马颊河仙人桥闸除险加固方案比选及水力计算

范立群，任高珊，宋文燕

(德州市水利局，山东 德州 253000)

1 工程概况

仙人桥闸位于山东省德州市陵城区马颊河干流167+520处，马颊河分洪道口以下30 m处，兴建于1970年4月，1970年9月竣工，为3孔开敞式钢筋混凝土框架式，设升卧式平板钢闸门。除险加固前，原闸总长34.8 m，净宽30 m,每孔净宽10 m，闸底板高程14.30 m。设计防洪流量318 m3/s，相应闸上水位20.32 m；排涝流量283 m3/s，相应闸上水位19.45 m。设计蓄水量418万m3，属中型水闸。主要工程任务为蓄水灌溉和防洪排涝，设计灌溉面积0.27万hm2，控制流域面积4869 km2，实际灌溉面积0.13万hm2。水闸设计最大过闸流量为455 m3/s，为3级水工建筑物。

2 水闸病险现状及安全复核

仙人桥闸投运已50余年，在农业灌溉、防洪除涝等方面均发挥非常大的作用，取得显著效益。安全复核结果表明水闸过流、结构应力和闸室抗滑稳定等满足要求，但由于受服役年限长、建设标准低、养护不到位等因素制约，水闸长期“带病超期超载”服役，存在严重安全问题[1-2]，即：闸上、下游淤积严重，现状分洪能力不足；混凝土结构老化、强度低，钢筋锈蚀严重；消能防冲设施损毁，上下游护坡部分脱落坍塌；水闸渗透变形，下游护坡塌陷等病险问题，亟须进行除险加固处理。

根据《山东省海河流域综合规划》，仙人桥闸50 a一遇洪水过闸流量确定为455 m3/s，水闸现状能力满足要求。但由于闸上(下)游淤积、主体结构老化、消能防渗设施损毁等问题，严重制约水闸兴利效益的发挥[3]。经安全检测复核，工程存在严重安全问题，鉴定为三类闸，需进行除险加固，以恢复水闸蓄水灌溉、防洪除涝和生态景观等运用功能及效益。

3 水闸除险加固设计

结合现场踏勘及安全鉴定结果，仙人桥闸现状闸址优良，原闸址除险加固方案为最佳方案。水闸除险加固工程按50 a一遇马颊河下泄流量846 m3/s，过闸流量455 m3/s，挡水高度5.00 m，3级水工建筑物进行设计。

3.1 除险加固方案比选

仙人桥闸为原闸址处拆除改建。综合考虑地形地质适宜性、施工组织、运行管理等因素[4]，设计优选2个方案(原址改建5孔、原址改建3孔)，从技术、经济等方面进行对比分析，比选结果如表1所示。

表1 除险加固方案技术经济比选结果

从表1可知，原址改建3孔方案基本沿用原水闸主体结构，原水闸已历经50余年的服役及多次大洪水考验，水闸结构形式安全耐用，耐久性与原址改建5孔方案相当；3孔方案闸门数量少、启闭运行管理灵活方便；两个方案均能在洪水末尾及时拦蓄尾水，蓄水保证率高，更好补源地下水。另外，3孔方案虽施工难度较5孔方案大，但其投资仅1074.43万元，相比5孔方案的2809.60万元要少1735.17万元，经济效益更高。因此，设计推荐优选与工程匹配性更高、技术经济性更优的原址改建3孔方案。

3.2 水闸构建物布置

仙人桥闸校核洪水位上游(P=2%)为20.44 m，下游为20.12 m，相应最大过闸流量455 m3/s；设计洪水位上游(P=5%)为20.25 m，下游为20.12 m，相应最大过闸流量318 m3/s；设计挡水水位19.30 m，挡水高度5.00 m。

改建的仙人桥闸采用钢筋混凝土开敞式结构，共3孔，每孔净宽10 m，接长原有闸室中墩，中墩厚1.2 m，边墩厚1.2 m，闸室总宽34.8 m，顺水向长14.0 m，底板顶高程14.3 m。底板采用原闸底板，并进行加固维修处理。闸墩顶高程21.3 m，闸墩顶部从上游至下游依次设置检修桥、检修门槽、工作门槽及交通桥。闸墩顶设钢筋混凝土排架柱，顶高程27.8 m；排架顶设机架桥，机架桥顶高程 28.8 m，闸室左侧(北岸)设桥头堡，宽7.2 m，长7.0 m。闸室两侧设桥头堡，桥头堡基础采用钢筋混凝土灌注桩。维修上、下游现状破损浆砌石护坡，原有浆砌石护坡进行勾缝加固处理。原海漫、防冲槽全部保留，并对破损部分进行修复加固。新建闸室与原闸底板之间进行凿毛处理，并敷设钢筋网，并采用C30混凝土重新浇筑顶面。主体结构混凝土外漏面利用防腐涂料进行补强防腐处理。

