水闸扩建工程布置方案研究

刘美义 李秀雯 王桂生

1 分析规划成果,初步确定规划参数

江风口分洪闸位于山东郯城李庄镇沂河右堤桩号44+030处,是分沂河洪水入邳苍分洪道的控制性建筑物。该闸建于1955年6月,为山东治淮第1闸。老闸共7孔,每孔净宽12m,总净宽84 m,为低实用堰型胸墙式水闸。建成以来曾多次开闸分洪,为沂河洪水调度起到了巨大作用。本次沂河治理按50年一遇洪水标准设计,当上游河道来流12 000 m3/s时,要求沂河承泄8000m3/s,江风口闸分泄4 000m3/s。原江风口闸按照20年一遇洪水标准设计,经初步测算,原7孔老闸分洪能力不满足设计要求,需进行扩建。

对分洪闸的设计洪水位,有人认为应按分洪临界流量时的水面线推求,这是不安全的,应考虑在设计范围内可能出现的最高水位。这一水位一般出现在即将分洪时刻,按上游最大来流12 000 m3/s时的水面线推求是工程安全的设计条件。由上游控制桩号推至江风口闸上桩号49+430处水位58.98 m,以此水位作为设计洪水位,相应闸下水位按未分洪消力池水位考虑。至于分洪水位,由工程总布置图(图1),闸前洪水处于三岔口,分洪后必将引起水位降落,若按设计洪水位计算闸孔规模,则计算结果闸孔宽度偏小,故分洪规模不能按设计洪水位计算,而应采用分洪降落影响后的水位。流量系数、行近流速的选取,也要根据流态和上下游水位衔接情况研究选用。前期阶段考虑河道比降、水头跌落等因素按照数学模型计算闸前200 m处水位58.69 m,行近流速2.2 m/s。闸下水位考虑分洪设计流量和区间来水按照均匀非恒定流洪水水面线推至闸下200 m处水位为57.93 m。

2 进行水工模型试验,合理确定扩孔规模

图1 江风口分洪闸位置总布置示意图

江风口原7孔老闸闸室采用低实用堰型结构,堰顶高程50.80 m,为与老闸相协调,扩建闸室堰顶高程、孔口宽度均与老闸一致,按照前面设计参数计算,扩建4孔后总泄量为4 007 m3/s。数学模型中闸前水位和行近流速等设计参数是否合理,应采用物理模型进一步验证,为此,初步设计阶段安排水工模型整体试验。模型范围:闸上、下游沂河长分别为600 m和1 000 m,闸下邳苍分洪道长700 m,沂河横向与邳苍分洪道取至最高水位所涵盖的全部地形。通过拉毛或碎石梅花加糙,沂河主槽糙率n沂主=0.030,沂河滩地糙率n沂滩=0.038,邳苍分洪道河道糙率n邳主=0.035,邳苍分洪道滩地糙率n邳滩=0.045。整体水工模型采用正态模型,模型比尺1∶60,相应的流量比尺 Qr==27 885.481,流速比尺 Vr==7.746,糙率比尺nr==1.979。沂河流量12 000 m3/s时控制沂河47+810(李庄闸)水位57.64 m和江风口闸下0+200水位57.93 m。水流稳定以后,实测邳苍分洪道分泄4 030m3/s,相应闸前0-200水位为58.39 m,行近流速平均值为3.3 m/s。将这2个参数代入公式验算,扩建总泄量为4 076m3/s(其中7孔老闸泄量2 593 m3/s,4孔新闸泄量1 483 m3/s)。可以看出,数学模型闸前水位高出模型试验实测闸前水位0.30 m,但计入闸前行近流速的总水头H0是非常接近的,过流能力计算值与试验实测值试验差为11%。分析认为,造成这种差别的主要原因是河道断面变化大和计算公式中参数存在取值误差。

