高堂水闸重建工程设计要点刍探

黎 枢，冯伟添

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635）

1 水闸基本情况

1.1 水闸现状

高堂水闸是一座以灌溉为主，兼顾供水功能的大(2)型水闸枢纽工程。它是汤溪水库灌区的主体工程之一，灌溉面积达5.05 万亩，此外还担负着12 万人的民用供水任务。原高堂水闸（见图1）建于1965 年，由于年代久远，原标准偏低。水闸采用宽顶堰开敞式蓄水型式，共设30 孔，采用平板钢闸门，设计洪水标准为20 年一遇，设计过闸流量为1 324 m3/s ；校核洪水标准为50 年一遇，校核过闸流量为2 160 m3/s。经查勘分析闸顶高程不足，过流能力及闸室基底应力比不满足要求，基础设施破损，整个水闸己存在严重的安全隐患。经安全鉴定为四类水闸，须拆除重建。

图1 高堂水闸重建前外观

1.2 水文地质要素

经规划复核，水闸主要水位流量要素有：闸前校核洪水(P=0.5%)11.64 m,最大下泄流量3 710 m3/s，闸下游水位11.40 m，设计洪水位(P=2%)10.32 m，最大下泄流量2 430 m3/s，闸下游水位10.20 m，正常蓄水位8.72 m。

闸址工程地质条件较好，可采用天然地基，存在②-3 层中粗砂、砾砂和②-4 层砂卵砾石等强透水性地层，易产生渗漏和渗透破坏。消力池、海漫地基为②-3 层中粗砂、砾砂、②-4 层砂卵砾石层和全风化带(Ⅴ)，地基承载力高，中粗砂、砾砂、砂卵砾石层具强透水性，易产生渗透破坏。

2 工程布置技术要点

2.1 确定洪水标准

考虑到高堂水闸工程的重要性，水闸按50 年一遇洪水设计，200 年一遇洪水校核。水闸的消能防冲按50 年一遇洪水设计，并考虑小于设计洪水时可能出现的不利情况。土坝连接段洪水标准同水闸。

2.2 闸轴线比选

从河道地形条件看，原闸轴线左岸上、下游为低山丘陵，右岸为冲积阶地，呈阶梯状分布。原闸轴线往上游长约360 m 开始河道转弯，呈明显的“凹岸冲刷，凸岸淤积”特征。考虑到水流条件及减少河道冲刷淤积等因素，原闸轴线往上游长约360 m 范围外不适宜布置水闸。原闸轴线下游河底平均高程较低，存在河床下切。在其下游左岸约150 m 处有条大的排洪沟，排洪沟下游河床开始转弯收窄，原闸轴线下游也不适宜布置水闸。因此，闸轴线比选在原闸轴线至其上游360 m 范围内进行。

原闸轴线越往上游河底越低，不利于道路连接及上游翼墙的布置，将增大连接土坝的工程量。因此，在原闸轴线及其上游80 m 处共选择2 条闸轴线进行方案比选。原闸轴线上游80 m 方案称为上闸轴线方案，原闸轴线方案称为下闸轴线方案。

经上、下闸轴线方案在地形、地质条件，工程布置及运行管理，施工条件，征地拆迁，环境影响、工程量及投资等方面综合比较，下闸轴线方案稍优。同时考虑原有土坝及水闸基底已运行多年，沉降基本稳定，基础密实度较好，可采用天然基础，不必振冲密实，因此推荐下闸轴线为高堂水闸闸轴线。高堂水闸推荐方案布置见图2。

图2 高堂水闸重建工程整体布置

2.3 闸型选择

2.3.1 堰型选择

本闸功能以灌溉为主，结合供水等，挡水时正常蓄水位较低，闸门要求高度较小，为了有较大的泄流能力，适合采用开敞式孔口。针对本工程特点，按堰流特性，可分为宽顶堰和低实用堰两种。鉴于本工程闸下水位变幅较大，河床为砾沙层，采用便于排沙的宽顶堰型。因此，拦河闸堰型选为开敞式平底宽顶堰。原水闸堰顶高程为5.5 m，现已河床下切明显，为不影响天然河床，堰顶高程选定与河床齐平，取4.8 m。拦河闸纵断面见图3。

图3 高堂水闸拦河闸纵剖面

2.3.2 闸门型式选择

闸门型式通常有平面钢闸门与弧形钢闸门两种。弧形闸门具有轻便、灵活，无须门槽等优点，但其布置需较长的闸墩，施工工期紧、强度高；而平面钢闸门的拼装可在检修平台进行，施工难度低。考虑本拦河闸在设计、校核洪水位时闸门全开，在正常蓄水位时闸门控泄，挡水高度仅4 m的情况，选定平面钢闸门方案。

2.3.3 闸孔孔数确定

闸孔规模选择原则如下：⑴满足泄洪要求；洪水期过闸水位差控制在0.1 m～0.3 m。⑵尽量保持原河道状态，建闸后不对河流生态产生较大影响。⑶闸孔总净宽与原河道总宽度比值控制在0.6～0.85，孔径在8 m～12 m，可适当增大。⑷当闸孔数大于8 时，选择单数孔或双数孔均可。