4 水闸水力计算

4.1 过流能力分析

按《水闸设计规范》(SL 265-2016)中宽顶堰淹没公式[5]，对改建的水闸过流能力进行演算，计算结果如表2。

表2 仙人桥闸过流能力复核成果

根据表2计算成果知：校核洪水工况闸前水位20.44 m时，水闸过流能力为455.93 m3/s；设计洪水工况闸前水位20.25 m时，水闸过流能力为 321.19 m3/s。现状情况下50 a一遇闸上洪水位较设计规划要高190 mm，马颊河马才老河闸段局部水位会出现雍高。查看《山东省海河流域综合规划》，仙人桥闸所处的马颊河干流河道其现状堤防高度能够满足洪水超高要求，即在闸孔总净宽选定为30 m的情况下，设计洪水工况闸前水位虽略高于正常蓄水位，但由于河道堤防的整体防护，上游淹没损失非常小。因此，为最大程度发挥仙人桥闸除险加固工程效益，闸孔总净宽维持原来的30 m基本合适，基本符合规范指标要求。

4.2 闸顶高程确定

闸顶高程应根据水闸挡水和泄水两种运用情况确定[6]。挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位(或最高挡水位)加波浪计算高度与相应安全超高之和；泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位(或校核洪水位)与相应安全超高之和。根据规范SL 265—2016，分析得闸顶高程计算成果，如表3所示。

表3 闸顶高程计算成果 m

根据表3计算成果知：闸墩顶高程应不小于20.95 m，取闸墩顶高程21.30 m，满足规范要求；依据规范SL 265—2016，检修桥和生产桥的梁(板)底高程均应高出最高洪水位0.5 m以上，下游50 a一遇校核洪水位为20.12 m，则生产桥的梁(板)底高程最小高程不应低于20.62 m，设计生产桥底高程为20.90 m，生产桥板厚0.7 m，铺装厚18 cm，综合确定交通桥顶高程为21.80 m。上游最高洪水位为20.44 m，则检修桥梁底高程不应低于20.94 m，设计检修桥底高程确定为闸墩顶高程21.30 m，满足规范要求。

4.3 消能防冲

闸门局部开启时，下泄流量较小，下游水位不高，闸下泄流速度较大，会对下游河床造成严重冲刷，故仅对水闸最高挡水位时，闸门部分开启工况进行消能工复核。为保证无论何种开启高度的情况下，均能发生淹没式水跃消能，采用闸前正常水深H=5.5 m，开1孔、3 孔。闸门按照1.1 m高度差逐级提升，计算得消力池特性参数分析结果，如表4所示。

表4 消力池特性参数分析结果

根据表4计算成果，结合仙人桥闸工程特性并参照同类已建工程经验，设计确定消力池采用综合式消力池，下挖深1.0 m，总长度20.0 m，厚0.6 m；消力池首部采用1∶4斜坡，平直段消力池高程13.3 m。仙人桥闸原设置15.0 m长干砌块石海漫，干砌块石海漫至改建后C30钢筋混凝土消力池末端长度达20.0 m，原设计海漫长度符合要求。仙人桥闸原抛石防冲槽顺水流向长10.0 m，深度为2.0 m，满足构造要求。除险加固工程考虑采用格宾网垫进行防护，防冲槽石块单块重量不低于50 kg。

4.4 稳定性分析

仙人桥闸为钢筋混凝土开敞式中型水闸，设3孔10.0 m×5.5 m(宽×高)的平板钢闸门，闸门底板顺水流方向长14.0 m，承台宽5.0 m，其底板为钢筋混凝土结构，墩高7.0 m，厚1.2 m，钢筋混凝土结构。稳定性分析计算工况为：①完建期工况:上、下游水位平闸底板，闸前闸后水位均为14.30 m。荷载组合：设备重+结构自重+土压力+活荷载+扬压力。②设计洪水位工况:闸门全开，闸前设计洪水位20.25 m，闸后相应水位20.12 m。荷载组合：设备重+结构自重+风荷载+浪荷载+活荷载+土压力+闸上水重+静水压力+扬压力。③校核洪水位工况：闸门全开，闸前校核洪水位20.44 m，闸后相应水位20.12 m。荷载组合：设备重+结构自重+风荷载+浪荷载+土压力+闸上水重+静水压力+扬压力。中墩和边墩稳定性分析结果，如表5和表6所示。

表5 中墩稳定性分析结果

表6 边墩稳定性分析结果

根据表5和表6计算成果知：边墩、中墩的地基应力不均匀系数及抗滑稳定均满足规范要求。但边墩、中墩的基底应力均大于地基承载力允许值80 kPa指标要求，最大值甚至在地基承载力允许值的2倍以上，不满足地基承载力要求，需进行地基处理才能达到地基应力要求。采用钻孔钢筋混凝土灌注桩进行补强处理，即：中墩桩，梅花型布置，深13.0 m共5根，深11.0 m共9根；边墩桩，梅花型布置，深16.0 m共7根，深18.5 m共7根进行桩基处理后，地基承载力满足100 kPa允许值要求。

5 结 论

通过对仙人桥闸除险加固技改方案的可行性与经济性进行论证分析，主要取得如下结论：

(1)根据现场检测和安全鉴定复核成果，仙人桥闸属长期“带病超期超载”服役的病险水闸，水闸运用指标无法达到设计标准，存在严重的安全问题，被鉴定为三类水闸，急需进行除险加固消除病险隐患，确保其功能和效益稳定发挥。

(2)综合考虑水闸病险现状、主体结构性能、运行维护和工程投资等条件，优选与工程实际相匹配的原闸址3孔改建方案。

(3)水力计算及稳定性分析成果表明，原闸址3孔改建方案合理可行。工程实施后，水闸的挡蓄水和泄洪能力将得到提高，同时可为德州地区农业灌溉、生态景观等提供水源保障和条件。