望亭水利枢纽更新改造工程设计

孙菁

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

望亭水利枢纽更新改造工程设计

孙菁

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

论述了该工程的改造原因和设计思路，采用技术方案及改造前后的效果。更新改造工程措施后，确保了引江济太及望亭水利枢纽工程的安全运行。

望亭水利枢纽；改造；设计；流域供水

1 工程概况

1.1 工程概况

望亭水利枢纽（又称望亭立交工程）是望虞河穿越京杭运河的交叉建筑物，位于江苏省苏州市相城区望亭镇以西，望虞河与京杭大运河交汇处，上游距望虞河入太湖口2.2km、距沙墩港大桥1.0km，下游距沪宁铁路桥1.2km。

望亭水利枢纽是望虞河上的一项关键性工程，同时又是环太湖大堤重要口门控制工程，工程为2级建筑物。

望亭水利枢纽原设计主要任务：如遇1954年洪水（约50年一遇）5～7月排泄太湖洪水23.1亿m3；需要时与望虞河常熟枢纽配合引长江水入太湖，并防止京杭运河污水进入太湖，保障京杭运河正常通航。

1.2 望亭立交工程现状

1.2.1 水工建筑物布置

望亭水利枢纽与京杭运河采用立交布置形式，望虞河与运河在平面上呈60°斜交。上部为京杭运河航槽，采用钢筋混凝土矩形断面，槽宽60m，底高程-1.70m；下部为望虞河泄洪管涵，采用钢筋混凝土矩形倒虹吸管涵，共9孔，单孔断面7m×6.5m（宽×高），总过水面积400m2，设计流量400m3/s，洞底高程-9.60m，管涵长102.8m。采用三孔一联的钢筋混凝土箱形结构。

工作闸门及交通桥布置在上游管首，启闭机房平面呈九曲型布置，采用钢筋混凝土排架结构，启闭机高程15.00m。中控楼布置在望虞河西岸侧。涵管的管首和管尾分别设置检修门槽。

1.2.2 闸门系统

枢纽上游管首处设9孔工作门，工作闸门采用正向定轮支承、反向滑块支承的平面钢闸门，上、下管首处各设检修门槽，配置叠梁式平板检修门，采用临时起吊设施起吊。

工作闸门设计以正向挡水水位组合为控制条件，上游设计高水位4.64m和正常高水位3.80m时，相应下游水位4.20m和3.0m，水位差分别为0.44m和0.80m。闸门设计无反向操作工况要求。

1.3 工程存在主要问题

苏锡常地区目前是苏南乃至长三角地区重要的经济中心之一，望亭水利枢纽工程是太湖地区主要的引排通道，对该地区人民生命财产的防洪安全和经济的可持续发展有重要意义。望亭水利枢纽目前运行中存在的问题：①工作闸门正向闭门受阻、反向闭门漏水严重，闸门系统目前已不能满足现状运行要求，在规划工况下，虽然望虞河西岸的有效控制，可缓解立交闸门系统处于较大反向水头的不安全运行状态，但仍不满足望虞河引江济太需置换污水对闸门安全操作的要求；②检修闸门变形和锈蚀明显、叠梁漏水严重；③相关的管理设施（如闸上交通、监控）不配套等。

1.4 工程更新改造主要内容

望亭水利枢纽更新改造工程洪水标准按50年一遇洪水进行加固设计，并需满足遭遇1999年实况洪水（太湖水位创历史新高，达4.97m）时工程安全运行。同时对1971年型供水进行望亭立交工程过流能力及安全复核；考虑今后提高到100年一遇洪水标准及扩大引江济太的工程的要求。其主要内容有：①中控楼及启闭机房改建；②新建上、下游人行交通桥；③工作闸门、检修门和启闭机更新及工作门槽改造。

2 主要建筑物改造

2.1 启闭机房

2.1.1 原结构安全度复核

（1）望亭水利枢纽工程为2级建筑物，建设时间为1990年，设计采用SDJ20—78《水工钢筋混凝土结构设计规范》，其安全系数取值K=1.5。

原启闭机房主梁截面承受的弯矩值为850kN· m，更新改造后需承受的弯矩值为1002kN·m。按根据SDJ20—78《水工钢筋混凝土结构设计规范》计算，更新改造后的安全系数为1.21。虽然结构安全，但不满足现行规范要求，需进行加固处理。加固计算条件：①根据金属结构专业提供的本工程启闭机容量2×200kN的启闭力；②根据建筑专业对本次加固工程启闭机房上部结构提供的荷载图；③《望亭水利枢纽启闭机工作桥现场安全检测报告》（上海勘测设计研究院工程检测中心2010.10）对现有工程的混凝土、钢筋等指标的检测数据。

