jiǎn)㈤]機(jī)房地面、墻面及房梁出現(xiàn)裂縫，門(mén)窗破損嚴(yán)重，已失去其基本功能，欄桿等附屬設(shè)施損壞嚴(yán)重。見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)狀交通橋欄桿圖

3.3 閘門(mén)與啟閉機(jī)存在的問(wèn)題

混凝土平面翻板閘門(mén)混凝土碳化嚴(yán)重，多處鋼筋銹脹裂縫，閘門(mén)面板銹脹嚴(yán)重，保護(hù)層單機(jī)翹皮脫落；閘門(mén)多處止水失效，漏水嚴(yán)重，啟閉機(jī)老化，啟閉機(jī)齒輪銹蝕，啟閉機(jī)已使用40年之久，已超過(guò)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》所使用的折舊年限。

總之，該翻板閘至今運(yùn)用40 余年，已出現(xiàn)閘門(mén)漏水、閘底板沖蝕嚴(yán)重、閘門(mén)啟閉困難、管理失控、閘房老化等問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了翻板閘的安全運(yùn)行，不能保證農(nóng)田的灌溉水源，也嚴(yán)重影響五里河流域防洪除澇安全，給周?chē)嗣袢罕姷纳?cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大威脅。

4 更新改建的必要性和工程任務(wù)

4.1 更新改建的必要性

五里河翻板閘為五里河節(jié)制閘，主要用途為攔蓄上游來(lái)水，供兩岸農(nóng)田灌溉。但翻板閘出現(xiàn)了閘門(mén)漏水，不僅浪費(fèi)了寶貴的灌溉用水，也不能保證農(nóng)田的灌溉用水需求；閘門(mén)啟閉困難、管理失控這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了五里河流域防洪除澇安全。因此，對(duì)五里河翻板閘進(jìn)行更新改建是非常有必要的。

4.2 工程任務(wù)

該工程主要任務(wù)是對(duì)五里河翻板閘進(jìn)行更新改建，主要內(nèi)容包括：更換翻板閘閘門(mén)及閘后支墩，維修閘底板、消力池、護(hù)坡、閘房、交通橋及清淤等。

閘門(mén)安裝前應(yīng)鑿除閘后支墩、閘墩邊墻及底板已沖蝕和老化的部分，植筋和澆筑混凝土修整，并安裝底部和側(cè)向止水鋼板。對(duì)上下游沖毀的連接工程按原結(jié)構(gòu)和原材料進(jìn)行修復(fù)。閘門(mén)由原水力自控混凝土閘門(mén)換成液壓雙控鋼閘門(mén)。

對(duì)閘房進(jìn)行更換門(mén)、新增防盜窗、整修室內(nèi)地坪、重新粉刷內(nèi)外墻體、改造屋頂及更換觀光平臺(tái)外欄桿等。對(duì)交通橋梁欄桿損毀部位進(jìn)行維修，橋梁兩邊欄桿重新刷漆。

5 工程設(shè)計(jì)

該工程為五里河翻板閘改建工程，仍在原閘址處。鋼閘門(mén)重新安裝于原混凝土閘門(mén)處，數(shù)量是7扇閘門(mén)，共3孔。

5.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

此工程的設(shè)計(jì)依據(jù)是：《防洪標(biāo)準(zhǔn)》《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

5.2 工程等級(jí)及標(biāo)準(zhǔn)

按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定該段河道按50年一遇防洪設(shè)計(jì)，相應(yīng)過(guò)閘流量為145 m3/s，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為?。?）型，主要建筑物等級(jí)為4級(jí)，次要永久建筑物級(jí)別為5級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。此工程永久性建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為145 m3/s。

5.3 設(shè)計(jì)流量

北支五里河流域面積只有27 km2，使用附近練江河水文站觀測(cè)的點(diǎn) 雨量進(jìn)行分析。五里河流域?qū)倨皆瓍^(qū)，根據(jù)流量經(jīng)驗(yàn)公式Q=KRF0.75，五里河設(shè)計(jì)流量見(jiàn)表1。

表1 五里河設(shè)計(jì)流量表

5.4 施工期設(shè)計(jì)流量

此次設(shè)計(jì)以練江河上的駐馬店水文站作為參證站按面積比的0.75次方推求設(shè)計(jì)河流段非汛期設(shè)計(jì)洪水。施工期洪水標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，統(tǒng)計(jì)1956—2020年65年每年11月至第二年4月份最大測(cè)流量，進(jìn)行頻率分析，5年一遇施工期洪水為1.50 m3/s。

5.5 工程設(shè)計(jì)

5.5.1 原翻板閘設(shè)計(jì)方案

五里河翻板閘原設(shè)計(jì)為水力自控翻板閘，閘門(mén)為混凝土結(jié)構(gòu)，共7扇，單扇尺寸寬5 m、高3 m，呈3+1+3共3孔分布。閘頂高程79.10 m，閘上有鋼筋混凝土梁板式交通橋，橋面高程81.50 m。

5.5.2 改建翻板閘設(shè)計(jì)方案

拆除原鋼筋混凝土平板閘門(mén)及其閘后支墩，水力自控翻板閘更換為液壓雙控翻板閘，重新澆筑閘后支墩，閘門(mén)采用鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)，采用液壓?jiǎn)㈤]。

