筒车桥水闸除险加固对策探析

艾润华

(抚州市水电勘测设计院，江西 抚州 344000)

1 筒车桥水闸病险成因

大中型水闸的病险成因有四种，分别是历史、自然、技术和管理。很多水闸兴建于20世纪，由于当时的施工技术有限，再加上管理不到位，造成一部分水闸安全性和耐久性逐渐下降，再加上一些地区特殊的自然因素，如洪水、地震等因素，同样会在一定程度上影响和破坏水闸结构[1]。

为全面诊断工程的安全状况，确保工程经济效益的正常发挥和人民生命财产的安全，2008年11月临川区水利局委托抚州市水电勘测设计院对筒车桥节制闸进行了安全鉴定。经过鉴定发现，目前该水闸泄洪能力无法满足设计要求。

经现场检测，发现混凝土施工质量差。闸墩混凝土实测强度仅为13.04 MPa，碳化深度大于保护层厚度，混凝土结构耐久性差，存在蜂窝、欠振等缺陷；闸墩在水位变化区的混凝土存在露石现象，局部冲蚀破损。

经复核计算，闸室稳定满足要求。水闸闸基水平段最大平均比降和出口段比降均大于允许比降，水闸渗透稳定性不满足要求。现状泄槽出口无消能设施，已造成下游冲刷破坏。下游泄槽底板受行洪影响被冲坏，出现2条纵向裂缝，缝宽约1～3 mm，自上游往下游延伸；右侧边墙底板基础局部被淘空。闸门主要构件损坏严重，面板、梁系经复核不能满足强度要求；闸门无启闭控制设备，操作困难。目前筒车桥节制闸存在诸多的安全隐患，要及时地对筒车桥节制闸建筑物进行除险加固处理。

2 水闸区域工程概况

筒车桥水闸枢纽工程主要建筑物有10孔节制闸和灌溉进水口。水闸建成至今进行过两次维修加固，时间分别是在1994年9月和1995年10月。系因水闸未建消能设施，左侧出口挡墙被冲毁，由临川区农业开发办提供资金，荣山镇负责组织实施，对水闸泄槽左侧出口挡墙进行重建。水闸的卧式钢闸门门体锈蚀，无止水，漏水严重。

对闸坝的闸墩、工作梁、启闭机房及护岸砌石外观及实体质量情况进行检测，检测结果如下。

(1)混凝土抗压强度检测。采用回弹法检测混凝土强度，结果如表1所示。

表1 水闸混凝土抗压强度检测结果

(2)混凝土碳化深度检测。混凝土的碳化深度采用酒精酚酞溶液检测，结果如表2所示。

表2 水闸混凝土碳化深度检测结果 mm

(3)工程地质状况。枢纽区出露地层较简单，基岩为含砾砂岩。第四系全新统覆盖层主要为冲洪积层，主要为粗砂。

根据闸址处地质勘探资料，闸基地层结构相对简单，上部因靠近公路，有部分素填土，厚约2.60 m，其下为细中砂及粗砂，细中砂层厚约1.90 m，粗砂地层厚约1.60 m，下伏基岩为含砾砂岩，出露高程为55.36～56.05 m。现状闸址位于梦港河上，根据现场钻探显示，该处地层结构简单，闸基直接坐落于强风化状含砾砂岩，基岩节理裂隙不发育，岩石完整性较好，但现状水闸位于河道转弯处，且紧靠寺庙，阻水严重，建议易址改建。

拟建闸址位于梦港河上，在现状闸址下游约80.00 m处，根据现场钻探显示，该处地层结构简单，闸基直接坐落于强风化状含砾砂岩，基岩节理裂隙不发育，岩石完整性较好，ZK5及ZK6的压水实验分别为4.80 lu、4.35 lu，具弱透水性，为相对不透水层。建议强风化岩体抗冲流速为3.0 m/s。

