泄水閘抗沖耐磨措施的方案比選

高盼盼

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊 830000）

泄水閘抗沖耐磨措施的方案比選

高盼盼

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊 830000）

本文闡述了柯柯牙飲水樞紐各建筑物的技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，確定了泄洪沖沙閘的單寬流量。由于工程水文地質(zhì)條件及水力條件所限，柯柯牙引水樞紐中泄洪沖沙閘抗沖耐磨層可供選擇的材料方案主要為鋼板、座漿干砌石灌漿和C60硅粉混凝土。為選定沖沙閘合理的抗沖耐磨層材料，通過對(duì)泄洪沖沙閘方案設(shè)計(jì)的影響因素分析，在工程規(guī)模及經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，重點(diǎn)考慮施工難易度，結(jié)合工程養(yǎng)護(hù)與后期維修，對(duì)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、論證與比較，經(jīng)綜合比選各方案的優(yōu)、缺點(diǎn)后，確定C60硅粉混凝土方案為推薦方案。

泄洪沖沙閘；抗沖耐磨層；鋼板；座漿干砌石灌漿；硅粉混凝土

1 工程概況

柯柯牙引水樞紐為新建樞紐工程，屬中型Ⅲ等工程，位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，工程區(qū)西南距溫宿縣26 km，距阿克蘇市37 km。工程場(chǎng)址多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為151.9×104t，多年平均年推移質(zhì)輸沙量為45.57×104t。閘址區(qū)全新統(tǒng)沖積層（Q4al）分布于河床、漫灘及Ⅰ級(jí)階地上，厚度大于2～3 m左右，灰色卵礫石，磨圓度較好?，F(xiàn)場(chǎng)河床表層有大量漂石，粒徑大于40 cm。新建樞紐由上游整治段、泄洪沖沙閘、溢流堰、右岸進(jìn)水閘、左岸進(jìn)水閘及下游整治段等組成。泄洪沖沙閘由上游鋪蓋、閘室段、下游護(hù)坦、防沖墻及混凝土軟排等組成，在主河槽兩側(cè)緊鄰左、右岸進(jìn)水閘各布置一孔。

2 主要建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

1）建筑物等級(jí)：3級(jí)。

2）設(shè)計(jì)洪水頻率：20年一遇；校核洪水頻率：50年一遇。

3）泄洪量：設(shè)計(jì)值，209 m3/s；校核值，454 m3/s。

4）引水流量：設(shè)計(jì)值，14.5 m3/s；加大值，17 m3/s。

5）閘室參數(shù)：泄洪沖沙閘2孔，單孔凈寬8 m，閘室長(zhǎng)15 m；左岸進(jìn)水閘1孔，單孔凈寬2 m，閘室長(zhǎng)15 m；右岸進(jìn)水閘2孔，單孔凈寬4 m，閘室長(zhǎng)15 m。

6）溢流堰參數(shù)：堰型為WES實(shí)用堰，堰寬42.4 m。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)閘址處河道橫斷面的測(cè)量結(jié)果，主河道落淤后平均河床高程約為1 507.50 m，主河槽的最深處河底高程為1 507.0 m。

（1）泄洪沖沙閘：按照工程設(shè)計(jì)一般情況，多泥沙河流泄洪沖沙閘的閘底板高程應(yīng)保持一致或稍做提高，以防止下游淤積影響水閘的過流能力，或造成其他的不利影響。確定泄洪沖沙閘的閘底板高程與平均河床高程同高為1 507.50 m。

（2）進(jìn)水閘：底板高程的確定首先要滿足下游灌區(qū)引水高程的要求，并考慮引水時(shí)盡量將泥沙留在引水閘上游減少下游渠道的淤積，本次進(jìn)水閘閘底板高程較泄洪沖沙閘底板高程高1.5 m，則閘底板高程為1 509.0 m。

（3）閘前正常工作水位：以滿足右岸進(jìn)水閘加大引水流量15 m3/s及左岸進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量2.0 m3/s為基本原則，在此基礎(chǔ)上盡量降低正常工作水位，以使進(jìn)水閘在來水量較小的情況下能順利引水。根據(jù)引水流量及下游渠道水位，經(jīng)計(jì)算選取閘前的正常工作水位為1 510.09 m。

（4）溢流堰：堰頂高程需保證灌區(qū)引水灌溉的要求。進(jìn)水閘正常引水水位（加大）即為溢流堰堰頂高程，此時(shí)引水閘閘前水位為1 510.09 m，即堰頂高程為1 510.09 m。

通過各建筑物設(shè)計(jì)參數(shù)的確定及水力計(jì)算，各建筑物規(guī)模特征參數(shù)見表1。

泄洪沖沙閘共2孔，總凈寬16.0 m，設(shè)計(jì)洪水頻率下泄流量152.9 m3/s，單寬流量9.56 m3/s；校核洪水頻率下泄流量231.3 m3/s，單寬流量14.46 m3/s。對(duì)于輸沙量較大、含砂顆粒較大的柯柯牙河來講，泄洪沖沙閘閘室及護(hù)坦的抗沖耐磨措施的選擇對(duì)整個(gè)工程的耐久性和使用年限起著至關(guān)重要的作用。