整個(gè)閘室分為3孔，分別為南北邊孔和中孔。南北邊孔凈寬均為15 m，中孔凈寬4.30 m。閘門(mén)共7扇：南北邊孔分別使用3扇×5 m×3 m（寬×高）鋼板閘門(mén)；中間孔使用1扇×4.30 m×3.00 m（寬×高）鋼板閘門(mén)。原檢修閘螺桿式啟閉機(jī)混凝土閘門(mén)，此次改建為手電兩用螺桿式啟閉機(jī)和1.50 m×1.50 m鑄鐵閘門(mén)。

5.6 過(guò)流能力復(fù)核

根據(jù)翻板閘在運(yùn)行時(shí)的工作情況，其過(guò)流可分為如下方式：①在洪水期或需大流量放水時(shí)的塌壩過(guò)流，按堰流公式計(jì)算。②翻板閘立壩擋水時(shí)上游水頭超過(guò)壩頂，水流從壩頂過(guò)流，按薄壁堰流計(jì)算過(guò)流能力。③翻板閘局部壩段部分開(kāi)啟，從開(kāi)啟壩扇與擋水壩扇間的局部出流，按門(mén)頂薄壁堰流與門(mén)底孔流之和計(jì)算。此次主要復(fù)核五里河翻板閘塌壩過(guò)流能力。

當(dāng)遇洪水時(shí)，翻板閘塌壩過(guò)流，和寬頂堰過(guò)流類(lèi)似，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照寬頂堰堰流公式計(jì)算過(guò)流能力。

式中：Q—過(guò)壩流量（m3/s）；H0—壩前堰上水頭，計(jì)行進(jìn)流速（m）；m—包括行近流速影響的寬頂堰的流量系數(shù)；ε—側(cè)收縮系數(shù)；B—翻板閘凈寬（m）；σs—淹沒(méi)系數(shù)。

翻板閘凈寬b=7.2 m×2 m×2 m+4.3 m=33.10 m，50年一遇防洪水位為79 m，過(guò)閘水位差為0.20 m，按照堰流計(jì)算公式可以得出Q=205 m3/s，大于該段河道50 年一遇流量（Q=145 m3/s）。因此，翻板閘改建后過(guò)流能力滿(mǎn)足防洪要求。

5.7 閘室穩(wěn)定復(fù)核

5.7.1 計(jì)算工況

工況一：完建期，上、下游均無(wú)水，僅考慮永久荷載及可變荷載中的風(fēng)荷載和人群荷載。工況二：正常運(yùn)用期，上游有水、下游有水。工況三：正常運(yùn)用期，上游有水、下游無(wú)水。

5.7.2 計(jì)算地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)勘探資料和翻板閘基布置情況，翻板閘壩區(qū)第③層粉質(zhì)壤土為主要持力層，承載力標(biāo)準(zhǔn)值130 kPa，其地質(zhì)參數(shù)建議基礎(chǔ)與地基土之間的摩擦系數(shù)f=0.25～0.30。

5.7.3 閘室穩(wěn)定復(fù)核

5.7.3.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要核算壩基面上的抗滑安全系數(shù)，采用抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：Kc—沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；［Kc］—沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值；f—基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.10 條的規(guī)定采用；∑H—作用于基底的全部水平向荷載，（kN）；∑G—作用于基底的全部垂直向荷載，（kN）。

5.7.3.2 基底應(yīng)力計(jì)算

基底應(yīng)力計(jì)算參照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，基底應(yīng)力計(jì)算公式為：

翻板閘穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 翻板閘穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，各工況下翻板閘抗滑安全系數(shù)和不均勻系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求；各種工況下閘基底壓力均小于地基允許承載力設(shè)計(jì)值，且壩基底不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5.8 主體工程設(shè)計(jì)施工

5.8.1 混凝土工程施工

此工程混凝土工程主要涉及重建閘后支墩及原閘底板整修。閘后支墩與原閘底板接觸處需先植筋再澆筑混凝土。

混凝土采用商品混凝土，混凝土工程施工時(shí)依次按序進(jìn)行澆筑。施工中，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求的工作縫跳倉(cāng)施工，減少不必要的施工縫出現(xiàn)。如有發(fā)生，要對(duì)混凝土進(jìn)行沖毛清洗后，先鋪筑一層2～3 cm厚的高標(biāo)號(hào)水泥砂漿。

5.8.2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)安裝

金屬結(jié)構(gòu)制作與安裝主要包括液壓翻板閘門(mén)、支撐桿及鉸鏈軸制作與安裝等，單件最大重量在40 t以?xún)?nèi)。閘門(mén)支撐桿及鉸鏈軸等均選用具備金屬結(jié)構(gòu)制造資質(zhì)的單位制成成品，通過(guò)試拼裝并驗(yàn)收合格后再運(yùn)至工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝，拼裝好后采用汽車(chē)吊裝就位。金屬結(jié)構(gòu)安裝在相應(yīng)部位的混凝土澆筑完成、具備安裝條件后進(jìn)行，金屬結(jié)構(gòu)埋件施工與相應(yīng)的混凝土工序同時(shí)進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水閘工程設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)水利工程的質(zhì)量，因此在對(duì)五里河翻板閘進(jìn)行更新改建設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮好實(shí)際情況，對(duì)項(xiàng)目地的情況有詳細(xì)調(diào)查和研究，從工程建設(shè)實(shí)際條件與影響因素出發(fā)嚴(yán)格按照要求實(shí)施各方面的設(shè)計(jì)，確保工程的質(zhì)量和安全。通過(guò)五里河翻板閘進(jìn)行更新改建工程的實(shí)施，在很大程度上提高了流域內(nèi)的防洪排澇能力，解決了目前防洪存在的問(wèn)題，也為灌區(qū)水利工程的建設(shè)安全與區(qū)域水利危險(xiǎn)控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。