雙界河水閘結構設計探討

詹育玄

(深圳市水務規(guī)劃設計院有限公司，廣東 深圳 518000)

水閘是水利工程中重要的水工建筑物，一個完整的水閘設計，包括水工結構設計、金屬結構設計、電氣設計和建筑結構設計等，通過各專業(yè)綜合設計后施工、運行，發(fā)揮水閘工程效益。而水工結構的設計包括閘址選擇、結構布置、效能防沖設計、防滲排水設計、閘室穩(wěn)定性分析、閘底板和閘墩配筋計算等。廣東珠三角地區(qū)屬于沖積平原，地表約有10～20m的軟弱土層，建設在軟土地基上的水閘，需驗算地基沉降，并采取有效的工程措施減少地基沉降。本文結合雙界河水閘的工程設計實例，重點探討水工結構設計中結構布置、穩(wěn)定分析及地基處理的要點，以供同類工程參考。

1 概述

雙界河水閘位于廣東省深圳市寶安區(qū)境內(nèi)，寶安大道橋與湖濱中路交叉口的河道上游側。閘址上游為寶安、南山兩區(qū)建成區(qū)，下游為前海合作區(qū)。

水閘功能為塑造景觀水面，分隔上下游水體，保障上游河道受污染時不影響下游河道水質(zhì)以及滿足河道放干清淤檢修的要求。水閘最大過閘流量為88.4m3/s，為小(1)型工程，即工程等別為Ⅳ等，相應建筑物級別為4級，考慮位于防洪(擋潮)堤上的水閘，其級別不得低于防洪(擋潮)堤的級別，確定水閘級別為2級。

2 工程地質(zhì)

閘址處河道地層從上到下大致可以分為四層。

(1)淤泥：場地淤泥具微透水性，厚度約2.0～3.5m，呈流塑～軟塑狀，含水量平均為57%，壓縮模量2.0MPa，承載力特征值為35kPa。

(2)淤泥質(zhì)砂：淤泥質(zhì)砂具中等透水性，厚度約0.5～2.0m，呈松散狀，壓縮模量5.0MPa，承載力特征值為60kPa。

(3)礫砂：礫砂具強透水性，厚度約0.5～1.5m，松散～稍密，壓縮模量9.0MPa，承載力特征值為160kPa。

(4)殘積土：殘積土具弱透水性，厚度約12～16m，可塑～硬塑，壓縮模量5.5MPa，承載力特征值為150kPa。

此外，河道堤身還分布著浮泥、素填土、礫砂等，成分復雜，厚度1.5～2.0m。

3 工程設計

3.1 結構布置

(1)上游鋪蓋段

鋪蓋的位置緊靠閘底板的上游，主要是延長滲徑，并兼有防沖作用。根據(jù)我國已建水閘工程經(jīng)驗，防滲鋪蓋材料以混凝土、鋼筋混凝土或粘土鋪蓋為主。雙界河水閘采用0.5m厚的C30混凝土鋪蓋，經(jīng)計算分析，順水流方向長15m。

(2)閘室段

閘室段是水閘工程的主體，包括閘底板、閘墩、閘門、工作橋、交通橋等，應綜合考慮水閘擋水、泄水和運行要求布置閘室。

初步設計確定水閘閘孔總凈寬為27.0m，共分三孔，單孔寬皆為9.0m。閘墩厚度根據(jù)門槽深度和啟閉機安裝要求確定，邊墩及中墩厚皆為2.0m，閘門軸線錯位布置以減少閘墩厚度。閘室垂直水流方向總寬為35.0m，順水流方向長取18.80m；底板高程0.05m，厚度為1.5m。根據(jù)金屬閘門安裝要求，門槽寬1.0m，二期混凝土預留槽寬1.0m，同時于水閘閘室上下游兩側分別設置檢修閘槽，寬1.0m，二期混凝土預留槽寬1.0m。閘墩頂交通橋采用裝配式預制簡支橋，橋跨35.0m，橋面寬5.0m。

(3)消力池段

消力池的作用主要是消除過閘水流的能量，防止沖刷下游河床。效能形式主要有底流式、挑流式和面流式。

平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流消能方式。雙界河水閘消力池擬采用底流式效能，下挖式結構。根據(jù)SL265- 2016《水閘設計規(guī)范》計算得消力池深度、長度分別取1.0m、15m，消力池混凝土底板間隔布置塑料排水管，用以加快下游多余滲水排走。