表1 各建筑物規(guī)模特征參數(shù)一覽表

3 沖沙閘抗沖耐磨方案構(gòu)思

柯柯牙河河谷狹窄，河床坡降大，汛期水流湍急，洪水中夾雜大量風(fēng)化巖石，粒徑較大，推移質(zhì)在水中以滾動(dòng)、滑動(dòng)和跳躍等方式運(yùn)動(dòng)，對(duì)過流表面不僅有磨損作用，而且有沖擊破壞作用。為防止高速含砂水流對(duì)建筑物的沖刷，閘室及護(hù)坦底板、閘墩及護(hù)坦邊墻一定高度范圍內(nèi)將采用抗沖磨性能好的材料。綜合考慮工程地質(zhì)、水文及水力條件本次擬采取鋼板、座漿干砌石灌漿及高強(qiáng)度硅粉混凝土等作為水閘抗沖耐磨層材料，并根據(jù)材料性質(zhì)的不同選定3種方案進(jìn)行比選確定。

3.1 比選材料的技術(shù)特點(diǎn)與施工工藝

3.1.1 鋼板

技術(shù)特點(diǎn)：在底板及邊墻表層鑲嵌20 mm厚鋼板，抗沖流速小于10 m/s。

施工工藝：錨固鋼筋與鋼板焊接，與建筑物鋼筋綁扎在一起，再澆筑混凝土，施工工藝較簡(jiǎn)單。

3.1.2 座漿干砌石灌漿

技術(shù)特點(diǎn)：鋼筋混凝土底板表層鋪設(shè)座漿干砌石灌漿，厚度0.5 m，座漿及灌漿標(biāo)號(hào)C25混凝土，抗磨強(qiáng)度大。

施工工藝：閘室及護(hù)坦底板鋼筋混凝土施工結(jié)束后，在表層鋪設(shè)0.1 m C25混凝土，再鋪設(shè)兩層卵石（粒徑0.2 m左右），再灌漿，施工工藝簡(jiǎn)單。

3.1.3 高強(qiáng)度硅粉混凝土

技術(shù)特點(diǎn)：摻用硅粉10%左右，強(qiáng)度達(dá)到60 MPa，抗磨強(qiáng)度大，易與底板及邊墻其他標(biāo)號(hào)混凝土結(jié)合，耐久性較好，均勻磨損。

施工工藝：底板及邊墻混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)使不同標(biāo)號(hào)混凝土澆筑為一體，不應(yīng)留縫。C60硅粉混凝土強(qiáng)度易達(dá)到。施工工藝簡(jiǎn)單。

3.2 抗沖耐磨方案設(shè)計(jì)

3.2.1 閘室鋼板抗沖設(shè)計(jì)

閘室及護(hù)坦主要采用25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘墩高6.0 m，閘墩厚0.8 m，閘底板厚1.0 m，護(hù)坦底板厚0.8m，底板表層及邊墩（墻）0.75m高范圍內(nèi)鑲嵌20mm厚鋼板，將錨固鋼筋與鋼板焊接，使錨固鋼筋與主體鋼筋綁扎在一起，見圖1。

圖1 閘室鋼板抗沖

3.2.2 閘室座漿干砌石灌漿抗沖設(shè)計(jì)

閘室及護(hù)坦主要采用25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘墩高6.5 m，閘墩厚0.8 m，閘底板厚1.5 m，護(hù)坦底板厚1.3 m，底板表層0.5 m鋪設(shè)座漿干砌石灌漿，見圖2。

圖2 閘室座漿干砌石抗沖

3.2.3 閘室C60硅粉混凝土抗沖設(shè)計(jì)

閘室及護(hù)坦主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同鋼板抗沖方案，底板表層0.20 m及邊墩（墻）0.75 m高范圍內(nèi)為C60硅粉抗沖耐磨混凝土，見圖3。

圖3 閘室C60硅粉混凝土抗沖

4 方案比選

方案比選的首要條件是所有方案其工程安全性和可靠性應(yīng)滿足使用要求，因此通過計(jì)算及優(yōu)化確定方案合理尺寸，考慮沖沙閘抗沖耐磨的功能，從工程規(guī)模與經(jīng)濟(jì)、施工難易、養(yǎng)護(hù)運(yùn)行等多個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行綜合比選。

4.1 工程規(guī)模與經(jīng)濟(jì)性

本次參與比選的3個(gè)方案，分別經(jīng)過計(jì)算與優(yōu)化，最終確定每個(gè)方案的最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式及材料工程量。3個(gè)方案的主要工程量及造價(jià)見表2。

表2 主要工程量及造價(jià)

單純從經(jīng)濟(jì)角度來分析，鋼板防沖方案造價(jià)最高，座漿干砌石灌漿、C60高強(qiáng)度硅粉混凝土2個(gè)防沖設(shè)計(jì)方案的造價(jià)較低，且建設(shè)規(guī)模比較接近。