护岸位于水闸两侧，沿河岸分布，因河床部位上部覆盖层厚度为0.90 m，建议护岸直接坐落于强风化基岩上，岩体中裂隙不发育，岩体较完整，工程地质条件较好，根据类似工程岩石试验成果，拟建水闸闸基岩体为强风化状含砾砂岩，基岩岩体呈弱透水性，透水率q=4.35Lu，物理力学性质较好，不存在渗漏及渗透稳定问题。水闸两端分布第四系冲积层及人工填土，主要为中细砂、粗砂，透水性强。存在一定的绕闸渗漏[2]。

工程所需天然建材可就近采取到，储量丰富，运输较方便。

3 筒车桥水闸除险加固方案

3.1 除险加固任务和规模

筒车桥节制闸为中型水闸工程，灌溉水位58.80 m，设计引水流量0.50 m3/s，设计灌溉农田333.33 hm2，灌溉渠道总长1.90 km。工程主要受益单位为荣山镇，保护农田200.00 hm2，保护人口0.2万人。

筒车桥节制闸工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。

3.2 洪水标准

设计洪水标准应为20～30 a一遇，校核洪水标准应为50～100 a一遇。考虑到在水闸枢纽工程等别和主要建筑物级别确定时已经考虑水闸规模较大、洪峰流量较大等安全因素，因此洪水标准取下限，即设计洪水标准为20 a一遇，校核洪水标准为50 a一遇。因梦港河两岸堤防防护标准仅接近20 a一遇洪水标准，超此标准水流漫堤，因此加固前筒车桥节制闸仅定设计洪水标准为20 a一遇，设计泄流量116.50 m3/s。

加固后，筒车桥节制闸五孔过流，底板高程56.20 m，溢流总净宽20.00 m，闸墩顶高程62.10 m；节制闸设计洪水标准为20 a一遇，设计泄流量237.30 m3/s，校核洪水标准为50 a一遇，设计泄流量305.40 m3/s，闸址处土堤顶高程62.10 m。

3.3 施工洪水位

(1)导流方式。针对本工程概况，采用在闸址处上下游修筑全断面围堰挡水，在右岸开挖导流渠,待工程完毕后回填封闭,导流渠为宽8.00 m,边坡1∶1.5。

(2)工程导流能力。导流渠按明渠均匀流计算，结果如表3所示。

表3 导流渠流量计算结果

(3)施工洪水位。施工洪水位采用施工期洪峰流量查导流明渠水位流量关系曲线，得施工期施工洪水位成果，施工期为10月至次年2月，施工期流量为20.00 m3/s，施工洪水位为57.21 m。

3.4 灌溉流量分析

对灌区历年综合亩净定额进行频率分析，根据综合亩净定额频率与设计频率相近且灌水分配过程最不利及灌溉定额偏大的原则，选取设计典型年。最终选定灌溉设计保证率P=85%的典型年为2005年，综合净灌溉定额为7638 m3/hm2。

根据典型年各种作物旬用水过程分析，水稻在7月、8月出现用水高峰，P=85%的典型代表年的灌水率成果，最大灌水率出现在7月下旬，为0.110 m3/s·100 hm2，各月各旬灌水率变化较大，灌水持续时间不同，若按照计算的灌水率设计渠道供水，不但水量变化不均匀而且造成渠道断面偏大，为此，按规范要求对灌水率进行修正，经分析修正后灌区设计灌水率为0.090 m3/s·100 hm2,设计最小灌水率为0.027 m3/s·100 hm2[3]。

筒车桥水闸灌溉农田约333.33 hm2，由于田间和渠道存在水量损失，故灌溉引用流量应该考虑田间和渠道水量损失的影响，根据《灌溉与排水设计规范》(GB 50288—2018)，灌溉面积低于666.67 hm2的，渠系水利用系数需达到0.75，田间水利用系数0.95，因此按规范要求，灌溉水利用系数取值0.71，依据上述灌溉定额分析及设计灌水率分析成果，经计算，设计灌溉面积333.33 hm2时，灌溉取水流量为0.424 m3/s。

由于筒车桥水闸灌溉渠道目前破损，存在漏水现象，现状渠道通水条件不达标，灌溉水利用系数无法达到规范要求，因此现状灌溉水利用系数均取值0.50，经计算，根据现状渠道的通水条件，取水口灌溉取水流量需达0.602 m3/s。

