筒車橋水閘除險加固對策探析

艾潤華

(撫州市水電勘測設(shè)計院，江西 撫州 344000)

1 筒車橋水閘病險成因

大中型水閘的病險成因有四種，分別是歷史、自然、技術(shù)和管理。很多水閘興建于20世紀，由于當時的施工技術(shù)有限，再加上管理不到位，造成一部分水閘安全性和耐久性逐漸下降，再加上一些地區(qū)特殊的自然因素，如洪水、地震等因素，同樣會在一定程度上影響和破壞水閘結(jié)構(gòu)[1]。

為全面診斷工程的安全狀況，確保工程經(jīng)濟效益的正常發(fā)揮和人民生命財產(chǎn)的安全，2008年11月臨川區(qū)水利局委托撫州市水電勘測設(shè)計院對筒車橋節(jié)制閘進行了安全鑒定。經(jīng)過鑒定發(fā)現(xiàn)，目前該水閘泄洪能力無法滿足設(shè)計要求。

經(jīng)現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)混凝土施工質(zhì)量差。閘墩混凝土實測強度僅為13.04 MPa，碳化深度大于保護層厚度，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性差，存在蜂窩、欠振等缺陷；閘墩在水位變化區(qū)的混凝土存在露石現(xiàn)象，局部沖蝕破損。

經(jīng)復(fù)核計算，閘室穩(wěn)定滿足要求。水閘閘基水平段最大平均比降和出口段比降均大于允許比降，水閘滲透穩(wěn)定性不滿足要求?，F(xiàn)狀泄槽出口無消能設(shè)施，已造成下游沖刷破壞。下游泄槽底板受行洪影響被沖壞，出現(xiàn)2條縱向裂縫，縫寬約1～3 mm，自上游往下游延伸；右側(cè)邊墻底板基礎(chǔ)局部被淘空。閘門主要構(gòu)件損壞嚴重，面板、梁系經(jīng)復(fù)核不能滿足強度要求；閘門無啟閉控制設(shè)備，操作困難。目前筒車橋節(jié)制閘存在諸多的安全隱患，要及時地對筒車橋節(jié)制閘建筑物進行除險加固處理。

2 水閘區(qū)域工程概況

筒車橋水閘樞紐工程主要建筑物有10孔節(jié)制閘和灌溉進水口。水閘建成至今進行過兩次維修加固，時間分別是在1994年9月和1995年10月。系因水閘未建消能設(shè)施，左側(cè)出口擋墻被沖毀，由臨川區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)辦提供資金，榮山鎮(zhèn)負責組織實施，對水閘泄槽左側(cè)出口擋墻進行重建。水閘的臥式鋼閘門門體銹蝕，無止水，漏水嚴重。

對閘壩的閘墩、工作梁、啟閉機房及護岸砌石外觀及實體質(zhì)量情況進行檢測，檢測結(jié)果如下。

(1)混凝土抗壓強度檢測。采用回彈法檢測混凝土強度，結(jié)果如表1所示。

表1 水閘混凝土抗壓強度檢測結(jié)果

(2)混凝土碳化深度檢測?；炷恋奶蓟疃炔捎镁凭犹芤簷z測，結(jié)果如表2所示。

表2 水閘混凝土碳化深度檢測結(jié)果 mm

(3)工程地質(zhì)狀況。樞紐區(qū)出露地層較簡單，基巖為含礫砂巖。第四系全新統(tǒng)覆蓋層主要為沖洪積層，主要為粗砂。

根據(jù)閘址處地質(zhì)勘探資料，閘基地層結(jié)構(gòu)相對簡單，上部因靠近公路，有部分素填土，厚約2.60 m，其下為細中砂及粗砂，細中砂層厚約1.90 m，粗砂地層厚約1.60 m，下伏基巖為含礫砂巖，出露高程為55.36～56.05 m?，F(xiàn)狀閘址位于夢港河上，根據(jù)現(xiàn)場鉆探顯示，該處地層結(jié)構(gòu)簡單，閘基直接坐落于強風(fēng)化狀含礫砂巖，基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石完整性較好，但現(xiàn)狀水閘位于河道轉(zhuǎn)彎處，且緊靠寺廟，阻水嚴重，建議易址改建。

擬建閘址位于夢港河上，在現(xiàn)狀閘址下游約80.00 m處，根據(jù)現(xiàn)場鉆探顯示，該處地層結(jié)構(gòu)簡單，閘基直接坐落于強風(fēng)化狀含礫砂巖，基巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖石完整性較好，ZK5及ZK6的壓水實驗分別為4.80 lu、4.35 lu，具弱透水性，為相對不透水層。建議強風(fēng)化巖體抗沖流速為3.0 m/s。

護岸位于水閘兩側(cè)，沿河岸分布，因河床部位上部覆蓋層厚度為0.90 m，建議護岸直接坐落于強風(fēng)化基巖上，巖體中裂隙不發(fā)育，巖體較完整，工程地質(zhì)條件較好，根據(jù)類似工程巖石試驗成果，擬建水閘閘基巖體為強風(fēng)化狀含礫砂巖，基巖巖體呈弱透水性，透水率q=4.35Lu，物理力學(xué)性質(zhì)較好，不存在滲漏及滲透穩(wěn)定問題。水閘兩端分布第四系沖積層及人工填土，主要為中細砂、粗砂，透水性強。存在一定的繞閘滲漏[2]。

工程所需天然建材可就近采取到，儲量豐富，運輸較方便。

3 筒車橋水閘除險加固方案

3.1 除險加固任務(wù)和規(guī)模

筒車橋節(jié)制閘為中型水閘工程，灌溉水位58.80 m，設(shè)計引水流量0.50 m3/s，設(shè)計灌溉農(nóng)田333.33 hm2，灌溉渠道總長1.90 km。工程主要受益單位為榮山鎮(zhèn)，保護農(nóng)田200.00 hm2，保護人口0.2萬人。