（2）根据GB50367—2006《混凝土结构加固设计规范》，对启闭机平台主梁ZL1、ZL2，横梁HL4的正截面和斜截面进行加固。

（3）横梁HL4负弯矩加固采用宽200mm，厚4mm Q345钢板，梁上全断面加固；钢板用胶粘剂粘贴在凿毛清洁后的混凝土结构面上（即启闭机平台地面），上部采用准12@250化学锚栓梅花型植入梁内140mm。

（4）主梁ZL1、ZL2正弯矩加固采用宽250mm、厚8mm的Q345钢板，钢板用胶粘剂粘贴在凿毛清洁后的梁底混凝土结构面上，斜截面加固采用封闭箍，通过封闭箍顶螺栓加预应力，使加固钢板与混凝土结构紧密连接，共同变形作用。封闭箍端部宽200mm、厚4mm，中间宽150mm、厚4mm，封闭箍上端及中部设置两道纵向钢压条，用准12化学锚栓植入梁内140mm固定在梁上。封闭箍与腰间钢压条焊接，封闭箍与加固钢板焊接。钢板与混凝土结构之间采用结构胶粘结以提高安全度。

2.1.2 工字钢简化计算

（1）粘贴钢板若结构胶失效后，加固钢板及箍筋按工字钢简化计算。工字钢下翼缘厚8mm、宽280mm，腹板厚4.77mm、高900mm。上翼缘考虑混凝土受压情况，翼缘厚采用100mm，宽1500mm。

（2）经验算工字钢截面抵抗弯矩值为1098kN·m，按1/3折算抵抗弯矩值366kN·m，该梁能承受的弯矩值1216kN·m，大于1002kN·m。说明即使结构胶失效，该梁依然安全可靠。

（3）中控楼。原中控楼及楼梯间均位于京杭运河岸边，共3层，每层面积为53.2m2，总面积160m2。新建中控楼高度与原中控楼保持一致，为3层，面积扩大至每层面积210m2，总面积641m2。

原中控楼为条形基础，坐落于京杭运河翼墙上，为钢筋混凝土箱格结构。底高程-11.1m，底面积260m2。修正后的地基承载力特征值304.5kPa。改造后的中控楼，仍为条形基础，坐落于箱格之上，经计算，在各种工况下，箱格底部的最大地基应力281.84kPa，平均地基应力223.51kPa，满足要求。

对于中控楼和启闭机房的改造，针对不同位置和要求，中控楼和启闭机房上部结构采用拆除重建，对于启闭机工作桥，则考虑施工的时段与工期要求采用粘贴钢板加固。

2.2 上、下游管首人行交通桥

为了方便上下游管首间交通，在上下游设人行交通桥，桥梁跨度70.12m，为使桥梁与周围环境协调，设计采用钢桁架结构。桥梁净宽3m，上部拱肋采用D600×24mm钢管，下部系梁采用D600×16mm钢管，上下采用D194×10mm人字型拉杆，底部采用采用D299×12mm钢管横梁，横梁上面自上而下分别为10mm塑胶垫层、3mm花纹钢板和7.5mm压型板。两岸沿京杭运河岸边设独立基础。梁底高程不小于11.65m。两岸均采用采用室外楼梯上下桥。

根据现场实际情况，两边桥台基础均设在原运河挡墙之上，上游侧为方桩基础的扶壁式L型挡墙，下游侧为格构型箱式挡墙，两岸挡墙结构均较为复杂，若采用钻孔灌注桩基础，下部结构的桩基和格构无法避让，因望亭立交工程已竣工10多年，下部结构存在着一些不确定因素，且采用桩基若钻开挡墙底板后桩基与底板的连接、止水等均难以处理，施工难度较大，需对上、下游进行处理。

（1）上游侧。桥台基础下部为扶壁式桩基翼墙，天然地基土的承载力特征值为70kPa，采用基础换填3m粗砂，进行换填处理。

（2）下游侧。北岸桥台基础坐落于岸墙箱格上，箱格地基坐落于7层土上，地基承载力修正值304.5kPa，北岸基础下换填400mm厚粗砂直接坐落于箱格上。

通过换填处理，两岸的基础能够满足规范要求。

2.3 闸门系统和电气改造

2.3.1 工作闸门

工作闸门采用焊接结构，设置三主横梁，近似等荷载布置；两侧设有边梁，主横梁与边梁形成主受力框架，边梁上闸门支承采用滚轮；面板位于下游侧。闸门采用双吊点，门叶结构材料采用Q235B。