3 结合地质特点,制定切实可行的扩建方案

3.1 新老闸孔之间共用1个闸墩

我国近年来多座水闸扩建,为避免基坑开挖、施工降水等造成老建筑物损坏,这些水闸的扩建部分与老闸分开布置,中间设置分流岛。江风口分洪闸右岸为质地坚硬白垩系青山组的强风化和中等风化火山碎屑岩,其中强风化岩地基承载力建议值400 kPa,中等风化岩地基承载力建议值2 000 kPa,自老闸边墩外边缘至左侧约60 m范围内岩石层面高,再往左则为地基较差的泥岩。老闸左边墩为混凝土重力石挡土墙结构,断面型式为下部底宽6.9 m、顶宽1.2 m梯形结构,老边墩迎水面布置弧门支座,墩顶布置有公路桥和工作桥排架。考虑老闸边墩地基坚硬,且闸墩上部设有撑梁等,只要加以适当保护,施工中混凝土凿除与浇筑时不会发生老闸墩断裂、倾覆。因此,决定采用将新闸墩与老闸浇筑在一起布置的建设方案。即将老闸边墩背水侧凿除部分老混凝土,并绑浇筑钢筋混凝土,将老闸边墩加固改造成新、老闸孔结合的中墩,闸墩两侧均布置支撑弧型钢闸门的支座。为尽量减少因大量混凝土凿除而拖延工期,确保施工时闸墩的侧向稳定和运行期结构安全,经过大量的分析和核算,确定新老结合墩宽度为5 m(老闸中墩厚2 m,新闸中墩厚1.8 m)。结合墩上、下游容易形成紊流区,为改善水流流态,其上、下游均设置流线型墩头(见图2)。该方案具有闸室结构紧凑、流态好、开挖量少、占地范围小和造价低等优点。

图2 新、老闸共用闸墩

3.2 新老闸布置一致的防渗排水体系

因岩石存在裂隙,老闸闸室底板上游侧及翼墙前布置了灌浆帷幕。扩建新闸大底板下为5～2层中等风化岩石,岩石透水率8～18 Lu,小底板下局部为强风化岩,为中—强透水性岩层。施工开挖后发现闸室及岸墙下岩基除存在少量松动、风化岩外,绝大部分岩石较为完整,但地下岩石裂隙难于准确探测。施工时要求必须清除建基面上松动、破碎岩石,超挖部分采用C20素混凝土回填,然后再按设计要求进行帷幕灌浆,灌浆帷幕设计底高程40.8 m,平均孔距1.50 m。帷幕防渗体右侧与老闸翼墙底板(翼墙已拆除)上的原帷幕灌浆衔接形成封闭,左侧与布置在上游翼墙底板前趾上的帷幕灌浆形成封闭,帷幕灌浆防渗体透水率不大于5 Lu。

邳苍分洪道平时干涸,分洪时闸下起始水位低,为避免闸下消能形成的负压和消力池下岩石渗水将消力池顶起,老闸消力池底板下设置盲管排水沟。扩建新闸消力池底板下排水设置断面尺寸为0.3m×0.3m的8横6纵排水盲沟,纵向排水沟渗水汇入横向排水沟内,横向排水沟汲水排入翼墙后面的排水体内,再由设置在翼墙上的排水管导入消力池内；消力池始端设置1排深层孔幕,孔直径8 cm,底高程40.80 m,孔间距1.5 m,深层排水幕将闸基渗水通过消力池底板下的排水盲沟排至翼墙后。排水盲沟内埋设第3代加劲软式排水管,其支撑体为高强钢丝,外覆高强力特多龙纱经纱、特殊纤维纬纱和无纺土工织物组成的透水材料,具有透水、通水性高,便于接头、转弯处理、防淤堵等有优点,性能可靠,施工方便。

4 新闸扩建兼顾老闸,设置合理的检修设施

江风口老闸上游无检修设施,因沂河新建李庄拦河闸使得该闸的检修条件发生了变化,扩建新闸和老闸均需要设置检修门。水闸检修门一般采用叠梁门,扩建新闸采用这种检修方式是容易做到的。但对闸室顺水流方向长度仅18 m的7孔老闸来说,闸室长度偏短,于老闸墩上开设门槽布设检修门的难度大。考虑工程实际情况,扩建新闸检修设施兼顾老闸,共同采用1套浮箱式钢闸门,浮箱门尺寸为14.5 m×4m×2 m(长×宽×高)。新老结合墩设置浮箱门检修门槽,门槽尺寸2 m×1.5 m(宽×深),扩建闸墩上游墩头、底板上设置预埋件,7孔老闸上游墩头、底板浮箱门停靠位置经打磨、修整处理。其工作原理是:工作门检修时,将浮箱门拖曳至闸墩前部就位,浮箱门充水下沉挡水检修,检修工作完成后浮箱门排水浮起,拖走。