某攔河閘除險加固工程設(shè)計方案優(yōu)化分析

胡　偉

(遼寧省彰武縣水庫移民工作辦公室，遼寧 彰武 123200)

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某攔河閘除險加固工程設(shè)計方案優(yōu)化分析

胡偉

(遼寧省彰武縣水庫移民工作辦公室，遼寧 彰武 123200)

沙力土攔河閘主要作用是抬高水位，攔蓄引水，為下游200 hm2水田提供灌溉用水。鑒于沙力土攔河閘結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞已不能運用，為保證下游農(nóng)田的引水灌溉及攔河閘的安全運行，需盡早對攔河閘進(jìn)行除險加固。以沙力土村攔河閘除險加固工程設(shè)計作為研究對象，在介紹工程概況的基礎(chǔ)上，對除險加固的必要性進(jìn)行了分析與優(yōu)選，最終確定除險加固方案。工程結(jié)束后的運行結(jié)果表明，設(shè)計理念與內(nèi)容具有較強(qiáng)的科學(xué)性和合理性，有力保障了水庫使用功能的正常發(fā)揮，為彰武縣水閘除險加固具體實踐提供參考。

沙力土攔河閘；分析；除險加固；優(yōu)化方案；

0　引　言

沙力土攔河閘位于阜新市養(yǎng)息牧河支流地河的中上游，閘址位于彰武縣前福興地鄉(xiāng)大沙力土村。地河發(fā)源于彰武縣章古臺鎮(zhèn)北馬家窩堡村，往南經(jīng)章古臺鎮(zhèn)清泉水庫、八堆子水庫、馮家鎮(zhèn)劉家燒鍋村、前福興地鄉(xiāng)大沙力土村、興隆山水庫，沿興隆山鄉(xiāng)東側(cè)過黑坨子村和地河閘，在西六家子鄉(xiāng)三河岔村入養(yǎng)息牧河。

前福興地鄉(xiāng)位于彰武縣城北部，以農(nóng)業(yè)為主。總面積118.5 km2，人口0.87萬人，耕地面積0.48 萬 hm2，林地面積0.333 hm2。沙力土攔河閘主要作用是抬高水位，攔蓄引水，為下游200 hm2水田提供灌溉用水。該水閘的正常運行，對大沙力土村農(nóng)民增收乃至前福興地鄉(xiāng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。沙力土攔河閘始建于1987年，初始設(shè)計為3孔閘門，凈寬30 m。1999年對原工程進(jìn)行了擴(kuò)建，閘孔數(shù)增至5孔，凈寬增至50 m。2008年阜新市水利勘測設(shè)計研究院在原《沙力土攔河閘現(xiàn)狀分析報告》、《沙力土攔河閘質(zhì)量檢測報告》和《阜新市彰武縣沙力土攔河閘復(fù)核計算分析報告》的基礎(chǔ)上編制完成了《阜新市彰武縣沙力土攔河閘安全評價報告》和《阜新市彰武縣沙力土攔河閘安全鑒定報告書》，該閘被評定為三類水閘，主要建筑物除閘室外其余設(shè)施均不滿足規(guī)范設(shè)計要求；2011年4月7日，由于原凍土與建筑物之間裂隙擴(kuò)張及閘基礎(chǔ)滲漏問題，閘室右邊墻岸坡大面積塌陷，閘體右側(cè)發(fā)生繞閘滲流，致使閘體底部下部土方流失，閘體基礎(chǔ)外露、懸空，工作橋、排架和人行橋多處下沉、斷裂，閘體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，失去原設(shè)計功能，無法運用[1]。

1　攔河閘除險加固的必要性

1.1攔河閘工程興建過程

沙力土攔河閘主要作用是攔蓄上游來水，抬高水位，為下游200 hm2水田提供灌溉用水。水閘的興建包括初建、維修加固與擴(kuò)建過程3個階段。沙力土攔河閘工程始建于1987年。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，攔河閘共3孔。1987年建成后，只經(jīng)歷了1次洪水，下游護(hù)坦段及石籠海漫段即被洪水沖壞，護(hù)坦底板基礎(chǔ)被淘空。1988年對下游護(hù)坦段及石籠海漫段進(jìn)行了維修加固。