止水装置设于面板侧，采用L+P型的组合止水，顶止水采用P型，顶、侧、底止水共同形成“□”型结构。

支承滚轮装置采用悬臂轮，每扇闸门设4只，轮径均为准690mm，材质ZG270-500，轮轴40Cr。

滚轮的支承轴套采用自润滑、低摩阻、大承载，一方面可减少检修维护的工作量，另一方面可进一步降低滚轮的综合摩阻系数。

为避免水生物在门槽内生长后的影响，在门叶上设置清除装置，使其在闸门启闭过程中尽可能多地清除水生物。

固定启闭机采用闭式传动，型号为QP型，容量2×200kN，吊点距3.75m，扬程17.0m，共9台，布置于15.0m高程的启闭机机房内。

2.3.2 检修闸门

检修闸门采用叠梁式。管涵的上、下游管首各设1套，采用叠梁浮箱式，启闭操作采用汽车吊。

为减小检修闸门存放时的占地，结合启闭排架的高程确定单节叠梁的高度。按检修水位3.50m考虑，检修闸门的总高度为13.50m，结合运输尺寸的要求，按单节叠梁高度取2.70m。

每节叠梁采用双主横梁，两侧设有边梁，主横梁与边梁形成主受力框架，边梁上设有闸门支承，支承采用滑块。闸门面板位于迎水侧。

除主横梁、边梁外，水平向和垂直向还设有水平次梁及纵隔板，所有梁系均采用同层布置。闸门采用双吊点，吊点距5.0m。闸门门叶结构的材料采用Q235B。

闸门底止水设于面板侧，采用方头P型水封；侧止水设于门背侧，采用P型水封，底水封、侧水封之间通过搭接水封形成完整的止水。每节叠梁的顶部皆作为上节叠梁的底槛。

所有叠梁采用同一设计，可互换，增加了检修操作的便利。

叠梁检修闸门的主支承采用滑块，每节4只，反向设置限位导向装置，以确保叠梁下放时能准确就位。上、下节之间设置对位装置，以保证上、下节之间侧水封之间的对位、底水封与座板之间的定位准确，从而保证检修时的止水效果。

2.3.3 工作门槽埋件

望亭水利枢纽运行多年以来，工作门槽埋件锈蚀变形严重，水生物附着严重，闸门启闭困难，予以更新。

工作闸门采用Ⅰ型门槽，本次改造涉及部分有主轨、反轨、门楣。所有埋件外露表面均采用复合不锈钢板，复层材料为1Cr18Ni9，厚度2mm，基层材料Q345B，厚度10mm。承载断面采用Q345B，劲板采用Q235B。

2.3.4 电气工程

（1）原变压器保留不变，新增1台100kW柴油发电机组，布置在新建柴油发电机房内。

（2）对配电房内低压开关柜中的低压出线开关同时进行更换，以满足新增负荷的要求。

（3）上、下游管首上装设道路照明灯具，河道两侧装设防撞照明。

（4）节制闸启闭机房屋面等均装设避雷带，引下与原接地网连接。

（5）控制室、启闭机房内所有电力设备外壳等均应可靠接地，并与原接地网连接，接地系统总接地电阻要求不大于1Ω。

（6）计算机监控系统改造按“无人值班、少人值守”的标准进行设计，拟采用分层分布结构，由主控级和现地单元控制级组成。

3 结语

（1）目前望虞河已变为常年引水，由于西岸支河污水对望虞河水质的影响，望虞河引水时望亭水利枢纽闸门不能全开，而是根据望虞河的水质情况进行调度，当望亭水利枢纽下游断面水质满足入湖水质指标时才开闸向太湖输水，反之，立交闸门关闭，通过抬高望虞河水位，将西岸支河污水挡出望虞河。

（2）望虞河引江济太时控制入湖水质使望亭水利枢纽闸门反向挡水时间增加，出现较大反向水位差的频率加大，对立交工程的安全运行带来很大影响，直接影响到望虞河引江济太功能的正常发挥。更新改造工程实施后，确保了望虞河引江济太时望亭水利枢纽工程的安全运行，对提高望虞河引江济太效益，增加流域水资源量、保障流域供水安全具有十分明显的效益。

［1］上海勘测设计研究院.望亭水利枢纽上部结构及闸门系统安全评价报告［R］.2009.

［2］SL191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［3］JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［4］GB50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［5］JGJ79—2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［6］DL5077—1997，水工建筑物荷载规范［S］.

Engineering Modification Design of Wangting Hydro-junction

SUN Jing
（Shanghai Research Institute of Investigation&Design,Shanghai 200434，China）

This paper discusses the reason of reconstruction，engineering design，technical scheme and the modification effect.The modification of engineering measures can ensure the water diversion from Yangtze River to Taihu Lake and safe operation of Wangting hydro-junction.

Wangting hydro-junction；modification；design；river basin water

TV61

B

1672-9900（2014）03-0067-04

2014-2-19

孙菁（1966-），女（汉族），浙江宁波人，高级工程师，主要从事水电站厂房结构和水利控制性建筑物研究，（Tel）13816023596。