4.2 施工難度

這三種比選方案僅從施工難易度上分析比較，不同的方案其施工工藝的重點(diǎn)難點(diǎn)根據(jù)防沖材料種類的不同而側(cè)重點(diǎn)有所區(qū)別。鋼板抗沖方案其施工的重點(diǎn)及要點(diǎn)集中在鋼筋與鋼板的焊接上，與建筑物鋼筋綁扎過程中，實(shí)現(xiàn)混凝土的充分振搗密實(shí)；座漿干砌卵石灌漿施工工藝要求墊層面碾壓、整平，且基面上需鋪設(shè)砂漿過渡層，往砌筑完成的干砌卵石層充填灌注砂漿時(shí)，需人工搗實(shí)；C60高強(qiáng)度硅粉混凝土施工難點(diǎn)是應(yīng)克服C60硅粉混凝土易產(chǎn)生早期塑性干縮及易產(chǎn)生溫度裂縫的問題。這三種方案在施工熟練度足夠的情況下均能較好的滿足施工工藝要求。相比較來說，鋼板防沖方案中鋼筋綁扎與焊接對(duì)施工技術(shù)要求較高；座漿干砌卵石灌漿施工過程中對(duì)于工程找平要求度高且人工搗實(shí)度應(yīng)達(dá)標(biāo)，施工工藝要求較高；C60高強(qiáng)度硅粉混凝土控制好配合比及后期養(yǎng)護(hù)是重點(diǎn)，施工工藝較為簡(jiǎn)單。

4.3 養(yǎng)護(hù)與運(yùn)行

從養(yǎng)護(hù)和后期運(yùn)行的角度對(duì)三種方案進(jìn)行比較。鋼板抗沖方案養(yǎng)護(hù)時(shí)做好混凝土養(yǎng)護(hù)使得鋼板能夠同鋼筋混凝土良好的膠結(jié)為一體即可，但是據(jù)三門峽工程的多年原型觀測(cè)資料證明，鋼鐵材料抵抗懸移質(zhì)泥沙沖磨能力實(shí)際上是比較低的，當(dāng)水流斷面平均流速超過10 m/s時(shí)，鋼板等鑲互材料即開始發(fā)生磨損，后期運(yùn)行維護(hù)工作較困難；座漿干砌卵石灌漿施工時(shí)分段養(yǎng)護(hù)，及時(shí)灑水保潮、進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù)，即可獲得良好的耐久性、防滲性，在實(shí)際運(yùn)行中砂漿的膠結(jié)能力決定了工程的整體性能；C60硅粉混凝土的養(yǎng)護(hù)中，保持表面潮濕是關(guān)鍵，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于21 d的條件下，其耐久性和強(qiáng)度能得到充分的發(fā)展，其抗凍脹性能良好，工程整體性較好。從養(yǎng)護(hù)和運(yùn)行的角度比較，相對(duì)來說C60硅粉混凝土的整體性較好，工程不存在薄弱節(jié)點(diǎn)，其耐久性、穩(wěn)定性更能滿足于工程需求。

5 結(jié)論

經(jīng)多方面比較，鋼板抗沖方案造價(jià)最高，施工要求度較高且養(yǎng)護(hù)運(yùn)行過程中潛在問題較大，不易解決。對(duì)于投資規(guī)模相當(dāng)?shù)腃60硅粉混凝土方案及座漿干砌卵石灌漿方案相比較，C60硅粉混凝土在施工方面更加簡(jiǎn)單，且工程養(yǎng)護(hù)運(yùn)行過程中更為穩(wěn)定，工程后期維修費(fèi)用會(huì)更少，從工程穩(wěn)定性、耐久性等角度對(duì)比其后期優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此經(jīng)綜合比選后，推薦C60硅粉混凝土方案為柯柯牙泄洪沖沙閘的抗沖耐磨層設(shè)計(jì)方案。

Scheme Comparison of Abrasion Resistance Measures of the Water Release Gate

GAO Pan-pan

Selection of technical parameters and design parameters of each hydraulic structure belong to the Kekeya Water Diversion Project was described.Unit discharge of the flood-discharging and sand-sluicing gate was determined.Due to the limitation of engineering hydrological and geological conditions and hydraulic conditions，steel plate，drylaid stone grouting on base slurry and C60 silica fume concrete were the alternative material solutions for abrasion resistance layer of the flood-discharging and sand-sluicing gate in Kekeya Water Diversion Project.To select a reasonable material for abrasion resistance layer of the sand-sluicing gate，influence factors of scheme design for the flood-discharging and sand-sluicing gate were analyzed.On the basis of equivalence of project scale and economy，the construction difficulty was focused on.Schemes were systematic analyzed，demonstrated and compared by combining with project maintenance in the future.After comparing the advantages and disadvantages of each scheme，the C60 silica fume concrete scheme was recommended.

flood-discharging and sand-sluicing gate；abrasion resistance layer；steel plate；dry-laid stone grouting on base slurry；silica fume concrete

TV66

B

1006-8139（2017）02-021-04

2017-02-28

2017-03-02

高盼盼(1985－)，女，2011年碩士研究生畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。