水闸除险加固设计方案研究

杨启功

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510630）

0 引言

加固设计是在现有工程基础上,采取综合加固措施,提出建设性设计方案和处理措施,使工程恢复设计指标,达到经济合理、安全可靠［1］。水闸经过长期运行,常出现过流能力下降、闸基不均匀沉降、防渗稳定性不足等现象,为保障取用水户的用水效益和工程的安全运行,及时进行除险加固是经济合理的手段。

1 工程概况

练江水闸工程位于练江干流,闸址以上集雨面积334.3 km2,为开敞式水闸,共设10 孔,总净宽82.15 m,原设计过闸流量为420 m3/s,闸室总宽97.15 m,是一座以防洪排涝为主、发电为辅的中型水利枢纽工程。水闸纵剖面见图1。

图1 原水闸纵剖面图

2 水闸设计指标复核

2.1 过流能力

水闸原10 年一遇设计（10%）：流量1118 m3/s,闸上水位5.314 m。20 年一遇校核（5%）：流量1420 m3/s,闸上水位6.914 m。闸底高程-0.44 m,闸墩顶高程6.114 m,桥顶高程8.094 m。经复核,闸前校核洪水位6.486 m高于现状闸顶高程6.114 m,水闸过流能力不满足要求。

2.2 闸顶高程

闸顶高程计算结果见表1。

表1 闸顶高程计算成果表

从表1计算结果可知,闸顶高程应为7.86 m,现状闸顶高程6.11m,不满足规范要求。

2.3 抗渗稳定性

抗渗复核工况为：上游水位为最高挡水位2.94 m,下游采用实测最低水位-1.06 m。根据工程实际情况,选取闸室段加下游浆砌石部分进行计算分析。按照规范推荐改进阻力系数法,可以求得底板平均坡降和出口处坡降：

J0=出口段水头损失/出口段长度

J1=底板各段水头损失/底板水平段长度

底板平均坡降和出口处坡降见表2。

表2 改进阻力系数法抗渗复核计算成果

根据工程地质勘察,坚硬粘土地基水平段允许渗流坡降0.40。计算结果表明,底板水平段坡降0.04,满足要求；底板出口处坡降0.41,不满足要求。

2.4 消能防冲复核

2.4.1计算工况

练江水闸现状消能防冲措施采用消力池和海漫相结合。主河槽段闸室底板出口以1∶7坡度与护坦衔接。消力池长20.8 m,池底板厚度0.6 m,池底高程-1.857 m,消力坎顶高程-1.057 m。练江水闸上游正常蓄水位为2.94 m,当上游来水量大于发电流量时,开启闸门泄洪。闸门开度按0.25 m、0.5 m、0.75 m…至全开控制,首次按2孔0.25 m开启,然后分别按相应的开度逐扇开启至1 孔,进行消能防冲复核计算,找出最不利的控制工况。计算方法见式（1）~（4）。

式中：d为消力池深度；σ0为水跃淹没系数；h＇c为跃后水深；hc为收缩水深；ΔZ为出池落差；hs为出池河床水深。

计算结果见表3。

表3 水闸消力池计算成果表

2.4.2复核结果

（1）根据计算结果,工况2 水流衔接良好,基本上下游水深均大于跃后水深,不会产生远驱式水跃,小流量时产生远离水跃。在流量为19 m3/s时,消力池池深最大,为1 m,大于现状池深0.8 m；在流量为618 m3/s时,消力池池长最大,为36.08 m,大于现状池长20.8 m；在流量为429 m3/s时,海漫长度最大,长33.7 m,大于现状海漫长5.5 m,均不满足设计要求。

（2）现状无防冲槽,不满足防冲要求。水流出消力池后端单宽流量较大,采用的河床土质允许不冲流速V0=0.7 m/s,海漫末端河床计算冲刷深度dm=12.3 m。下游护岸已局部受冲破坏。

3 除险加固方案拟定

根据复核结果,水闸过流能力及闸顶高程、出口段渗流坡降、消力池长度和海漫长度均不满足设计要求。针对存在的问题,除险加固设计拟定两种方案。

3.1 方案一

旧水闸底板及闸墩采用“金包银”型式。保留现水闸左侧9 孔闸室底板及闸墩,拆除右侧单孔闸及电站,新建2 孔新闸；重建上游铺盖及下游消能防冲设施、启闭机室等,闸室上游侧新建工作桥。