(4)下游海漫段

流出消力池的水流仍不穩(wěn)定，為保護河床免受沖刷，需布置一定長度的海漫繼續(xù)消除水流的余能。本工程水閘海漫段長18.0m，采用拋填塊石1.0m厚。

3.2 閘室穩(wěn)定性分析

閘室穩(wěn)定計算，宜取永久縫間的獨立閘段作為計算單元，本工程水閘縱橫剖面圖如圖1、2所示。

圖1 水閘縱斷面圖

圖2 水閘橫斷面圖

(1)計算工況

根據(jù)水閘功能確定排澇河口水閘的工況水位組合如下：

工況一，完建工況：閘上下游無水。

工況二，上游擋水工況：閘上游為景觀蓄水位1.50m，下游無水。

工況三，下游擋水工況：閘上游無水，下游水位為多年平均潮水位為2.12m。

工況四，地震工況：閘上游為景觀蓄水位1.50m，下游水位為多年平均潮位0.26m，發(fā)生地震，地震加速度順水流方向。

(2)計算內(nèi)容

分析計算水閘閘室的抗滑穩(wěn)定，以及基底壓力分布是否滿足規(guī)范要求。

(3)計算結果

各工況基底壓力分布不均勻系數(shù)均小于2.0，滿足規(guī)范要求，工況二～工況四抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3，滿足規(guī)范要求。經(jīng)對比，各工況中最大壓應力為工況三的基底最大壓應力，即87.75kPa，故本工程水閘地基承載力以此值控制。具體見表1。

表1 計算結果匯總表

由于水閘基底處于淤泥土層，地基承載力不滿足要求，需另行地基處理。

4 地基加固及防滲設計

閘基底土層主要為淤泥及淤泥質(zhì)砂層，厚約2.0～4.0m，壓縮性高，固結條件差，未能滿足水閘承載力要求，為防止水閘基礎較大的沉陷和不均勻沉陷，還應對水閘及其上下游結構基底處淤泥及淤泥質(zhì)土的軟弱地基進行處理，以提高地基的承載力、控制地基的沉降變形。

閘址地層從上往下依次為微透水淤泥層、中等透水淤泥質(zhì)砂層和強透水礫砂層，水閘兩側素填土、填石為中等～強透水地層。

綜合考慮造價、工期和地基沉降控制等因素，閘室結構采用水泥攪拌樁復合地基進行加固，樁徑0.6m，間距0.8m，樁長6.0～7.0m；上游護底及消力池段，采用樁徑0.6m，間距1.5m，樁長5.0m的攪拌樁加固軟弱地基。并在閘室底板中部形成一道攪拌樁截水墻，樁頂伸入閘底板，根據(jù)計算，垂直防滲墻的深度采用6.0m且進入殘積土不小于1.0m控制，布置方式為φ600@450，經(jīng)攪拌樁樁截水后，水閘上下游基本無滲流，水閘地基不存在滲透破壞問題。同時為防止水流從邊墩兩側饒滲，邊墩底部采用雙排旋噴樁處理。

5 結語

水閘工程設計是一項較為復雜的工程任務，必須綜合考慮水閘的功能需求和地域環(huán)境等因素，不可直接照搬類似工程設計，尤其是結構設計，如不經(jīng)過慎重計算分析，輕則影響水閘外觀，重則使工程失事。筆者依據(jù)設計經(jīng)驗，提出以下幾點建議。

(1)水閘建設前期應充分論證其建設必要性，確定水閘的功能定位并選擇合理的建閘位置，避免無意義投資。

(2)必須獲得準確的閘址地質(zhì)勘測資料，以綜合考慮，確定基礎處理方案。施工時如遇地質(zhì)情況與勘察資料有較大差異，應及時報告建設單位，由設計單位出具變更方案。

(3)對于軟土地基上的水閘地基處理，水泥攪拌樁是一種行之有效且節(jié)省投資的處理方式。注意施工時應換填一定厚度的上部軟土，以創(chuàng)建樁基施工平臺，設計時應當考慮。

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