基于幸福闸工程设计及施工技术研究

陈江华

（泰州医药高新区（高港区）农业农村局，江苏 泰州 225300）

水闸施工是水利工程建设中的重点工程，水闸施工环境复杂，技术要求高，但如何正确地将建筑工程应用到水闸施工中，提高水闸的施工质量，需要进行水工、要重视水力学和水工保护，为了提高水闸施工的质量和效率，确保水闸施工的安全，应特别要注意良好的施工技术在水闸施工中的应用，提高质量管理工作。

1 工程概况

泰州医药高新区（高港区）现有通江闸、站、涵合计28 座，为正常农田引水灌溉、生态用水及汛期防洪排涝发挥了很大作用，但还有幸福闸、同兴闸等三四类病险闸涵，多为20 世纪70 年代所建，设备老化严重，多年来一直是度汛隐患，拆除重建迫在眉睫。幸福闸位于永安洲镇长江主江堤上，长江江堤桩号为203+070。该闸始建于1976 年8 月，为彻底解决防洪安全问题，完善区域防洪体系，对幸福闸实施拆除重建，是十分必要的。

幸福闸拆建工程的主要内容为：1、拆建水闸一座，灌溉引水设计流量为5.24m3/s，闸孔净宽4.0m；2、新筑堤防130m，设计堤顶高程▽7.5m，堤顶宽度8m，挡浪墙顶高程▽8.51m，堤顶设6m 宽沥青道路；3、疏浚长江侧河道长度约0.35km，并对长约0.135km 河段两侧河坡以及河底进行护砌；4、建设智能感知系统、监控系统、视频监控系统、数字孪生系统等信息化工程。

2 幸福闸施工设计

2.1 水闸总布置

根据相关规划文件，幸福闸的主要功能是防洪、灌溉，根据该地区的特点，地基多为较厚淤泥或淤泥质土，含水量高，承载力低，地基处理负担大。参考管理部门意见，重建幸福闸工作闸门采用平面直升钢闸门，设闭式卷扬启闭机。

2.2 水闸主要建筑物

（1）闸室。幸福闸闸室为1 孔，净宽4 米，为整体式钢筋混凝土结构。自下而上垂直方向为：底板、闸室、墩墙、工作桥。闸室底板上部高程0.00m，厚度0.6m，顺水流方向总长29.9m，共分2 节，垂直水流方向总宽5.2m，在闸身以及上下游第一节翼墙底板下布置高压旋喷桩防渗墙，满足防渗长度要求。侧墙厚0.6m，洞首采用钢筋砼带胸墙深井结构，竖井顶高程▽12.0m，上设工作桥顶高程▽12.6m，竖井内设4.0×4.0m 双向止水平面钢闸门，启闭机采用QP-2×160KN 闭式卷扬启闭机。闸室与上下游连接段翼墙所设沉降缝的缝宽均为2cm，采用四油三毡沥青油毛毡嵌缝，砼格埂和挡浪墙伸缩缝采用聚乙烯低发泡板。

（2）消力池。内河侧消力池长10.5m，深50cm。外江侧消力池长13.48m，水深50cm，内、外侧消力池底板顶面高程均为-0.50m。消力池底板采用80cm 厚钢筋砼浇筑、下设10cm 厚C35 砼垫层和50cm 厚12%水泥土褥垫层。闸室上下游接段灌砌块石护底均预埋φ5cmPvc 排水孔，梅花形布置。

（3）两岸连接建筑物。水闸底板作用于1-2 层土上，为灰色淤泥质重粉质壤土、夹薄层轻粉质砂壤土，承载力仅60KPa；少部分底板位于2 层土上，为灰色砂壤土夹淤泥质壤土，地基承载力为90KPa，不满足设计要求。采用30×30cm C30 钢筋混凝土预制桩处理基础，桩长10.0 米，间距1.1×1.2m。