左侧9 孔闸室利用现状3 孔一联型式。闸底板加厚0.4 m,高程-0.04 m,前段加宽0.5 m,总宽8.90 m,中墩和缝墩加长与闸底板同宽,中墩两侧各外包C30 钢筋砼,厚0.45 m,总厚度2.2 m,缝墩及边墩内侧包C30 钢筋砼厚0.45 m,总厚度1.75 m,孔口净宽由8.7 m变为7.8 m；闸墩顶加高1.89 m,高程8.00 m。右侧拆除现状孔口净宽3.95 m单孔闸及电站部分,新建2 孔新闸,新闸底板厚1.8 m,底板顶部高程-0.04 m,宽8.9 m,中墩厚2.5 m,边墩厚1.5 m,闸顶高程8.00 m,净宽7.8 m。加固后共11 孔,单孔净宽7.8 m,闸室总宽度111.8 m,总净宽85.8 m,长度8.9 m。闸墩上游侧设工作桥,桥宽3.95 m,桥面高程8.00 m,与检修平台同高。工作桥设计荷载为公路Ⅱ级,采用预应力钢筋混凝土空心板结构,空心板两端分别简支在各孔的闸墩上。拆除原闸室上部排架及启闭机室,按新的要求新建排架及启闭机室,启闭机室地面高程16.36 m。工作闸门采用平板钢闸门,闸门尺寸b×h=7.8 m×3.3 m,固定卷扬机启闭,一门一机；检修闸门位于工作闸门前,采用悬挂式移动启闭机进行操作,共一扇闸门。闸室段在加长的缝墩前段新设垂直止水,闸室底板前段与上游铺盖之间、闸室底板后段与消力池斜坡段之间新设水平止水,止水材料采用1.5 mm厚紫铜片,现有底板部分利用原有的水平止水。闸室上游设C25 钢筋砼水平防渗铺盖,长20.0 m,厚0.5 m。铺盖末端设厚0.6 m、深5.4 m的砼地下连续墙。消力池长38.0 m,其中斜坡段长19.2.0 m、水平段长18.8m,池深1.2 m,C25 钢筋砼结构；海漫段长40.0 m,前段水平段长5.0 m,C25 钢筋砼结构,后段长35.0 m,为C25 钢筋砼框格、浆砌石结构,坡比1∶25,防冲槽长15 m,采用抛填块石。

3.2 方案二

保留原水闸底板,拆除现有闸墩并新建,同时拆除右侧单孔旧闸及电站,新建1 孔新闸；重建上游铺盖及下游消能防冲设施、启闭机室等,闸室上游侧新建管理用桥。现状水闸左侧9 孔为3 孔一联,闸室长度8.4 m,每段宽度30.0 m。本次加固利用现有底板并加厚0.4 m、前段加长0.5 m,拆除现有闸墩后新建闸墩,为了增大过流断面,采用2 孔一联,边墩或缝墩厚1.74 m,中墩厚2.5 m,长度8.9 m与底板相同,单孔净宽12.0 m,闸室底板顶部高程-0.04 m,闸墩顶部高程8.16 m。右侧拆除现状孔口净宽3.95 m单孔闸及电站部分,新建1 孔新闸,新闸底板厚1.8 m,底板顶部高程-0.04 m,净宽12.0 m,边墩厚2.0 m,缝墩厚1.74 m,闸墩顶部高程8.16 m。加固后,闸室共7 孔,单孔净宽12.0 m,左侧6 孔为2 孔一联,右侧一孔为单孔,闸室总宽度106.1 m,总净宽84.0 m,长度8.9 m。闸墩上游侧设工作桥,桥宽3.95 m,桥面高程8.16 m,与检修平台同高。工作桥设计荷载为公路Ⅱ级,采用预应力钢筋混凝土空心板结构,空心板两端分别简支在各孔的闸墩上。拆除原闸室上部排架及启闭机室,按新的要求新建排架及启闭机室,启闭机室地面高程16.36 m。工作闸门采用平板钢闸门,闸门尺寸b×h=12.0 m×3.4 m,固定卷扬机启闭,一门一机；检修闸门位于工作闸门前,采用悬挂式移动启闭机进行操作,共一扇闸门。闸室段在缝墩前段新设垂直止水,闸室底板前段与上游铺盖之间、闸室底板后段与消力池斜坡段之间及闸室底板段新建的闸墩底部新设水平止水,止水材料采用1.5 mm厚紫铜片,现有底板部分利用原有的水平止水。

闸室上游设C25 钢筋砼水平防渗铺盖,长20.0 m,厚0.5 m。铺盖末端设厚0.6 m、深5.4 m的砼地下连续墙。消力池长38.0 m,其中斜坡段长19.2 m、水平段长18.8 m,池深1.2 m,C25 钢筋砼结构；海漫段长40.0 m,前段水平段长5.0 m,C25钢筋砼结构,后段长35.0 m,为C25 钢筋砼框格、浆砌石结构,坡比1∶25,防冲槽长15 m,采用抛填块石。

3.3 方案比较

由于方案一过流断面净宽85.8 m,方案二过流断面净宽84 m,两方案过流断面及过闸单宽流量、上下游水头差非常接近,消能防冲设施基本一致,在方案比选时上游铺盖及下游消能防冲设施投资未参与比较。见表4。

表4 方案比较表

经综合工程布置、水力条件、技术经济各方面比选,推荐方案二为本次除险加固方案。

4 结语

除险加固设计方案应深入结合原工程,在保障后期运营期设计指标达到规划要求的前提下争取以最小的经济成本获取最佳经济效益。因此设计方案要深入复核现状工程概况,基于现状病害提出适宜的加固方案,并通过施工工艺、工期及经济指标比选,确定最优加固方案。