臺源水閘除險加固設計方案比選

馮 送，馬小平，徐 文

(1.衡陽縣水利局，湖南衡陽421200；2.河北省水利水電勘測設計研究院湖南分院，湖南長沙410007；3.長沙市城市建設投資開發(fā)集團有限公司，湖南長沙410007)

1 工程概況

臺源水閘位于湖南省衡陽縣臺源鎮(zhèn)臺源村，是湘江一級支流蒸水中游的1座大(2)型水閘，距衡陽縣14 km，閘址以上控制流域面積1 788 km2。該工程是1座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、交通等綜合利用的綜合性水利樞紐工程。

臺源水閘于1966年動工興建，1967年建成并投入使用，樞紐工程主要由泄洪閘(工作橋、檢修便橋)、水輪泵站、電站、護岸及堤防工程等建筑物組成。

泄洪閘全長96 m，共11孔；其中10孔的閘孔凈寬8 m，中墩寬0.8 m。中墩為鋼筋混凝土結構，設自動翻板式混凝土閘門，閘門尺寸8 m×3.5 m(寬×高)； 5號孔(從右至左)閘孔凈寬7 m，中墩寬1.3 m，設鋼質平面閘門，閘門尺寸7 m×4.9 m(寬×高)，配QPQ—2×15 t啟閉機1臺，啟閉臺地面高程82.05 m。閘室為寬頂堰，5號孔閘堰頂高程65.85 m，其余10孔閘堰頂高程為67.25 m。下游無消能設施。

水輪泵站總裝機5臺，其中右岸水輪泵站布置在泄洪閘下游，裝機4臺；左岸水輪泵站位于電站左側(緊靠河道左岸)，裝機1 臺。設計灌溉面積2.12萬畝，實際灌溉面積1.2萬畝。

電站布置在水閘左右兩側，均為河床式，總裝機容量850 kW；其中左岸電站裝機容量3×200 kW，右岸電站裝機容量2×125 kW。

護岸及堤防工程總長250 m，其中上游左、右岸護岸各55 m，下游左、右岸護岸各70 m，均為漿砌石擋土墻護岸型式。

2 安全鑒定結論

臺源水閘經過50多年的運行，樞紐工程各建筑物存在的病險隱患日趨嚴重，嚴重影響了工程效益的正常發(fā)揮。2009年3月，省水利廳組織專家對工程進行了安全鑒定，并經水利部大壩安全管理中心復核確認為三類閘(建安[2013]28號)。水閘工程存在的主要問題有：

(1)該水閘在校核水位時，水閘主要建筑物頂部現(xiàn)狀高程較規(guī)范要求低0.81 m，不滿足防洪安全要求。

(2)該水閘壩下游無消能防沖設施，不滿足消能防沖要求；河床為強風化或中風化泥巖砂巖，抗沖刷能力差，現(xiàn)狀己形成長100 m、寬30 m、深2.3 m的沖刷坑，危及水閘安全。

(3)閘墩混凝土外觀發(fā)現(xiàn)裂縫，混凝土剝落、孔洞、露筋及鋼板銹蝕現(xiàn)象嚴重；閘門、工作橋及走道板裂縫，混凝土剝落、露筋嚴重，泄洪閘混凝土閘門滲漏水嚴重，所有閘門止水失效，閘門混凝土裂縫較多，剝落、露筋現(xiàn)象嚴重。

(4)翻板式閘門無法控制啟閉過程，安全性差；2扇木閘門老化破損，滲漏水嚴重，不能啟閉。

(5)無電氣設備，無觀測設施。

3 加固設計方案擬定比選

3.1 改造方案擬定

本工程因原設計標準低，泄洪不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，原翻板門目前基本不能正常啟閉，且閘墩混凝土損毀較為嚴重，易遭洪水毀壞，故本次設計對泄洪閘閘室段進行改造處理。

根據(jù)安全鑒定意見，參照相關工程經驗，本次對泄洪閘閘室段擬定了3個方案進行比較。

(1)方案一：平板鋼閘門方案

原泄洪閘閘室段改造成平板鋼閘門閘室段，改造后泄洪閘全長95.6 m。原閘墩拆除，改造后共布置11孔平板鋼閘門，每孔溢流凈寬度7.6 m，泄洪孔口尺寸為7.6 m×4.25 m(寬×高)；閘門為平板鋼閘門，均采用固定式卷揚機啟閉。溢流堰體改建為寬頂堰，堰頂高程均為66.50 m，設計水頭4.25 m(至底坎)。新建閘墩厚度1.2 m，閘墩長10.1 m，閘墩頂部高程75.0 m，閘墩上設有檢修閘門槽和工作閘門槽，工作閘門采用固定式卷揚啟閉機啟閉，檢修門采用移動式電動葫蘆啟閉。新建啟閉機平臺高程為82.5 m，排架柱尺寸為600 mm×600 mm，啟閉平臺尺寸為98 m×4.95 m(長×寬)，板厚200 mm，在啟閉臺上加蓋屋面，四周砌筑磚墻。啟閉機平臺上游側設尺寸為500 mm×600 mm吊車梁，長98 m。啟閉機房屋頂高程為87.4 m。新增堰體局部補缺區(qū)域、消力池連接段堰面均采用現(xiàn)澆混凝土結構。

人行橋拆除重建，新建人行橋采用簡支式C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構，橋寬為2.5 m，單跨橋長8.8 m(凈跨7.6 m)，共11跨。

