望亭水利樞紐更新改造工程設(shè)計(jì)

孫菁

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200434）

望亭水利樞紐更新改造工程設(shè)計(jì)

孫菁

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200434）

論述了該工程的改造原因和設(shè)計(jì)思路，采用技術(shù)方案及改造前后的效果。更新改造工程措施后，確保了引江濟(jì)太及望亭水利樞紐工程的安全運(yùn)行。

望亭水利樞紐；改造；設(shè)計(jì)；流域供水

1 工程概況

1.1 工程概況

望亭水利樞紐（又稱望亭立交工程）是望虞河穿越京杭運(yùn)河的交叉建筑物，位于江蘇省蘇州市相城區(qū)望亭鎮(zhèn)以西，望虞河與京杭大運(yùn)河交匯處，上游距望虞河入太湖口2.2km、距沙墩港大橋1.0km，下游距滬寧鐵路橋1.2km。

望亭水利樞紐是望虞河上的一項(xiàng)關(guān)鍵性工程，同時(shí)又是環(huán)太湖大堤重要口門控制工程，工程為2級(jí)建筑物。

望亭水利樞紐原設(shè)計(jì)主要任務(wù)：如遇1954年洪水（約50年一遇）5～7月排泄太湖洪水23.1億m3；需要時(shí)與望虞河常熟樞紐配合引長江水入太湖，并防止京杭運(yùn)河污水進(jìn)入太湖，保障京杭運(yùn)河正常通航。

1.2 望亭立交工程現(xiàn)狀

1.2.1 水工建筑物布置

望亭水利樞紐與京杭運(yùn)河采用立交布置形式，望虞河與運(yùn)河在平面上呈60°斜交。上部為京杭運(yùn)河航槽，采用鋼筋混凝土矩形斷面，槽寬60m，底高程-1.70m；下部為望虞河泄洪管涵，采用鋼筋混凝土矩形倒虹吸管涵，共9孔，單孔斷面7m×6.5m（寬×高），總過水面積400m2，設(shè)計(jì)流量400m3/s，洞底高程-9.60m，管涵長102.8m。采用三孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)。

工作閘門及交通橋布置在上游管首，啟閉機(jī)房平面呈九曲型布置，采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，啟閉機(jī)高程15.00m。中控樓布置在望虞河西岸側(cè)。涵管的管首和管尾分別設(shè)置檢修門槽。

1.2.2 閘門系統(tǒng)

樞紐上游管首處設(shè)9孔工作門，工作閘門采用正向定輪支承、反向滑塊支承的平面鋼閘門，上、下管首處各設(shè)檢修門槽，配置疊梁式平板檢修門，采用臨時(shí)起吊設(shè)施起吊。

工作閘門設(shè)計(jì)以正向擋水水位組合為控制條件，上游設(shè)計(jì)高水位4.64m和正常高水位3.80m時(shí)，相應(yīng)下游水位4.20m和3.0m，水位差分別為0.44m和0.80m。閘門設(shè)計(jì)無反向操作工況要求。

1.3 工程存在主要問題

蘇錫常地區(qū)目前是蘇南乃至長三角地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)中心之一，望亭水利樞紐工程是太湖地區(qū)主要的引排通道，對(duì)該地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)的防洪安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。望亭水利樞紐目前運(yùn)行中存在的問題：①工作閘門正向閉門受阻、反向閉門漏水嚴(yán)重，閘門系統(tǒng)目前已不能滿足現(xiàn)狀運(yùn)行要求，在規(guī)劃工況下，雖然望虞河西岸的有效控制，可緩解立交閘門系統(tǒng)處于較大反向水頭的不安全運(yùn)行狀態(tài)，但仍不滿足望虞河引江濟(jì)太需置換污水對(duì)閘門安全操作的要求；②檢修閘門變形和銹蝕明顯、疊梁漏水嚴(yán)重；③相關(guān)的管理設(shè)施（如閘上交通、監(jiān)控）不配套等。

1.4 工程更新改造主要內(nèi)容

望亭水利樞紐更新改造工程洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，并需滿足遭遇1999年實(shí)況洪水（太湖水位創(chuàng)歷史新高，達(dá)4.97m）時(shí)工程安全運(yùn)行。同時(shí)對(duì)1971年型供水進(jìn)行望亭立交工程過流能力及安全復(fù)核；考慮今后提高到100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)及擴(kuò)大引江濟(jì)太的工程的要求。其主要內(nèi)容有：①中控樓及啟閉機(jī)房改建；②新建上、下游人行交通橋；③工作閘門、檢修門和啟閉機(jī)更新及工作門槽改造。