擴(kuò)建工程于1999年進(jìn)行，為確保攔河閘的安全，和提高沙力土攔河閘的抗洪能力，特提出沙力土攔河閘擴(kuò)建工程設(shè)計。確定該攔河閘20 a設(shè)計，50 a校核洪水標(biāo)準(zhǔn)，洪水流量按區(qū)間洪水和上游兩座水庫溢洪道泄量之和考慮。擴(kuò)建后攔河閘凈寬50 m，即在原有攔河閘基礎(chǔ)上增加20 m寬，增加2孔，每孔凈寬10 m(原有攔河閘3孔，每孔凈寬10 m)。結(jié)構(gòu)與原當(dāng)時3孔攔河閘的完全相同。

擴(kuò)建后5孔攔河閘結(jié)構(gòu)情況如下：

1)上游鋪蓋：矩形斷面，沿水流方向長12 m，過水寬53 m。底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.4 m，上游設(shè)置深1.0 m的防滲齒墻；側(cè)墻坐落在底板上，為漿砌石結(jié)構(gòu)，高1.0 m～2.0 m，頂寬0.4 m，底寬1.5 m～1.0 m。上游鋪蓋底板頂高程47.0 m。

2)閘室：水平總長5.0 m，堰頂高程47.5 m，墩頂高程49.0 m，由底板、閘墩、支墩、工作橋和人行橋組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘室總寬53 m，溢流凈寬50 m，分5孔，單孔凈寬10 m；閘底板厚1.1 m～0.6 m，原三孔閘底板地基為井柱基礎(chǔ)，井柱直徑為0.6 m，長12.0 m，共12個，每個閘墩與支墩下分別設(shè)置兩個，兩井柱之間的距離為3.4 m；閘墩高1.5 m～2.0 m，厚06 m；每兩個閘墩之間有一個支墩，支墩高2.0 m～1.5 m，厚0.3 m，從距閘室段上游1.5 m處開始；工作橋為T型梁結(jié)構(gòu)，梁高0.6 m，厚0.25 m，板厚0.15 m；人行橋為板式連續(xù)梁，橋面寬2.0 m，厚0.25 m。5孔閘均設(shè)置雙吊點平板鋼閘門，閘門規(guī)格寬×高=10.0 m×1.2 m，配置手搖螺桿式啟閉機(jī)，啟門力2×5.0t。

3)護(hù)坦：水平總長10.0 m，過水寬53.0 m。底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.4 m，下游設(shè)置深3.0 m厚1.5 m的沉箱；側(cè)墻坐落在底板上，為漿砌石結(jié)構(gòu)，側(cè)墻高1.7 m～1.0 m，頂寬0.4 m,底寬1.5 m。護(hù)坦底板頂高程47.0 m。

4)石籠海漫：水平總長10 m，底寬53.0 m。側(cè)墻及底板均為石籠結(jié)構(gòu)。底板石籠厚0.5 m，石籠下鋪設(shè)400g/m2土工布；側(cè)墻高1.0～0.5 m，石籠厚0.5 m。海漫底板頂高程47.0 m[2]。

1.2攔河閘工程現(xiàn)狀

2009年阜新市水利勘測設(shè)計研究院在原《沙力土攔河閘現(xiàn)狀分析報告》、《沙力土攔河閘質(zhì)量檢測報告》和《阜新市彰武縣沙力土攔河閘復(fù)核計算分析報告》的基礎(chǔ)上編制完成了《阜新市彰武縣沙力土攔河閘安全評價報告》和《阜新市彰武縣沙力土攔河閘安全鑒定報告書》[3]，該閘被鑒定為Ⅲ類水閘，鑒定主要結(jié)論，其結(jié)果簡述如下：

1)攔河閘泄流能力不滿足規(guī)范要求；

2)攔河閘下游消能防沖設(shè)施不滿足規(guī)范要求；

3)攔河土壩壩頂高程不滿足防洪安全要求；

4)攔河閘抗?jié)B穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；

5)正常高水位及設(shè)計水位工況下攔河土壩的滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

6)攔河閘閘室的整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；

7)攔河閘進(jìn)出口翼墻的整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；

8)攔河土壩在正常蓄水位及設(shè)計水位工況下土壩上下游坡的整體抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

