张公桥除险加固工程泄洪建筑物布置与设计

刘 振，白 斌

(1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工结构工程技术中心，江西 南昌 330029；3.四川大学水电学院，四川 成都 610207)

1 工程概况

张公桥水闸坐落在江西省鹰潭市余江县张公桥农场，位于青田港出口与白塔河汇合处，距县城邓埠镇1km。张公桥水闸的功能主要为泄洪，非洪水期下闸挡水进行灌溉，设计灌溉面积1万亩。水闸最大过闸流量为2750m3/s，根据SL 265—2001《水闸设计规范》规定[1]，属大(2)型工程，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。除险加固工程维持水闸原有规模不变，正常蓄水位38.05m。设计洪水标准仍确定为30年一遇，洪水位为41.73m；校核洪水标准为100年一遇，洪水位为42.81m。

2 工程主要问题

张公桥水闸建于1976年，1978年投运。1981年进行维修加固，并修建消力池。泄洪建筑物由泄洪闸、翻板闸组成。工程经多年运行存在翻板闸闸室及下游消力池底板冲毁；混凝土翻板闸门全部启闭失效，混凝土闸门破损、止水失效、漏水；枢纽建筑物设计、布局不合理，闸址上游河床淤积；水闸过流能力偏低等问题[2]。泄洪建筑物现存典型问题，如图1所示。

张公桥水闸一旦失事或闸门无法正常运行，汛期致使洪水下泄受阻，洪水将危及到县城人民群众的生命和财产的安全，枯水期将严重影响着县城居民的生活生产用水和下游农田灌溉用水，使当地经济造成重大损失[3]。经安全鉴定张公桥水闸评定为四类闸，急需拆除重建恢复水闸正常的灌溉和防洪功能。

3 泄洪建筑物除险加固方案

3.1 除险加固方案比选

张公桥水闸工程泄洪建筑物由泄洪闸、翻板闸组成。校核洪水位(P=1%)上游为42.81m，下游为42.12m，相应最大下泄流量2750m3/s；设计洪水位(P=3.3%)上游为41.73m，下游为41.18m，相应最大下泄流量2150m3/s；正常蓄水位38.05m。根据泄洪特点、运行条件、地形条件[4]，以及张公桥水闸工程总体要求，拟采用二种方案进行优化比选。

方案一：泄洪兼冲砂闸+翻板钢坝闸方案

根据地形条件，经设计计算，采用3孔泄洪兼冲砂闸和2孔翻板钢坝闸。泄洪兼冲砂闸采用胸墙式平底闸[5]，闸底板高程为34.75m，3孔，孔口宽×高尺寸为2.5m×3.3m(现状孔口宽度为3m×2.5m)，泄洪兼冲砂闸设工作闸门一道。翻板钢坝闸，采用开敞式平底闸，底板高程为33.05m，设2孔，闸室泄流净宽72.0m，每孔净宽36.0m。每孔各设工作闸门一道，工作闸门采用平面翻板钢坝闸门。

图1 泄洪建筑物现存典型问题

方案二：9孔泄洪闸方案

经泄流计算与工程布置，泄洪闸采用开敞式平底闸，闸底板高程为33.05m，闸室泄流总净宽81.0m，共设9孔，每孔净宽9.0m。设检修、工作闸门各一道，其中检修门为9孔共用。检修、工作闸门均采用平面钢闸门。

经分析，上述两方案均可以满足控制调节上游正常蓄水、泄洪及防洪等要求。①地形方面：方案一泄洪兼冲砂闸和钢坝闸总宽100.3m，方案二泄洪闸总宽101.0m，横向结构宽度相当，工程布置均满足闸址处河道地形要求。②工程布置方面：方案一采用泄洪兼冲砂闸与翻板钢坝闸结合布置。翻板钢坝闸虽新颖、美观，结构较简单，但采用两种闸布置，整体结构布置较方案二复杂。方案二9孔闸结构尺寸相同，布置统一，整体结构布置优于方案一。③工程运行方面：方案一翻板钢坝闸，立门蓄水、卧门行洪，可通过闸门顶过水，形成人工瀑布的景观效果。但闸门易受河道污物卡塞，闸门运行可靠度差，且闸门无检修条件。而方案二9孔泄洪闸，技术成熟、闸孔孔数适中、闸门运行灵活可靠，可分开检修，较方案一更优。④施工方面：方案一、方案二均需采用二期导流施工，两方案施工布置相当。⑤工程投资方面：方案一较方案二除金属结构投资多241.08万元，建筑工程方案一与方案二相当，总投资方案一比方案二多168.94万元，方案二较优。