2 主要建筑物改造

2.1 啟閉機(jī)房

2.1.1 原結(jié)構(gòu)安全度復(fù)核

（1）望亭水利樞紐工程為2級(jí)建筑物，建設(shè)時(shí)間為1990年，設(shè)計(jì)采用SDJ20—78《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，其安全系數(shù)取值K=1.5。

原啟閉機(jī)房主梁截面承受的彎矩值為850kN· m，更新改造后需承受的彎矩值為1002kN·m。按根據(jù)SDJ20—78《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，更新改造后的安全系數(shù)為1.21。雖然結(jié)構(gòu)安全，但不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需進(jìn)行加固處理。加固計(jì)算條件：①根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的本工程啟閉機(jī)容量2×200kN的啟閉力；②根據(jù)建筑專業(yè)對(duì)本次加固工程啟閉機(jī)房上部結(jié)構(gòu)提供的荷載圖；③《望亭水利樞紐啟閉機(jī)工作橋現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)報(bào)告》（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院工程檢測(cè)中心2010.10）對(duì)現(xiàn)有工程的混凝土、鋼筋等指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)GB50367—2006《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)啟閉機(jī)平臺(tái)主梁ZL1、ZL2，橫梁HL4的正截面和斜截面進(jìn)行加固。

（3）橫梁HL4負(fù)彎矩加固采用寬200mm，厚4mm Q345鋼板，梁上全斷面加固；鋼板用膠粘劑粘貼在鑿毛清潔后的混凝土結(jié)構(gòu)面上（即啟閉機(jī)平臺(tái)地面），上部采用準(zhǔn)12@250化學(xué)錨栓梅花型植入梁內(nèi)140mm。

（4）主梁ZL1、ZL2正彎矩加固采用寬250mm、厚8mm的Q345鋼板，鋼板用膠粘劑粘貼在鑿毛清潔后的梁底混凝土結(jié)構(gòu)面上，斜截面加固采用封閉箍，通過封閉箍頂螺栓加預(yù)應(yīng)力，使加固鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)緊密連接，共同變形作用。封閉箍端部寬200mm、厚4mm，中間寬150mm、厚4mm，封閉箍上端及中部設(shè)置兩道縱向鋼壓條，用準(zhǔn)12化學(xué)錨栓植入梁內(nèi)140mm固定在梁上。封閉箍與腰間鋼壓條焊接，封閉箍與加固鋼板焊接。鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)之間采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)以提高安全度。

2.1.2 工字鋼簡(jiǎn)化計(jì)算

（1）粘貼鋼板若結(jié)構(gòu)膠失效后，加固鋼板及箍筋按工字鋼簡(jiǎn)化計(jì)算。工字鋼下翼緣厚8mm、寬280mm，腹板厚4.77mm、高900mm。上翼緣考慮混凝土受壓情況，翼緣厚采用100mm，寬1500mm。

（2）經(jīng)驗(yàn)算工字鋼截面抵抗彎矩值為1098kN·m，按1/3折算抵抗彎矩值366kN·m，該梁能承受的彎矩值1216kN·m，大于1002kN·m。說明即使結(jié)構(gòu)膠失效，該梁依然安全可靠。

（3）中控樓。原中控樓及樓梯間均位于京杭運(yùn)河岸邊，共3層，每層面積為53.2m2，總面積160m2。新建中控樓高度與原中控樓保持一致，為3層，面積擴(kuò)大至每層面積210m2，總面積641m2。

原中控樓為條形基礎(chǔ)，坐落于京杭運(yùn)河翼墻上，為鋼筋混凝土箱格結(jié)構(gòu)。底高程-11.1m，底面積260m2。修正后的地基承載力特征值304.5kPa。改造后的中控樓，仍為條形基礎(chǔ)，坐落于箱格之上，經(jīng)計(jì)算，在各種工況下，箱格底部的最大地基應(yīng)力281.84kPa，平均地基應(yīng)力223.51kPa，滿足要求。

對(duì)于中控樓和啟閉機(jī)房的改造，針對(duì)不同位置和要求，中控樓和啟閉機(jī)房上部結(jié)構(gòu)采用拆除重建，對(duì)于啟閉機(jī)工作橋，則考慮施工的時(shí)段與工期要求采用粘貼鋼板加固。