9)攔河閘工作橋、排架混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均不滿足規(guī)范要求；

10)攔河閘及進(jìn)水閘金屬及機(jī)電設(shè)備老化和破壞嚴(yán)重，鋼閘門強(qiáng)度和剛度不滿足規(guī)范要求，啟閉機(jī)啟閉能力滿足規(guī)范要求；

11)進(jìn)水閘過水能力滿足規(guī)范要求。

2011年4月，由于凍土與建筑物之間縫隙加之原來閘基礎(chǔ)滲漏，致使右側(cè)側(cè)墻外岸坡出現(xiàn)多處塌坑。上午7時，沙力土攔河閘閘體右側(cè)出現(xiàn)繞閘滲流，大量滲流使閘體底部土方流失，上部凍土殼坍塌，在閘的右側(cè)形成長35 m、寬3 m、高1.5 m的深溝，使其側(cè)墻及右側(cè)閘體基礎(chǔ)外露、懸空。同時攔河閘底板、右側(cè)側(cè)墻、工作橋、排架和人行橋多處下沉、斷裂。目前，攔河閘結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞已不能運用。

2011年6月，阜新市水利水電勘測設(shè)計研究院、彰武縣水利技術(shù)推廣中心站編制了《沙力土攔河閘補(bǔ)充安全評價報告》[4]，工程補(bǔ)充評價如下：

1)攔河閘泄流能力不滿足規(guī)范要求；

攔河閘設(shè)計洪水位48.84 m，實際安全超高0.16 m，規(guī)范安全超高0.7 m，在設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)時攔河閘安全超高不滿足規(guī)范要求；攔河閘校核洪水位49.25 m，墩頂高低于校核洪水位0.25 m，攔河閘不能滿足校核洪水標(biāo)準(zhǔn)時泄洪要求。

2)攔河閘下游消能防沖設(shè)施不滿足規(guī)范要求；

3)攔河閘抗?jié)B穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；

4)攔河閘閘室的整體穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；

5)攔河閘進(jìn)出口翼墻的整體穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求；

6)攔河閘工作橋、排架混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均不滿足規(guī)范要求；

7)攔河土壩壩頂高程不滿足防洪安全要求；

8)攔河閘及進(jìn)水閘金屬及機(jī)電設(shè)備老化和破壞嚴(yán)重，鋼閘門強(qiáng)度和剛度不滿足規(guī)范要求。

補(bǔ)充安全評價結(jié)論：沙力土攔河閘的各項運用指標(biāo)與規(guī)范要求相差甚遠(yuǎn)，工程滲漏損毀嚴(yán)重，以達(dá)到無法修復(fù)的程度；故評定該閘為四類水閘。為保證沙力土攔河閘繼續(xù)發(fā)揮灌溉、涵養(yǎng)水源、防止水土流失等經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，建議按照本次水閘安全鑒定的基本要求，盡快將沙力土攔河閘拆除重建。

1.3重建工程建設(shè)的必要性

沙力土攔河閘主要作用是抬高水位，攔蓄引水，為下游200 hm2水田提供灌溉用水。該水閘的正常運行，對大沙力土村農(nóng)民增收乃至前福興地鄉(xiāng)的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。鑒于沙力土攔河閘目前狀況，攔河閘結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞已不能運用。為保證對下游農(nóng)田的引水灌溉及攔河閘的安全運行，需盡早對攔河閘進(jìn)行除險加固?？紤]到目前攔河閘結(jié)構(gòu)破壞的嚴(yán)重程度，對原攔河閘進(jìn)行除險加固已不能恢復(fù)攔河閘的正常運行功能。因此，本工程擬在原攔河閘位置上重建一道攔河閘，起到攔河蓄水作用，確保對下游農(nóng)田灌溉的正常引水。沙力土攔河閘重建工程的建設(shè)已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急[5]。

2　設(shè)計任務(wù)與規(guī)模

2.1工程任務(wù)

原沙力土攔河閘主要建筑物為5孔攔河閘。1999年進(jìn)行擴(kuò)建工程，在原有3孔的基礎(chǔ)上增加2孔。水閘過水凈寬50 m。攔河閘由上游鋪蓋段、閘室段、出口護(hù)坦段和石籠海漫段組成，總長37 m。