2.3 细部构造设计

2.3.1 分缝设计

闸室结构通常只设顺水流方向的分缝，除自身分缝外，此外，应在两个相邻结构之间建立连接，以避免由于显著的电压差而导致的不均匀沉淀。

2.3.2 止水设计

（1）对于上游铺盖和闸底板处进行水平止水处理，止水片水平布置如图1 所示，距临水面0.3m，材料采用紫铜片；

图1 水平止水

（2）对于墩墙与岸、翼墙之间上游翼墙的分段缝内进行垂直止水处理如图2 所示，距临水面0.3m；对于不同方向分缝的交叉处，将止水形成交叉构造，水平交叉采用刚性连接，垂直交叉采用柔性连接。

图2 垂直止水

（3）在闸底板和闸门处设置底止水，闸和两侧门槽处设置侧止水如图3 所示。

图3 侧止水、底止水

2.4 闸门设计

闸门采用平面直升钢闸门，闸门面板厚度为10mm，采用多主横梁实腹式布置形式。

支承形式：闸门均配有直径为500mm 的辊架。主辊材料采用ZG270-500，主辊材料为45 钢。轴承为内置铜基滑动轴承。

止水形状：闸门下密封采用H1 型橡胶密封，侧密封采用L 型橡胶密封和P 型橡胶密封组合，上密封采用P 型橡胶，橡胶密封材料采用SF6674。

3 幸福闸施工计算

3.1 防渗稳定计算

由工程地质勘察报告，水闸底板主要作用于1-2 层土或2 层土上，按重粉质砂壤土考虑，取渗径系数C=11，最大水头差出现在防洪校核期（防洪校核水位6.77m，相应内河水位2.0m），△H=6.77-2.0=4.77m，按直线比拟法计算防渗长度L=C×△H=11×4.77=52.47m，根据设计布置，建筑物底板轮廓线防渗长度为45.0m，不满足防渗要求，拟结合液化进行处理，于闸身以及上下游第一节翼墙底板下布置高压旋喷桩防渗墙，防渗桩长度15m，底板防渗长度达到45.0+15×2=75.0m，满足防渗长度要求。

本工程采用改进阻力系数法进行渗流分析，经计算，垂直段、水平段以及出口段最大水力坡降均满足规范要求。

3.2 稳定应力计算

3.2.1 计算内容

包括闸室和翼墙的稳定性计算和应力计算。闸室为钢筋混凝土结构，翼墙采用悬臂式钢筋混凝土结构。

3.2.2 计算方法

3.2.2.1 稳定及应力计算

按下式进行计算：

式中：

P——所需计算水闸闸室的基底压力的最大值和最小值(kN/m2)；

ΣG——作用于水闸室上的全部竖向荷载（kN）；

ΣM——作用于闸室上的全部荷载以及其对基底面的力矩（kN·m）。

A——闸室基底面的全部面积（m2）；

W——闸室基底面对其形心轴的抵抗矩值（m3）；

3.2.2.2 各种工况下闸室稳定计算：

式中：Kc-水闸闸室的抗滑稳定安全系数计算值；

F——水闸基础的砼底板和地基的摩擦系数；

ΣG——作用于闸室上竖向荷载（kN）；

ΣM——作用于闸室上水平向荷载（kN）。

3.2.3 计算成果

各种情况下的闸室及翼墙的稳定、应力计算方法研究成果。稳定计算考虑了完建期、防洪期、排涝期、引水期，考虑的荷载为结构自重、水重、水压力、扬压力等，计算结果如下表1：

表1 水闸闸室稳定计算成果表

3.3 地基处理

根据工程地质条件，建筑物底板位于1-2 层淤泥质重粉质壤土上，且下部土层为液化土层，由于软土的承载力低于建筑物的基底反力，沉降变形较大，有必要对其进行加固，采取适当的施工或基础处理措施。

在项目区处理软土地基的成熟经验，水泥土深层搅拌桩、钢筋砼预制方桩、预应力管桩已成熟并广泛应用。

（1）水泥土深层搅拌桩。优点：投资较低；施工工艺较成熟。缺点：成桩慢、施工工期长；桩基受土质影响较大，质量控制不易；将地基承载力由60kPa 提高到104.4kPa 较为困难。