2.2 上、下游管首人行交通橋

為了方便上下游管首間交通，在上下游設(shè)人行交通橋，橋梁跨度70.12m，為使橋梁與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。橋梁凈寬3m，上部拱肋采用D600×24mm鋼管，下部系梁采用D600×16mm鋼管，上下采用D194×10mm人字型拉桿，底部采用采用D299×12mm鋼管橫梁，橫梁上面自上而下分別為10mm塑膠墊層、3mm花紋鋼板和7.5mm壓型板。兩岸沿京杭運(yùn)河岸邊設(shè)獨(dú)立基礎(chǔ)。梁底高程不小于11.65m。兩岸均采用采用室外樓梯上下橋。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，兩邊橋臺(tái)基礎(chǔ)均設(shè)在原運(yùn)河擋墻之上，上游側(cè)為方樁基礎(chǔ)的扶壁式L型擋墻，下游側(cè)為格構(gòu)型箱式擋墻，兩岸擋墻結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，若采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，下部結(jié)構(gòu)的樁基和格構(gòu)無法避讓，因望亭立交工程已竣工10多年，下部結(jié)構(gòu)存在著一些不確定因素，且采用樁基若鉆開擋墻底板后樁基與底板的連接、止水等均難以處理，施工難度較大，需對(duì)上、下游進(jìn)行處理。

（1）上游側(cè)。橋臺(tái)基礎(chǔ)下部為扶壁式樁基翼墻，天然地基土的承載力特征值為70kPa，采用基礎(chǔ)換填3m粗砂，進(jìn)行換填處理。

（2）下游側(cè)。北岸橋臺(tái)基礎(chǔ)坐落于岸墻箱格上，箱格地基坐落于7層土上，地基承載力修正值304.5kPa，北岸基礎(chǔ)下?lián)Q填400mm厚粗砂直接坐落于箱格上。

通過換填處理，兩岸的基礎(chǔ)能夠滿足規(guī)范要求。

2.3 閘門系統(tǒng)和電氣改造

2.3.1 工作閘門

工作閘門采用焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)置三主橫梁，近似等荷載布置；兩側(cè)設(shè)有邊梁，主橫梁與邊梁形成主受力框架，邊梁上閘門支承采用滾輪；面板位于下游側(cè)。閘門采用雙吊點(diǎn)，門葉結(jié)構(gòu)材料采用Q235B。

止水裝置設(shè)于面板側(cè)，采用L+P型的組合止水，頂止水采用P型，頂、側(cè)、底止水共同形成“□”型結(jié)構(gòu)。

支承滾輪裝置采用懸臂輪，每扇閘門設(shè)4只，輪徑均為準(zhǔn)690mm，材質(zhì)ZG270-500，輪軸40Cr。

滾輪的支承軸套采用自潤滑、低摩阻、大承載，一方面可減少檢修維護(hù)的工作量，另一方面可進(jìn)一步降低滾輪的綜合摩阻系數(shù)。

為避免水生物在門槽內(nèi)生長后的影響，在門葉上設(shè)置清除裝置，使其在閘門啟閉過程中盡可能多地清除水生物。

固定啟閉機(jī)采用閉式傳動(dòng)，型號(hào)為QP型，容量2×200kN，吊點(diǎn)距3.75m，揚(yáng)程17.0m，共9臺(tái)，布置于15.0m高程的啟閉機(jī)機(jī)房內(nèi)。

2.3.2 檢修閘門

檢修閘門采用疊梁式。管涵的上、下游管首各設(shè)1套，采用疊梁浮箱式，啟閉操作采用汽車吊。

為減小檢修閘門存放時(shí)的占地，結(jié)合啟閉排架的高程確定單節(jié)疊梁的高度。按檢修水位3.50m考慮，檢修閘門的總高度為13.50m，結(jié)合運(yùn)輸尺寸的要求，按單節(jié)疊梁高度取2.70m。

每節(jié)疊梁采用雙主橫梁，兩側(cè)設(shè)有邊梁，主橫梁與邊梁形成主受力框架，邊梁上設(shè)有閘門支承，支承采用滑塊。閘門面板位于迎水側(cè)。

除主橫梁、邊梁外，水平向和垂直向還設(shè)有水平次梁及縱隔板，所有梁系均采用同層布置。閘門采用雙吊點(diǎn)，吊點(diǎn)距5.0m。閘門門葉結(jié)構(gòu)的材料采用Q235B。