沙力土攔河閘主要作用是攔截上游來水，抬高水位，為沙力土水庫引水并為下游200 hm2農(nóng)田提供灌溉用水。

2.2工程級別、建筑物標(biāo)準(zhǔn)及洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB 50201—94 及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252—2000及《水閘設(shè)計規(guī)范》SL265—2001中的規(guī)定，平原區(qū)水閘樞紐工程應(yīng)根據(jù)水閘最大過閘流量及其防護(hù)對象的重要性劃分等別。沙力土攔河閘地處平原區(qū)，最大過閘流量為165 m3/s，其規(guī)模應(yīng)為中型工程，工程等別為Ⅲ等工程，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20～30 a一遇洪水，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50～100 a一遇洪水。根據(jù)沙力土攔河閘的綜合利用情況，確定攔河閘工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。攔河閘工程建筑物等級為3級建筑物，護(hù)岸及進(jìn)水閘工程建筑物等級為5級建筑物，臨時建筑物為5級建筑物。

2.3水量平衡計算

2.3.1多年平均來水量推求

沙力土攔河閘來水量推求：

多年平均年徑流深Y=40 mm

多年平均來水量為W=0.1FY=102.8×104m3；

灌溉保證率采用75%，CV=0.8，CS=2CV,查KP=0.42；

W攔河閘來75%=KP×W=43.2×104m3。

沙力土攔河閘為下游沙力土攔河閘引水，根據(jù)《彰武縣沙力土水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》得出W水庫來75%=76.4×104m3。

因此，W總來75%=119.6×104m3。

2.3.2灌溉用水量計算

水田(水稻)灌溉定額為465m3/666.7m2，灌溉面積為133 hm2。

W水田用=93×104m3。

旱田(水稻)灌溉定額為125m3/666.7m2，灌溉面積為66.7 hm2，

W旱田用=12.5104m3。

W旱田用=105.5×104m3。

W來75%>W用，水量滿足灌溉要求。

2.4水閘運行調(diào)度方式

沙力土攔河閘工程由攔河閘和進(jìn)水閘組成，工程主要作用是以灌溉為主水利樞紐工程。沙力土攔河閘的科學(xué)合理的運行調(diào)度，對于改進(jìn)水閘控制運用技術(shù)，延長工程使用年限，充分發(fā)揮工程綜合效益，具有重要作用。水閘的運行調(diào)度方式如下：

1)汛期當(dāng)預(yù)報有災(zāi)害性天氣及暴雨時，應(yīng)當(dāng)按有關(guān)規(guī)定上報工程主管部門并全部開啟攔河閘門，及時降低河道運行水位，減少暴雨產(chǎn)生洪水對閘址下游的影響以及對上游的淹沒損失。同時關(guān)閉進(jìn)水閘門，避免洪水沖毀灌渠。

2)要及時清理閘前區(qū)域河道雜草樹木等漂浮物，以減少對閘壩的撞擊影響，保持河道暢通，減少河道行洪阻力。

3)每年汛前要檢查閘門有無卡阻，檢查機(jī)電啟閉設(shè)備是否符合運轉(zhuǎn)要求。汛期要觀察內(nèi)外河水位、流態(tài)，過閘水流應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，避免發(fā)生集中水流、折沖水流、回流、漩渦等不良流態(tài)。

4)定期開啟攔河閘門排沙。

5)灌溉期開啟進(jìn)水閘，非灌溉期關(guān)閉進(jìn)水閘門。

6)非灌溉期，建議開啟攔河閘門，以延長閘門使用年限。

2.5主要特征水位

沙力土攔河閘工程主要是抬高河道水位灌溉引水，為了滿足灌區(qū)供水的水位要求，結(jié)合河道水位流量關(guān)系，確定閘門正常的擋水高度，本工程正常擋水位為48.50 m。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇(P=5%)，相應(yīng)洪峰流量121 m3/s，設(shè)計洪水位：48.21 m；閘下水位47.20 m。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇(P=2%)，相應(yīng)洪峰流量165 m3/s，校核洪水位：45.48 m。閘下水位47.35 m。