根据以上原则和国内闸门制作安装水平，按设计洪水下泄流量2 430 m3/s 和校核洪水下泄流量3 710 m3/s 的要求，堰顶高程4.8 m。经水力计算，闸孔规模选为10 孔×12.5 m(净宽)，总净宽125 m，挡水宽度151 m。所选用的闸孔规模与原水闸基本相同，不会对河床造成不利影响。闸孔布置见图4。

图4 高堂水闸拦河闸上游立视图

2.4 建筑物结构布置

2.4.1 拦河闸闸顶高程确定

本工程拦河水闸为2 级建筑物，依《水闸设计规范》(SL265-2001)，闸顶高程应按挡水和泄水两种情况计算确定；同时考虑交通桥、工作桥梁底与校核洪水水面线控制点净空值不小于0.5 m，交通、工作桥主梁高为1.25 m。拦河闸闸顶高程计算结果见表1。依计算结果闸顶高程取13.5 m。

表1 拦河闸闸顶高程计算成果

2.4.2 闸室结构

拦河闸布置在主河道上，采用平底宽顶堰型，堰顶高程4.8 m，基本与原河床齐平。根据泄洪规模计算结果，闸孔数10 孔，单孔净宽12.5 m。考虑到工程闸址地震烈度为7 度，采用整体式底板，墩中分缝型式。根据结构受力要求，参考已建工程经验选闸底板(堰体)厚2.0 m，中墩、边墩厚2.0 m，缝墩为3.0 m，底板结构采用整体两孔一联式。泄水闸挡水宽度151.08 m(含缝宽)。闸室底板顺水流方向长16 m，上、下游均设齿槽，槽底高程1.8 m。闸室内设有上游检修门槽和工作闸门槽各一道，门槽中心相距4.5 m。工作闸门为露顶式平板钢闸门，每孔1 扇，由设在拦河闸上顶的液压机控制。上游检修门为露顶式平面滑动钢闸门，10 孔共用一扇检修门，采用2×100 kN 单向移动门机启闭。拦河闸顶高程13.5 m，布置有交通桥、工作桥、闸门启闭支墩及液压启闭泵房。交通桥桥面宽5 m，按公路-Ⅱ级荷载标准。工作桥紧邻交通桥在下游侧，对外交通道路在闸室左侧，路宽5 m。闸室上游设长15 m 厚0.5 m 混凝土铺盖和长30 m 厚0.5 m 干砌石护底。为保护闸基及河床两岸免受淘冲，拦河闸上下游两岸均采用翼墙和护坡。

2.4.3 闸室泄流能力计算

当水闸泄洪时，闸门打开，全部来水由水闸下泄，此时过闸水流为堰流。水闸泄流能力计算根据《水闸设计规范》(SL265-2001)公式(A.0.1-1)：计算，在各种泄洪频率下，水闸的泄流能力计算成果见表2。

表2 水闸泄流能力计算成果

2.4.4 消能防冲设计

（1）消能防冲现状

高堂水闸原消能防冲设计为一级消力池，鉴于水闸多年运行后海漫及下游河床冲刷损坏，1997年对消能设施进行了加固，在原消力池池槛后增设二级消力池。且当年加固时，为更详细掌握海漫下游河床下切程度，县水电局对水闸闸后地形进行了测量。从实测地形图看，最大冲深高程约3.8 m，比建闸时实测高程7.3 m 降低约3.5 m。

（2）消能防冲方案

从重建设计实测地形图看，最大冲深高程约1.2 m，比1997 年又下切约2.3 m。因此本次设计必须考虑河床下切。高堂水闸下游的东溪水闸闸底板高程为-0.64 m，若考虑高堂水闸下游河床下切1 m、最低水位-0.2 m，高于东溪水闸的闸底板高程。基于保守考虑，下游河床下切深度取2 m。

结合本工程实际情况，拟定3 个消能防冲方案进行比选。

方案1(一级消力池方案，闸底高程4.8 m) ：设一级消力池。根据消能防冲计算结果，消力池池深1.5 m、长66 m，消力池尾槛顶高程-2.2 m。为满足抗冲和抗浮要求，消力池斜坡段底板厚度为2.5 m，水平段有排水孔，底板厚度为1.2 m。海漫长度71 m。方案2(两级消力池方案，闸底高程4.8 m) ：设两级消力池。根据消能防冲计算结果，一级消力池池深1.2 m、长32 m，消力池尾槛顶高程2.6 m。二级消力池池深1.0 m、长49 m，消力池尾槛顶高程-2.2 m。为满足抗冲和抗浮要求，一级消力池底板厚度为1.2 m，二级消力池底板厚度为1.0 m。海漫长度63 m。方案3(一级消力池方案，闸底高程3.5 m) ：在一级消力池方案基础上将闸底高程降至3.5 m。据工程经验，适当降低闸底高程对消能防冲有利。消力池池深1.5 m、长60 m，消力池尾槛顶高程-2.2 m。为满足抗冲和抗浮要求，消力池斜坡段底板厚度为2.4 m，水平段有排水孔，底板厚度为1.2 m。海漫长度54 m。

