徒骇河干流南营节制闸除险加固设计

李江波，熊继斌，李海洋

(德州市水利勘察设计研究院，山东 德州 253000)

1 工程概况

南营闸位于山东省禹城市十里望乡南营村徒骇河干流186+950里程处，建于1969年[1]，为17孔钢筋混凝土开敞式Ⅲ等3级中型闸。改造后水闸总长125.50 m，闸孔净宽102.00 m。设计防洪流量955.60 m3/s，相应闸上水位22.08 m(黄海高程，下同)；排涝流量618.00 m3/s，相应闸上水位20.63 m。设计蓄水位20.52 m，蓄水量770.00万m3，最大蓄水量910.00万m3，年调节水量4000.00万m3。工程任务为蓄水灌溉为主，兼顾防洪、排涝和工业用水等功能。

2 工程病险现状及安全复核

南营闸运行已50年，在蓄水灌溉、防洪排涝上发挥了良好的社会、经济和生态效益。但由于服役时间长，水闸一些特征指标不符合现有规范标准，工程存在较多安全隐患且呈逐年恶化趋势[2]。上下游河槽淤积严重、护坡渗水明流、闸墩混凝土裂缝及碳化冻融剥蚀、钢筋外露锈蚀和闸门锈蚀变形等，严重影响水闸的运行安全。南营闸主要病险问题如图1所示。

图1 南营闸主要病险问题

根据《水闸安全鉴定规定》，2000年山东省水利科学研究院对南营闸进行了安全鉴定,结果表明：①上下游河道淤积：南营闸的过流能力满足行洪和排涝要求。但徒骇河干流地处鲁北平原，土壤多为粉细砂，泥沙和引黄客沙对上下游河道造成淤积。②排水设施失效：闸上游止水和闸下游反滤排水设施存在失效问题，造成闸基渗透变形坡降偏大和下游护坦抗浮能力不足。两岸下游浆砌石护坡变形塌陷严重，闸室两岸和闸基渗流严重[3]，闸基渗流绝对异常值达46 mV，已产生渗透变形。③混凝土碳化及钢筋锈蚀：混凝土裂缝、碳化、剥蚀严重，钢筋裸露并锈蚀，部分出现在受力区，对结构安全构成威胁。④闸门锈蚀变形：闸门锈蚀、变形严重，止水橡皮老化，附件老化、锈蚀严重，闸门启闭困难。

南营闸超期运行，运用指标达不到设计标准，工程存在严重损坏，评定为三类水闸，急需采取合理的除险加固措施进行处理，以恢复其正常的蓄水灌溉、防洪排涝及生态环保等功能效益。

3 南营闸除险加固设计

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，南营闸工程建筑物等别为Ⅲ等，节制闸为3级建筑物。50 a一遇防洪标准：流量955.60 m3/s；底宽118.00 m，水位22.08 m。

3.1 闸墩加固方案优化比选

南营闸安全复核计算表明：水闸行洪及排涝过流能力、二道消力坎消能防冲性能、闸基抗渗稳定、闸室抗滑稳定和闸墩结构强度及刚度等均满足规范要求。但由于水闸服役时间较长，加上日常维护措施欠落实，混凝土碳化、剥落，钢筋锈蚀等损坏严重，存在较大安全隐患[4-5]。设计优选原闸墩聚合物砂浆加固修复和拆除重建两种除险加固方案进行比选，如表1所示。

表1 闸墩除险加固方案

从表1可以看出，两种闸墩加固处理方案均能排除水闸现有险情，确保其功能正常稳定发挥。闸墩拆除重建方案虽比原闸墩加固处理方案投资大，但在施工技术难度、施工质量控制、结构优化、运行检修和使用寿命等方面具有较大优越性，故优选闸墩拆除重建方案。

3.2 水闸构建物布置

南营闸改造包括闸室控制段和上下游连接段。按50 a一遇防洪标准设防，设计蓄水位20.52 m(对应蓄水量770.00万m3)，最大蓄水位21.02 m(对应蓄水量910.00万m3)，设计排涝流量618.00 m3/s(对应水位20.63 m)，设计防洪流量955.60 m3/s(对应水位22.08 m)。

3.2.1 闸室布置

除险加固将底板以上闸墩、排架、机架桥拆除重建，共17孔，每孔净宽6.00 m，多连孔中墩厚1.00 m，缝墩厚0.75 m，边墩厚1.00 m，总宽125.50 m。底板为整体式底板，共分六联，底板厚1.50 m，顺水向长13.00 m，底板顶高程为16.02 m，闸墩顶高程22.62 m。安装6.00 m×5.00 m双吊点平板钢闸门，其上游设检修工作门槽，配钢结构叠梁平板门；上游设净宽1.00 m工作桥，中部相对闸门槽两侧设二根钢筋混凝土排架柱；其顶设机架桥，上设启闭机房，在排架柱上高程26.22 m处设检修门吊车梁牛腿，两侧设桥头堡；重建交通桥，桥宽为6.50 m。