3　方案優(yōu)化

攔河樞紐布置對河段沖淤特性有一定的影響。根據(jù)引水樞紐修建前和樞紐修建后在攔河閘全開敞泄條件下的水沙特性和河段沖淤情況，工程所在河段建閘后河道變得易淤難沖。

地河為內(nèi)陸河，泥沙含量較高且集中。因此，修建攔河閘工程要掌握該河段的沖淤特性，盡量不要過多改變其天然水位～流量關(guān)系，不可為了減少工程量和施工難度，過多束窄原河道過水?dāng)嗝婧吞岣邤r河閘底板高程，以免在宣泄大洪水時，造成過度壅水和上游淤積。

根據(jù)一般經(jīng)驗，攔河閘底板頂高程宜于河底齊平，同時結(jié)合類似工程經(jīng)驗，水閘底板高程與河底齊平有利于泄水沖砂和減小工程投資。沙力土攔河閘工程原舊水閘底板高程為47.5 m，舊水閘閘室上、下游河床高程約為46.5～47.0 m，為了尋找一個滿足泄流、滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)同時經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有合理的底板高程，該工程初選定水閘底板高程46.5 m、47.0 m、47.5 m，3個方案進(jìn)行比較：

方案1：底板高程46.5 m，底板高程略小增大了閘身和兩岸結(jié)構(gòu)的高度，反而增加工程投資，同時增加閘下消能防沖布置上的困難，還可能帶來嚴(yán)重的泥沙淤積；

方案2：底板高程47.5 m，底板高程過高，使得閘孔總凈寬度增大，泄水閘閘室向河道兩岸延伸，不利于保持原有水流流態(tài)，同時消能效果開始變差，增加了工程量和成本，不經(jīng)濟(jì)；

方案3：底板高程47.0 m，底板高程適中，接近原河床高程，泄水閘段寬度與河道閘址處寬度相近，不破壞原有的河道水流流態(tài)，同時也給施工帶來方便，節(jié)約成本。

根據(jù)以上3個方案比較結(jié)果，不同閘底板高程對水閘泄流能力影響不大，閘上水頭壅高值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。根據(jù)水閘調(diào)度原則，當(dāng)閘底板過高時，下游消能效果開始變差，需要消力池降低來滿足消能要求，伴隨底板不斷抬高，閘室部分工程量減少，但下游消能部分和水閘基礎(chǔ)的處理不斷加大，方案2擬定重建閘室底板高程為47.0 m，基本與上下游河床持平，基本不破壞原有的河道水流流態(tài)見圖1，且略低于舊閘底板高程，有利于增大水閘的過流能力及沖砂能力，減少工程投資。

最后選定方案2閘底板高程為47.0 m?，F(xiàn)狀河床縱向走勢圖見圖1，

圖1　現(xiàn)狀河床縱向走勢圖

4　結(jié)　語

通過這次設(shè)計方案比選，了解了水閘的功能，對水閘的設(shè)計有了一定程度的掌握，水閘的應(yīng)用比較廣泛，其原因是造價低，節(jié)省三材，施工工期短，結(jié)構(gòu)簡單，不險水和止水效果好。雖然優(yōu)點很多，但在實際設(shè)計中，還有好多問題需要解決，如上下游翼墻和原河道水流的連接，水閘的自動控制等。它將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從設(shè)計和管理方面得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。

[1]張俊,李長斌,孫同領(lǐng).淮河下游區(qū)治理重點工程——洪澤湖大堤加固[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2004(02):42-47.

[2]馬海燕,陳小瓊.棺材溝水庫除險加固工程的設(shè)計[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2013(07):19-20.

[3]徐成良,王金華.宮山嘴水庫除險加固工程施工組織設(shè)計[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2011(01):92-94.

[4]張騫,邵翠霞,王新讓.鞏義市病險水庫除險加固工程存在的問題及對策[J].河南水利與南水北調(diào),2011(18):149-150.

[5]王培壽,惠帥先.海南水庫除險加固設(shè)計方案優(yōu)化措施[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2015(12):103-105.

1007-7596(2016)05-0080-04

2016-03-20

胡偉(1979-)，男，遼寧彰武人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作。

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