某中型河闸扩建中设计方案比选分析

王 斌

（新疆疆南水利勘测设计研究院有限责任公司,新疆 喀什 844000）

1 工程概况

某河闸规模为中型,是一座集防洪、排涝、挡潮、蓄水灌溉等为一体的综合型水闸,河闸共14 孔净宽88 m,中孔为单宽6 m,边孔单宽为8m,闸底采用混凝土反拱式,闸身长14 m,闸顶高程5.0 m,底板高程-2.5 m,闸墩采用钢筋混凝土结构。河闸建设较早,由于当时受技术、经济等因素的影响和限制,原河闸在设计、施工不满足规范要求,河闸带病运行,近几年运行发现河闸工程存在问题进一步加剧,特别是闸室底板纵向通缝进一步增多,结构存在重大安全隐患,闸门、启闭机长期频繁高负荷运行、部分电气设备老化,给运行管理带来很大的不便。本次安全鉴定后,需对老闸进行拆除,在原址下移约960 m位置新扩建节制闸1座,以满足工程现状需求。

2 布置方案比选

根据现状河闸情况,从加固改造彻底性、工程布置合理性、实施难易程度、征地移民、投资估算、运行管理几个方面综合分析后,在原址位置下移约960 m位置新建河闸的设计方案,本章节从闸室孔数、闸室结构方面进行方案比选。

2.1 闸室孔数比选

河闸孔总净宽130m,结合沿海挡潮闸的工程实践,拟对其闸孔布置采用两个方案进行比选［1］,比选如下：

（1）方案一：闸孔13孔（13 m×10 m）方案

该方案根据运行管理以及原现状枢纽其他建筑物协调一致角度出发,拟定闸孔单孔净宽10 m方案,采用2+3+3+3+2布孔方案,共13 孔,总净宽130 m,顺水流方向长度18m,闸底板面高程为-3.50 m,底高程为-5.1 m,闸顶高程6.5 m。因挡潮水位较高,为降低闸门高度,孔内设胸墙,胸墙底高程3.50 m,中墩厚1.5 m,缝墩厚1.2 m,闸室总宽度为152.2 m。方案一闸室结构图见图1。

优点为：①闸门及启闭机均为常规设备,管理运行要求相对较低；②孔数较多运行可靠性较高；③土建结构相对简单,投资省。缺点为结构比较单一。

（2）方案二：闸孔8 孔（8 m×16 m）方案

从旅游风景区角度出发,拟定闸孔单孔净宽16 m方案,闸孔采用2+2+2+2布孔方案,共8 孔,总净宽128 m,顺水流方向长度18 m,闸底板面高程为-3.50 m,底高程为-7.00 m,闸顶高程6.5 m。因挡潮水位较高,为降低闸门高度,孔内设胸墙,胸墙底高程3.50 m,中墩厚1.8 m,中缝墩厚1.4 m,闸室总宽度为147.6 m,方案二闸室结构见图2。

优点为：①闸孔孔数少,便于管理控制,可减少管理工程量；②单孔净宽较大,整体外观相对较好。缺点为：①单孔跨度较大,底板闸墩较厚,加大了砼温控难度；②孔数少,运行调度灵活性较方案一差；③工程投资较方案一略大。

两种闸室孔数比选见表 1。

表1 闸室孔数方案比选表

经比较分析,方案二门型尺寸较大,制作、安装和运输要求高,金属结构费用相比方案一增加明显,工程运行管理可靠性较低,同时灵活性较方案一差；初步投资估算,工程直接费用方案二大于方案一,故推荐采用方案一方案。

2.2 闸室结构比选

根据采用的控制闸门型式,拟定了两种闸室结构布置方案,比选如下：

（1）方案一：采用平面定轮直升钢闸门

闸室采用胸墙式结构,底板共分为五块,其中两块二孔一联,三块三孔一联,闸门采用平面定轮直升钢闸门结构,配备QP-2×400 kN 卷扬式启闭机启闭。根据2.1可知,闸室底板顺水流向长度18.0 m,垂直水流向宽度152.28 m。闸门偏下游侧布置,上设启闭机房,启闭机房净宽5.50 m,为整浇式梁板结构,紧靠下游侧设工作便桥,总宽2.0 m,闸门上游设置检修门槽,起吊方式为汽车吊,紧贴上游侧布置交通桥,交通桥荷载等级为公路-Ⅱ级,为钢筋砼整浇结构,总宽 7.0 m,闸身剖面见图 1。

方案一优点为：①闸门可在工厂制作好,现场吊装即可,安装工期短,难度小；②闸门可吊出闸室检修,维护相对方便；③工程投资省。缺点为排架高度相对略高。

（2）方案二：采用弧形钢闸门

闸室采用胸墙式结构,底板共分为五块,其中两块二孔一联,三块三孔一联,闸门采用弧形钢闸门结构,配备QH-2×250kN 弧门卷扬式启闭机启闭,闸室底板顺水流向长度24.5 m,垂直水流向宽度152.28 m。其它布置形式同方案一,闸身剖面见图 3。

方案二优点为：①弧形钢闸门受力条件好；②排架高程较平面钢门降低 1.50 m；③弧门因没有门槽,过闸水流流态较好。缺点为：①弧形闸门需在闸室内现场拼装, 闸门安装工期相对较长,技术要求高,难度较大；②闸室底板长度比方案一增加 5.4 m,工程投资增加。

两方案在技术上均可行,各有优缺点,考虑到工程管理方便,工程投资等方面,推荐采用方案一,即采用平面定轮直升钢闸门方案。

3 建筑物设计

3.1 节制闸工程设计

闸室设计：河闸总净宽130 m,闸室采用胸墙式整体结构,底板分为五联,顺水流长度18.0 m,垂直水流宽度三孔一联为35.1/34.8 m,两孔一联为23.6 m,闸室总宽152.2 m。闸室布置参见第2章节闸室方案比选内容,不再赘述。