閘門底止水設(shè)于面板側(cè)，采用方頭P型水封；側(cè)止水設(shè)于門背側(cè)，采用P型水封，底水封、側(cè)水封之間通過搭接水封形成完整的止水。每節(jié)疊梁的頂部皆作為上節(jié)疊梁的底檻。

所有疊梁采用同一設(shè)計(jì)，可互換，增加了檢修操作的便利。

疊梁檢修閘門的主支承采用滑塊，每節(jié)4只，反向設(shè)置限位導(dǎo)向裝置，以確保疊梁下放時(shí)能準(zhǔn)確就位。上、下節(jié)之間設(shè)置對(duì)位裝置，以保證上、下節(jié)之間側(cè)水封之間的對(duì)位、底水封與座板之間的定位準(zhǔn)確，從而保證檢修時(shí)的止水效果。

2.3.3 工作門槽埋件

望亭水利樞紐運(yùn)行多年以來，工作門槽埋件銹蝕變形嚴(yán)重，水生物附著嚴(yán)重，閘門啟閉困難，予以更新。

工作閘門采用Ⅰ型門槽，本次改造涉及部分有主軌、反軌、門楣。所有埋件外露表面均采用復(fù)合不銹鋼板，復(fù)層材料為1Cr18Ni9，厚度2mm，基層材料Q345B，厚度10mm。承載斷面采用Q345B，勁板采用Q235B。

2.3.4 電氣工程

（1）原變壓器保留不變，新增1臺(tái)100kW柴油發(fā)電機(jī)組，布置在新建柴油發(fā)電機(jī)房內(nèi)。

（2）對(duì)配電房內(nèi)低壓開關(guān)柜中的低壓出線開關(guān)同時(shí)進(jìn)行更換，以滿足新增負(fù)荷的要求。

（3）上、下游管首上裝設(shè)道路照明燈具，河道兩側(cè)裝設(shè)防撞照明。

（4）節(jié)制閘啟閉機(jī)房屋面等均裝設(shè)避雷帶，引下與原接地網(wǎng)連接。

（5）控制室、啟閉機(jī)房內(nèi)所有電力設(shè)備外殼等均應(yīng)可靠接地，并與原接地網(wǎng)連接，接地系統(tǒng)總接地電阻要求不大于1Ω。

（6）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造按“無人值班、少人值守”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬采用分層分布結(jié)構(gòu)，由主控級(jí)和現(xiàn)地單元控制級(jí)組成。

3 結(jié)語

（1）目前望虞河已變?yōu)槌Ｄ暌?，由于西岸支河污水?duì)望虞河水質(zhì)的影響，望虞河引水時(shí)望亭水利樞紐閘門不能全開，而是根據(jù)望虞河的水質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)望亭水利樞紐下游斷面水質(zhì)滿足入湖水質(zhì)指標(biāo)時(shí)才開閘向太湖輸水，反之，立交閘門關(guān)閉，通過抬高望虞河水位，將西岸支河污水擋出望虞河。

（2）望虞河引江濟(jì)太時(shí)控制入湖水質(zhì)使望亭水利樞紐閘門反向擋水時(shí)間增加，出現(xiàn)較大反向水位差的頻率加大，對(duì)立交工程的安全運(yùn)行帶來很大影響，直接影響到望虞河引江濟(jì)太功能的正常發(fā)揮。更新改造工程實(shí)施后，確保了望虞河引江濟(jì)太時(shí)望亭水利樞紐工程的安全運(yùn)行，對(duì)提高望虞河引江濟(jì)太效益，增加流域水資源量、保障流域供水安全具有十分明顯的效益。

［1］上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院.望亭水利樞紐上部結(jié)構(gòu)及閘門系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.2009.

［2］SL191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［4］GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JGJ79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］DL5077—1997，水工建筑物荷載規(guī)范［S］.

Engineering Modification Design of Wangting Hydro-junction

SUN Jing
（Shanghai Research Institute of Investigation&Design,Shanghai 200434，China）

This paper discusses the reason of reconstruction，engineering design，technical scheme and the modification effect.The modification of engineering measures can ensure the water diversion from Yangtze River to Taihu Lake and safe operation of Wangting hydro-junction.

Wangting hydro-junction；modification；design；river basin water

TV61

B

1672-9900（2014）03-0067-04

2014-2-19

孫菁（1966-），女（漢族），浙江寧波人，高級(jí)工程師，主要從事水電站廠房結(jié)構(gòu)和水利控制性建筑物研究，（Tel）13816023596。