（2）预应力管桩和钢筋砼预制方桩。优点：可购买成品桩，工期短、桩基质量容易控制；施工工艺较成熟；缺点：投资较高，施工机械对进场及场内交通要求较高。

方案比选：

（1）处理效果。钢筋砼预制方桩和预应力管桩都具有很强的穿透能力，能穿透较深的软土，承载能力高，建设项目在该地区开发了两种桩的技术，处理效果理想。

（2）项目成本。从经济适用性及节约工程工期两方面考虑，优先选择钢筋砼预制方桩或预应力管桩，水闸拆建工程须在主汛期前完成水下部分，减轻防汛工作压力，考虑到预应力管桩处理效果与方桩基本相同，但总投资较高，因此采用钢筋砼预制方桩进行基础处理。

3.4 边坡设计

这一阶段主要是水闸建筑基坑开挖过程中涉及的边坡治理问题。根据各建筑基坑的实际情况，采取深基坑支护或分级等工程处理措施。支护结构按一级基坑设计，抗倾覆安全系数不小于1.25；边坡开挖边坡等级按二级设计，抗滑稳定安全系数不小于1.15。右岸目前的地面高程为4.5m，基坑设计的底部标高为-1.9m，基坑最大深度为6.4m。右岸的场地开放，坡面荷载有减小的空间，因此在基坑开挖中采用边坡减载方案[1-2]。左岸与堤防相邻约30m。拟采用高压旋喷桩围封桩形式形成止水帷幕，避免因渗流引起地面变形。由于基坑底部采用高压旋喷桩加固，基坑底面1:4 的边坡开挖，满足稳定性要求。经计算，该边坡整体抗滑稳定最小安全系数k=1.20＞1.15，满足规范要求。

4 幸福闸施工技术

4.1 混凝土施工技术

混凝土施工质量对水闸整体稳定性有非常重要的影响，要有效提高混凝土施工质量，必须在浇注前对混凝土质量进行抽查，确保混凝土质量符合相关要求，同时加强对砂石比的严格管理。砂石比不匹配，容易导致混凝土浇筑墙壁裂缝，同时加强混凝土温度控制[3-4]。

4.2 导流施工

在水闸施工过程中，经常会出现天气、潮汐等自然因素，导致工程延误。因此，施工过程中应加强降排水工作，根据本工程地质及类似工程实践经验，施工期引河段采用明沟排水，建筑物段采用管井、针井结合明沟排水方案。

4.3 截流施工

水闸工程施工时需在外河侧、内河侧各布置一道围堰；闸外河道整治时内河侧可兼用建筑物的围堰，长江侧河口处需增加一道拦河围堰，闸外河道整治需抢低潮施工。为保证施工期老闸稳定安全，内河侧围堰布置于新老闸之间。

4.4 竣工验收

在水闸施工完成后，要加快完成验收工作，如果不严格完成验收工作，不能及时发现问题，同时在完工验收阶段要加强质量控制和维护，以免今后的工作对已完成项目造成损害。在竣工验收过程中，要建立和完善质量控制体系，强调多边合作，确保施工效率达到标准，及时全面验收包括设计资料在内的问题和隐患，BIM 模型符合设计要求，实际控制效果符合施工要求。

5 结论

幸福闸建于20 世纪70 年代，原设计标准偏低，闸顶高程不满足防洪要求，按最新设计潮位成果进行复核后仅为50 年一遇防洪标准，不能满足100 年一遇防洪标准的要求；经过水文计算复核，闸基防渗长度、出口渗透坡降和水平渗透坡降均不满足要求，下游翼墙地基应力不均匀系数、抗滑稳定安全系数和地基承载力在各工况下均不满足要求；现状破旧不堪的水闸已经与周边环境（海军广场、泰州春江湿地公园）极其不协调。因此，对幸福闸进行拆除重建是完善防洪体系，保障防洪安全的需要；是恢复灌溉功能、发挥引水效益的需要；是城市发展和生态环境建设的需要；是落实相关规划的需要；因此本工程建设是非常迫切和必要的。