3.2.2 防渗排水布置

更换原水闸止水，在闸底板距离上游齿墙内侧20.00 cm处设高压喷射帷幕灌浆，孔距1.50 m，孔深10.00 m，用于增加渗径，提高渗透稳定性[6]；在闸底板下设压力灌浆，孔距2.00 m，孔深3.00 m，梅花状布置，用以提高地基承载力，提高抗渗稳定性；反滤层及盖板更换。

3.2.3 两岸连接布置

为增加绕渗的渗径，提高渗透稳定性，在闸室上、下游两岸分别设C25钢筋混凝土翼墙，翼墙圆弧半径10.00 m，断面为扶臂式钢筋混凝土结构，翼墙顶高程为22.62 m，翼墙顶设安全护栏，墙后回填黏性土，闸室下游墙面设PVC排水管及反滤层。

3.2.4 上游连接段布置

闸室上游将原浆砌石铺盖更换为长20.00 m厚50.00 cm钢筋混凝土铺盖；将原三合土铺盖更换为长10.00 m厚40.00 cm浆砌石铺盖；将原黏土护坡和三合土护坡更换为长20.00 m厚30.00 cm 浆砌石护坡；将原浆砌石护坡更换为长20.00 m 厚40.00 cm钢筋混凝土护坡。

3.2.5 消能防冲布置

水闸采用底流式水跃消能，在下游布置16.00 m 钢筋混凝土消力池，厚50.00 cm，二道坎型式,一级齿坎高1.00 m,二级齿坎高0.60 m；15.00 m浆砌石海漫，厚40.00 cm；8.00 m抛乱石防冲槽，倒梯形，槽深1.50 m，底宽6.00 m。经多年运行，护坦混凝土剥蚀、冻融破坏严重，海漫及防冲槽冲蚀严重。设计采用甲丙乳砂浆对护坦混凝土进行补强，维修海漫、防冲槽及下游浆砌石护坡。

4 水闸构建物设计计算

4.1 行洪泄流能力分析

设计防洪流量955.60 m3/s，防洪水位22.08 m，闸孔总净宽B0=102.00 m，相应闸前水深h=22.08-16.02=6.06 m。当上下游水位差Z=0.15 m时，水闸最大可过流量为1016.35 m3/s，大于50 a一遇设计防洪流量955.60 m3/s，行洪排涝安全可靠性高。

4.2 消能防冲计算

南营闸属于平原地区水闸，行洪排涝期间全部闸孔闸门敞开，闸室上下游水位差很小，闸下游消能不是危险情况。由于水闸孔数较多，要全部闸孔齐步开启，不易做到。部分闸孔开启是下游消能最危险的工况，要控制开启速度和开度(每次增加开度不得超过0.50 m)，以求下游水位接近相应流量。水闸消能防冲计算成果，如表2所示。

表2 水闸消能防冲计算成果 m

从表2可知，现状消力池池长、坎高及底板厚和海漫长度均满足设计规范要求。防冲槽深度现状值不满足计算值要求，计算值明显偏大。但根据经验一般取防冲坑深度1.50～2.00 m，现状1.50 m 槽深满足实际需求，无需额外加厚。

4.3 闸室稳定性分析

南营闸为钢筋混凝土开敞式中型节制闸，闸室总宽125.50 m，设17孔6.00 m×5.00 m(宽×高)的平板钢闸门。底板为钢筋混凝土整体式底板，共分六联。底板厚1.50 m，顺水向长13.00 m。多连孔中墩厚1.00 m，缝墩厚0.75 m，边墩厚1.00 m，墩高6.60 m，为钢筋混凝土结构。根据《水闸设计规范》，闸室稳定性分析计算工况为：①完建工况:无水；②校核工况:闸上游水位：21.02 m，闸下游无水16.02 m。③地震工况：正常挡水时期闸门全关，遭遇强震。稳定性分析主要计算闸室地基承载力及抗滑稳定系数，如表3和表4所示。

南营闸为3级建筑物，其沿闸室底面抗滑稳定安全系数的允许值基本组合时为1.25，特殊组合时为1.10。从表3和表4可知，各工况条件下，闸室地基应力不均匀系数均小于规范允许值，闸室段的抗滑稳定安全系数均大于规范规定值，满足规范要求。校核工况及地震工况下，闸室边联地基承载力均不满足规范要求，设计采用压力灌浆对底板进行加固处理，并严格控制灌浆质量，使地基承载力达到150.00 kPa，以改善底部受力，确保结构稳定。

表3 顺水流向中联计算成果

表4 顺水流向边联计算成果

5 结 语

南营节制闸是徒骇河流域干流重要的蓄水灌溉和防洪排涝的中型水闸，由于近50年的超期服役，加上未经系统病险调查及修复处理，水闸存在上下游河槽淤积、上游止水及下游反滤设施失效、浆砌石护坡变形塌陷、闸基及闸室渗透失稳、闸墩混凝土裂缝及碳化剥落、闸门锈蚀变形等病险问题，急需通过合理除险加固改造以恢复水闸功能效益。结合水闸安全复核成果，综合考虑病险现状、工程地质条件和运行管理需求，设计优选原闸址闸墩拆除重建方案，能有效提高水闸防洪标准和行洪泄流能力，确保其具有较好的运行稳定性和经济效益。