3.5 除险加固工程布置和建筑物设计

(1)工程等级和标准。本次筒车桥节制闸除险加固工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。主要建筑物包括闸墩、溢流堰、上游铺盖、下游泄槽(即护坦)、上下游翼墙等。

由于本工程永久性水工建筑物的挡水高度低于15.00 m，且上下游水头差小于10.00 m，洪水标准按平原、滨海区标准确定。筒车桥节制闸位于抚州市临川区，地处丘陵地带，且水闸上下游防洪标准较低，故水闸运用洪水标准采用规范的下限值。综合考虑水闸总体布置、过闸流量、两岸道路的连接等，确定各建筑物级别及洪水标准见表4。

表4 建筑物运用洪水标准

(2)水闸除险加固方案。鉴于筒车桥节制闸闸址位于梦港河河道约160°的弯道处，不满足《水闸设计规范》(SL 265—2016)“节制闸或节制闸的轴线宜与河道中心线正交，其上、下游河道直线段长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度” 的要求，水流条件十分恶劣，同时现状闸室段上、下游河道底板落差达1.80 m，因此改建方案采取将闸址下移，将可改善水流条件，同时闸址段过流断面增加，可局部满足防洪要求。考虑闸址处两岸防洪要求，同时对筒车桥下游至改建水闸之间的左右两岸土堤进行加高培厚，以满足防洪要求[4]。

左右两岸灌溉取水口保持不变，仅根据土堤加高的需要进行适当接长，采用混凝土预制涵管型式。

该方案涉及闸孔的布置，根据采用闸孔宜采用奇数对称布置的原则，采用3孔(每孔净宽7.00 m)、5孔(每孔净宽4.00 m)进行泄流能力计算，在满足20 a一遇河道流量的前提下，5孔方案在结构上更为经济，管理方便，本次推荐，即改建筒车桥节制闸为C25钢筋混凝土开敞式结构,共5孔，每孔净宽4.00 m，闸底板高程为56.20 m，厚1.00 m，闸中墩厚1.00 m，闸边墩厚0.80 m，墩顶高程为62.10 m，工作闸门闸槽为0.40 m×0.25 m，检修闸门闸槽为0.40 m×0.20 m，闸室垂直水流方向总净宽20.00 m，顺水流方向总长9.00 m。闸墩上布置C25混凝土工作闸门启闭排架与检修闸门启闭长廊，均采用框架结构型式，立柱断面尺寸为0.50 m×0.50 m，排架由对称的矩形纵梁连接，纵梁梁断面尺寸为高宽0.50 m×0.80 m，横梁断面尺寸为0.30 m×0.50 m，启闭排架上部设砖混凝土结构启闭房。

闸室进口设置C25混凝土铺盖, 闸室出口设置C25混凝土消力池与干砌石海漫, 进出口两侧采用C20混凝土挡土墙进行护岸。闸室左侧布置管理房。闸门采用钢闸门控制，螺杆机进行启闭。

(3)闸型选定和加固设计。考虑到本闸位于梦港河的上游，地处偏僻，作为农田水利还是采用传统的闸坝型式更为适合。因此本次设计仍采用设置露顶式钢闸门挡水的闸坝型式。

考虑到现状堤防防洪标准低，改建闸后，其安全超高不足，故本次对该段堤防进行加高加固。设计断面为堤顶宽4.00 m，为泥结石路面，堤顶高程为62.10 m，临、背水坡坡比均为1∶2.0，均为草皮护坡。

3 结 论

总的来讲，水闸建设和除险加固至关重要，同时也会受到很多因素的影响，在具体的工程加固和除险过程中一定要因地制宜地从水闸实际情况出发，选择合适的加固方案。本文以筒车桥水闸除险加固工程为例，在老闸下游60.00 m建新闸，新闸址附近的梦港河基本满足行洪要求，但老闸的上游段的梦港河过流能力却不能满足要求，因此需要对梦港河两岸圩堤进行必要的加高陪厚，以扩大梦港河河道的过流能力，使得工程真正达标，造福两岸百姓。