对比方案1 和3 可知，降低闸底高程后，消力池深度不变，长度减小6 m。降低闸底高程引起的消能防冲改善不甚明显，但却会导致上游河床下切，进而引发河坝崩塌滑坡。因此建议维持闸底板高程为4.8 m，重点对比方案1 和方案2。

从消能防冲效果看，两方案均满足消能防冲要求。从地形条件看，方案2 的消力池顺地形逐渐降低布置，因此消力池开挖深度比方案1 小，翼墙高度也相应较小。从工程布置看，虽然方案1 消力池总长度比方案2 小，但其上下游水头差比方案2 大，因此海漫长度要加大。计算结果表明，方案1 消能防冲设施总长度为151.2 m，方案2 为158.2 m，仅比方案1 增加7 m。此外，由于水闸最大上、下游水位差达9.92 m，方案1 为满足抗浮要求，消力池斜坡段底板厚度需采用2.5 m。方案2 结构受力要优于方案1。从工程量及造价看，方案2 比方案1 消能防冲设施总长度要大，但翼墙高度稍低，因此翼墙工程量及投资差别不大。方案1 消力池斜坡段底板厚度2.5 m 比方案2 增加了较多钢筋混凝土结构量。方案1 下游连接段工程投资为4 775 万元，方案2 为3 835 万元，比方案1 节省940 万元。故推荐采用投资更省、技术上更可靠的方案2。

（3）水工模型试验

为验证水力设计成果，委托广东省水利水电科学院进行水工模型试验。试验初步结论如下：①拦河闸的设计方案基本合理，模型试验优化了水闸下游消能工的布置方案，试验成果可供工程设计和运行管理参考。②经模型试验优化后，各消能防冲方案均满足要求，出池水流在各工况运行时，出闸水流经消力池消能后，经过海漫段和防冲槽调整，能较平顺与下游河道水流衔接。③由于本次为断面模型试验，无法模拟分区消能。根据类似工程经验，消力池内增加导墙后，池内水流分布稍不均匀，流态稍差。由于本工程水闸闸孔仅10 孔，分区消能必要性不大。④在一级消力池和二级消力池内各增加一排消力墩后，水流衔接平顺，显著改善了消力池内及出池的流态。

（4）消能防冲布置

根据水力计算，结合水工模型试验初步成果，确定消能防冲布置方案如下。

消能防冲采用底流消能方式，设两级消力池。一级消力池池深2.4 m，水平段池长16.9 m，尾槛顶高程3.8 m ；二级消力池池深1.0 m，水平段池长25.3 m，尾槛顶高程-2.2 m。一级消力池采用1.2 m厚钢筋混凝土衬护，二级消力池采用1 m 厚钢筋混凝土衬护。连接一级消力池的斜坡坡比1∶4。连接二级消力池的斜坡坡比1∶3.314。在一级和二级消力池内各增加一排消力墩，高度分别为2.0 m 和1.2 m。海漫长度为63 m，其中18 m 水平段采用厚0.5 m 钢筋混凝土衬护，45 m 斜坡段采用钢筋混凝土框格固定浆砌石海漫，浆砌石厚0.5 m。混凝土海漫末端设0.5 m 厚混凝土防冲墙，墙底入全风化层2 m。浆砌石海漫末端设抛石防冲槽深2.5 m 消能防冲布置见图3。

2.5 基础处理及防渗排水布置

水闸地基为中粗砂和砾沙，承载力较高。考虑原水闸沉降基本稳定，基础密实度好，可采用天然基础。②-3 层中粗砂、砾砂上部松散层为可能液化土，液化等级轻微～中等，位于水闸建基面以上，大部被挖除，余下考虑进行基础换填处理，采用掺8%水泥砂石混合料分层碾压处理。

由于水闸基础为砂砾石层，其基底渗透压力计算采用改进阻力系数法。选用水闸中部地质断面作为典型断面进行渗流计算，水闸基础为砂砾层，厚度约3.5 m。上游正常蓄水位8.72 m，下游最低水位1.4 m，上、下游水头差7.32 m，防渗长度31 m。计算水平渗流坡降为0.181，出口段渗流坡降为0.511。由于闸基为中粗砂、砾砂，其渗透系数为5.75×10-1cm/s～2.13×10-2cm/s，具强透水性，水闸抗渗稳定按水平段[J]=0.1(中砂、砾砂)，出口段[J]=0.35(中砂)控制，计算水平渗流坡降及出口段渗流坡降均大于规范允许值，不满足渗透稳定要求，需进行基础防渗处理。故水闸防渗措施采用垂直砼防渗墙，墙底入全风化层2 m。闸基采用垂直混凝土防渗墙后，水闸渗流出口处的水力坡降为0.267，小于规范允许值，满足渗透稳定要求。

3 结语

饶平县新高堂水闸已建成（见图5），运行良好，结构稳固，验证了工程布置的科学合理。

图5 高堂水闸重建后现状