闸室上游设计：上游依次设16 m长砼铺盖,45 m长C30砼护底,在距末端护底3 m 处设整流坎一道,总长164 m,共分5 块,坎顶、坎底宽度分别为为0.75 m、1.60 m,底板厚0.5 m,宽2.1 m,埋置深度为0.3 cm,同时正对每孔闸室中心线 5 m范围开孔,开孔尺寸为5 m×1.0 m。

闸室下游设计：下游依次设25 m长消力池,后接15 m长护坦、45 m长C30 砼护底,15 m长抛石防冲槽,护坡护至防冲槽外30 m处,护底末端设φ60@65 防冲灌注桩,桩长10 m,桩后采用6 m长φ40高压旋喷桩防渗、堵漏［2］。

根据模型试验成果,拟将武障河与老河槽交汇处导水堤向西移40 m,导水堤与武障河河道中心线夹角为9°,堤顶高程为斜降式,高程为3.70 m~2.50 m,末端导堤直径为3 m。考虑水流冲刷,对该段导水堤及临近上游两侧100 m范围渐变段河坡进行砼护砌,导水堤护砌平面见图4。

3.2 桥梁工程

本方案拟新建桥梁两座,根据《公路工程技术标准》（JTGB 01-2014）,拟建桥梁设计安全等级均为二级,采用的汽车荷载等级为公路-Ⅱ 级。根据整治后河道断面,尽量减少桥前的壅水高度,并结合桥台处接线道路边坡稳定来确定各跨河桥梁总跨径（总跨径不含桥台长度）,跨河桥梁设计参数见表2。

表2 跨河桥梁设计参数表

（1）桥梁结构设计

1）上部结构设计

1号桥主跨及边跨均采用30 m跨的后张法预应力连续箱梁,梁长每跨30 m,梁高1.6 m,中梁顶板宽2.4 m,边梁顶板宽2.55 m。预应力钢筋采用高强低松弛钢绞线,公称直径φs为15.2 mm,公称面积为140.0 mm2,抗拉强度标准值fpk为1860 MPa,弹性模量Ep为1.95×105MPa,松弛率ρ为0.035,松弛系数 为0.3,预制箱梁和桥面现浇层采用 C50,30 m跨桥结构布置见图5。

2 号桥主跨采用20 m跨先张法预应力空心板结构,预制梁长1996 cm,板高90 cm,中板宽99 cm,边板宽99.5 cm,内挖方孔,预制板中距100 cm；边跨采用 16 m先张法预应力空心板结构,预制板梁长1596 cm,板高80 cm,中板宽99.0 cm,边板宽99.5 cm,内挖方孔,预制板中距100.0 cm。

预应力钢筋采用低松弛高强度钢绞线,公称直径φs为15.2 mm,公称面积为140.0 mm2,抗拉强度标准值fpk为1860 MPa,弹性模量Ep为1.95×105MPa,松弛率ρ为0.035,松弛系数 为0.3,预制箱梁和桥面现浇层采用C50。20m跨桥结构布置见图1。

图1 桥梁结构布置图

2）下部结构及基础设计

①主跨桥墩

1号桥桥墩采用单排柱式桥墩, 灌注桩基础,灌注桩直径180 cm,桩之间设145 cm×120 cmC30 钢筋混凝土矩形系梁,盖梁和台帽作为直接承受上部结构恒活荷载的载体结构,盖梁高度1.70 m,盖梁宽度为2 m,桥台采用C30 钢筋混凝土埋置式桥台, 桥台宽度取1.90 m。

2号桥桥墩采用单排柱式桥墩,直径150 cm灌注桩基础,桩之间设100 cm×120 cmC30 钢筋混凝土矩形系梁,盖梁和台帽作为直接承受上部结构恒活荷载的载体结构,盖梁高度为1.30 m,盖梁宽度为2 m,桥台宽度取1.9 m。

②灌注桩桩长计算

按《公路桥涵地基与基础设计规范》中钻（挖）孔灌注桩的容许承载力计算公式进行验算,计算参数根据地质勘察报告取值,桥梁的桩基计算后结果见表3。

表3 桥梁灌注桩基础桩长计算成果表

3.3 上下游引河拓浚及堤防填筑工程

（1）上下游引河拓浚工程

根据工程规模计算成果资料,河道上游河底宽仅需疏浚至80 m,河底高程为-3.00 m~- 3.50 m,下游引河河底宽需拓浚至130 m,河底高程为-3.50 m,在闸下游河坡高程1.60 m处设直立挡墙,挡墙高度为4.50 m~4.70 m,挡墙以下河道坡比为1∶4,北侧老河槽宽32 m,槽底高程为-3.00 m~-3.50 m,河槽边坡为1∶4,下游引河典型设计断面图见图2。

图2 河道下游引河典型断面图

河道上游引河疏浚长度为1360 m,下游引河拓浚长度为450 m,老河槽拓浚长度为 930 m,闸下河坡挡墙底板下拟采用桩长6 m,φ60@130 搅拌桩进行地基处理。

（2）堤防填筑工程

左堤堤顶高程5.70 m,右堤堤顶高程5.50 m,堤顶宽度6 m,迎水侧坡比1∶2,背水侧坡比1∶2。

4 结语

该河闸工程扩建后,将整体提高河闸的排涝标准以及区域的防洪标准,消除了工程安全隐患,保护了该区域人民的生命财产安全,工程于2020 年12 月竣工,现状河闸运行良好,建议河道管理所在后期运行中加强河闸管理维护,定期对闸门等设备进行维护和保养。