新建檢修橋采用簡支式C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構，沿工作閘門上、下游側設置，橋寬為1.0 m，單跨橋長8.8 m(凈跨7.6 m)，上、下游側各共11跨。

新建消力池底板頂面高程為63.0 m，消力池長20.0 m，消力池深1.5 m；尾部設300 mm厚雷諾海漫，長43.0 m；后接防沖槽，深度1 m，拋石最小粒徑不小于30 cm。

(2)方案二：水力自動翻板閘門方案

原泄洪閘閘室段改造成水力自動翻板閘門閘室段，共改造成11孔泄洪閘，其中泄洪閘孔口寬度8.0 m，泄洪孔口尺寸為8.0 m×4.40 m(寬×高)。堰型為寬頂堰，堰頂高程均為66.35 m，設計水頭4.40 m(至底坎)，新建的閘墩厚度均為0.8 m。所有閘門采用水力自動翻板閘門。

人行橋、新建檢修橋、消力池結構尺寸基本同方案一。

(3)方案三：水力自動翻板閘門+平板門組合方案

原泄洪閘閘室段改造為水力自動翻板閘門閘室和平板門閘室，共改造成11孔泄洪閘，其中，1、2、10、11號閘孔泄洪閘采用平板門控制，其他泄洪閘室采用水力自動翻板閘門控制。平板門泄洪閘室泄洪孔口寬度7.50 m，泄洪孔口尺寸7.50 m×4.45 m(寬×高)，堰頂高程66.30 m；水力自動翻板閘門閘室泄洪孔口寬度8.0 m，泄洪孔尺寸8.0 m×4.45 m(寬×高)，堰頂高程66.30 m。堰型為寬頂堰，新建閘墩除平板門閘孔兩側閘墩1.30 m外，其他閘墩厚度均為0.8 m。平板門泄洪閘室閘孔采用平板鋼閘門，布置左右兩岸，其他閘室采用水力自動翻板閘門。

人行橋、新建檢修橋、消力池結構尺寸基本同方案一。

3.2 方案比選

3.2.1 過流能力方面

經計算，3種比較方案各特征水位及閘墩高程成果如下所示(見表1)。

表1 各特征水位計閘墩頂高程成果

從表1可知3種比較方案各特征水位計算閘墩頂高程成果，3種方案泄洪能力相當；對閘頂交通橋、左右岸廠房及上下游堤防設計要求基本相當；3種方案均在泄洪能力方面滿足設計要求，對其他建筑物改造影響相當；3種方案均能解決原水閘泄洪能力方面不足的安全隱患。

3.2.2 操作可靠性

方案一平板鋼閘門方案，在各類閘門規(guī)模中應用均非常廣泛，具有安裝簡單、維護容易、檢修方便、安全性能高等特點，是多數(shù)大中型工程的首選方式。

方案二水力自動翻板閘門方案，采用浮標開關控制，實現(xiàn)自動化操作，達到無人管理；但翻板閘門存在以下缺點：一是阻水，經不住特大洪水的沖擊，易被洪水沖毀；全國每年都有大批水力自動翻板閘門壩被洪水沖毀。二是易被漂浮物卡塞或上游泥沙淤積，造成不能自動翻板而影響防洪安全。三是洪水過后，翻板閘門再關上時被異物卡住，造成大量漏水，無法正常蓄水工作。四是上游漂浮物無法清理，使河道臟亂。本工程原設計即為水力自動翻板閘門，由于地處人口生活密集區(qū)，河道中產生的生活生產漂浮物較多，現(xiàn)階段已無一門可以正常開啟。

方案三水力自動翻板閘門+平板鋼閘門方案，采用兩種組合方式進行泄洪管理，可以進行泄洪措施的合理調節(jié)，通常泄洪過程中可以實現(xiàn)無人管理，自動泄洪，小頻率階段可以實現(xiàn)人工參與調度。但該方案采用水力自動翻板閘門存在同方案二相同的問題；二者平板門、翻板門閘室交叉布置后期維護、運行管理不便。

3種方案在操作可靠性上來判斷，方案一無論是工程適用性、安全性，還是后期維護、管理均具有較大優(yōu)勢。

3.2.3 工程造價

根據(jù)水閘加固設計方案比選，結合臺源水閘實際情況，對3種比較方案的主要工程量及工程造價進行比選(見表2)。

表2 主要工程量及工程造價比選

從表2中3種比較方案工程造價對比可知，方案一平板鋼閘門方案投資最高，其次方案三，方案二投資最省。

綜上所述，方案一平板鋼閘門方案投資最高，但運行簡單、可靠，管理方便；方案二水力自動翻板閘門投資最省，但工程地處河流中游，汛期雜草污物較多，泄洪后，復位時極易卡門，可靠性差；方案三水力自動翻板閘門+平板鋼閘門組合方案投資其次，但平板門、翻板門閘室交叉布置后期維護、運行管理不便。綜合考慮臺源水閘安全運行及防洪影響因素推薦選用方案一平板鋼閘門方案。

4 結 語

(1)臺源水閘安全鑒定為“三類壩”，由于原工程勘測、設計、施工資料不全，雖經過多次維修，均未徹底解決存在的問題。通過除險加固設計對工程實地勘察，收集資料，科學分析病險水閘工程特點及加固設計布局，擬定3種加固設計方案進行比選，推薦選用平面鋼閘門方案，使臺源水閘的布置達到效益高、技術先進及管理方便之目的。

(2)臺源水閘加固工程完成后，可以改善工程運行條件，確保工程在設計條件下的防洪安全，保證其安全、有效運行。