考虑工程位于县城附近，从布置、运行及投资等方面比选，推荐方案二为除险加固方案。

3.2 泄洪建筑物布置

泄洪闸位于河道右侧，紧靠进水闸布置，闸轴线长101.0m，设9孔，每孔净宽9.0m。闸室泄流总净宽81.0m，顺水流长12.1m。采用开敞式平底闸，闸底板高程35.05m，为整体式C25混凝土底板，厚1.5m。泄洪闸左右侧每两孔为一联，中间一孔为一联，共五联。闸段间设伸缩缝，缝宽2cm，缝间采用紫铜片止水。闸墩长10.35m，顶高程43.90m，边、中墩为厚2.0m，缝墩为厚1.0m，为C15混凝土。泄洪闸每孔设检修、工作闸门各一道，其中检修门为9孔共用，检修、工作闸门均采用平面钢闸门。闸门正常蓄水位38.05m，门顶高程38.05m，超正常蓄水位门顶溢流或开启闸门泄流。闸墩顶设交通桥、启闭排架及闸房。

为防止水流冲刷破坏，张公桥水闸上游设置混凝土护坦，底板高程为35.05m，长10.0m，宽112.10m，厚20cm，为C20混凝土，下设0.10m厚砂卵石垫层。

泄洪闸采用底流消能，消力池紧接闸室下游布置[6- 7]。消力池宽97.0m，为C25混凝土。底板设纵缝十条，缝宽2cm，缝间设紫铜片止水。底板设置梅花状2.0×2.0m排水孔，孔径50mm。两侧均设混凝土翼墙，左翼墙与进水闸翼墙共用，长12.0m，墙厚1.2m，C20混凝土；右翼墙位于泄洪闸右侧，墙长23.0m，墙底板高程为34.05～33.05m，墙顶高程43.9m。右翼墙墙体设排水孔，孔径10cm，纵横间距2.0m，梅花型布置，墙后排水孔口设反滤排水。消力池后设置防冲槽，防冲槽长10.0m，槽底宽5m，槽深2.5m。

4 泄水建筑物设计

4.1 泄流能力分析

张公桥水闸除险加固设计为9孔泄洪闸，堰顶高程基本与坝址河床底相平，堰型属无坎宽顶堰，堰顶高程35.05m。按SL 265—2001中孔流公式进行计算[8]，即：

(1)

式中，Q—闸坝泄流流量，m3/s;H0—计入行进流

表2 泄洪闸闸坝顶高程计算成果表

速水头的堰上水深,m；B0—闸孔总净宽度，m;μ—孔流流量系数；σ′—孔流淹没系数；he—孔口高度,m;g=9.81m/s2。

张公桥水闸泄流能力计算成果，见表1。

表1 泄洪闸泄流能力计算成果

经计算，水闸校核洪水位(P=1%)为42.81m(相应下游水位42.12m，上下游水位差0.69m)，相应最大下泄流量2750m3/s；设计洪水位(P=3.3%)为41.73m(相应下游水位41.18m，上下游水位差0.45m)，相应最大下泄流量2150m3/s。与现状水闸泄流规模相比，加固后的水闸上下游水位差已减小较多，重建后泄水闸的泄流规模恰当。

4.2 闸坝顶高程确定

张公桥水闸除险加固工程，设计正常蓄水位为38.05m。波浪要素采用莆田试验站公式计算[9]，得：风速Vo=20.1m/s，水域平均水深Hm=5.37m，风区长度D=530m。根据SL 265—2001，计算得闸坝顶高程成果，见表2。

表2可知：计算高程最大为校核洪水期挡水时，高程为43.84m，取闸顶高程为43.9m。

4.3 稳定及结构计算

根据结构布置、受力等条件，闸室采用一个闸门段，按SL 265—2001推荐公式[10]，计算得泄洪闸稳定计算成果，见表3。

表3 泄洪闸闸室稳定计算成果表

计算结果表明，泄洪闸沿建基面的抗滑稳定安全系数及地基应力均满足规范要求。地基应力均小于地基允许承载力[σ]=500kPa，不需对地基进行加固处理。

5 结论

张公桥水闸是余江县重要的挡水灌溉和汛期防洪工程，由于建设、管理水平偏低，加上几十年运行，泄洪闸存在泄流能力不足、效能设施冲毁及导墙基础掏空、闸门严重漏水、河床淤积等问题，急需通过重建以确保水闸灌溉和防洪功能正常稳定发挥。结合项目安全鉴定结论，综合考虑枢纽整体布置、工程运行、施工和投资等条件，优选与工程实际相匹配的9孔泄洪闸方案。通过泄洪建筑的加固及重建处理，不仅可以促进项目区农业经济的稳定发展，同时可以为城市封闭防洪体系建设奠定基础。