筒車橋節(jié)制閘工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。

3.2 洪水標準

設(shè)計洪水標準應(yīng)為20～30 a一遇，校核洪水標準應(yīng)為50～100 a一遇?？紤]到在水閘樞紐工程等別和主要建筑物級別確定時已經(jīng)考慮水閘規(guī)模較大、洪峰流量較大等安全因素，因此洪水標準取下限，即設(shè)計洪水標準為20 a一遇，校核洪水標準為50 a一遇。因夢港河兩岸堤防防護標準僅接近20 a一遇洪水標準，超此標準水流漫堤，因此加固前筒車橋節(jié)制閘僅定設(shè)計洪水標準為20 a一遇，設(shè)計泄流量116.50 m3/s。

加固后，筒車橋節(jié)制閘五孔過流，底板高程56.20 m，溢流總凈寬20.00 m，閘墩頂高程62.10 m；節(jié)制閘設(shè)計洪水標準為20 a一遇，設(shè)計泄流量237.30 m3/s，校核洪水標準為50 a一遇，設(shè)計泄流量305.40 m3/s，閘址處土堤頂高程62.10 m。

3.3 施工洪水位

(1)導(dǎo)流方式。針對本工程概況，采用在閘址處上下游修筑全斷面圍堰擋水，在右岸開挖導(dǎo)流渠,待工程完畢后回填封閉,導(dǎo)流渠為寬8.00 m,邊坡1∶1.5。

(2)工程導(dǎo)流能力。導(dǎo)流渠按明渠均勻流計算，結(jié)果如表3所示。

表3 導(dǎo)流渠流量計算結(jié)果

(3)施工洪水位。施工洪水位采用施工期洪峰流量查導(dǎo)流明渠水位流量關(guān)系曲線，得施工期施工洪水位成果，施工期為10月至次年2月，施工期流量為20.00 m3/s，施工洪水位為57.21 m。

3.4 灌溉流量分析

對灌區(qū)歷年綜合畝凈定額進行頻率分析，根據(jù)綜合畝凈定額頻率與設(shè)計頻率相近且灌水分配過程最不利及灌溉定額偏大的原則，選取設(shè)計典型年。最終選定灌溉設(shè)計保證率P=85%的典型年為2005年，綜合凈灌溉定額為7638 m3/hm2。

根據(jù)典型年各種作物旬用水過程分析，水稻在7月、8月出現(xiàn)用水高峰，P=85%的典型代表年的灌水率成果，最大灌水率出現(xiàn)在7月下旬，為0.110 m3/s·100 hm2，各月各旬灌水率變化較大，灌水持續(xù)時間不同，若按照計算的灌水率設(shè)計渠道供水，不但水量變化不均勻而且造成渠道斷面偏大，為此，按規(guī)范要求對灌水率進行修正，經(jīng)分析修正后灌區(qū)設(shè)計灌水率為0.090 m3/s·100 hm2,設(shè)計最小灌水率為0.027 m3/s·100 hm2[3]。

筒車橋水閘灌溉農(nóng)田約333.33 hm2，由于田間和渠道存在水量損失，故灌溉引用流量應(yīng)該考慮田間和渠道水量損失的影響，根據(jù)《灌溉與排水設(shè)計規(guī)范》(GB 50288—2018)，灌溉面積低于666.67 hm2的，渠系水利用系數(shù)需達到0.75，田間水利用系數(shù)0.95，因此按規(guī)范要求，灌溉水利用系數(shù)取值0.71，依據(jù)上述灌溉定額分析及設(shè)計灌水率分析成果，經(jīng)計算，設(shè)計灌溉面積333.33 hm2時，灌溉取水流量為0.424 m3/s。

由于筒車橋水閘灌溉渠道目前破損，存在漏水現(xiàn)象，現(xiàn)狀渠道通水條件不達標，灌溉水利用系數(shù)無法達到規(guī)范要求，因此現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)均取值0.50，經(jīng)計算，根據(jù)現(xiàn)狀渠道的通水條件，取水口灌溉取水流量需達0.602 m3/s。

3.5 除險加固工程布置和建筑物設(shè)計

(1)工程等級和標準。本次筒車橋節(jié)制閘除險加固工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。主要建筑物包括閘墩、溢流堰、上游鋪蓋、下游泄槽(即護坦)、上下游翼墻等。

由于本工程永久性水工建筑物的擋水高度低于15.00 m，且上下游水頭差小于10.00 m，洪水標準按平原、濱海區(qū)標準確定。筒車橋節(jié)制閘位于撫州市臨川區(qū)，地處丘陵地帶，且水閘上下游防洪標準較低，故水閘運用洪水標準采用規(guī)范的下限值。綜合考慮水閘總體布置、過閘流量、兩岸道路的連接等，確定各建筑物級別及洪水標準見表4。

表4 建筑物運用洪水標準

(2)水閘除險加固方案。鑒于筒車橋節(jié)制閘閘址位于夢港河河道約160°的彎道處，不滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2016)“節(jié)制閘或節(jié)制閘的軸線宜與河道中心線正交，其上、下游河道直線段長度不宜小于5倍水閘進口處水面寬度” 的要求，水流條件十分惡劣，同時現(xiàn)狀閘室段上、下游河道底板落差達1.80 m，因此改建方案采取將閘址下移，將可改善水流條件，同時閘址段過流斷面增加，可局部滿足防洪要求?？紤]閘址處兩岸防洪要求，同時對筒車橋下游至改建水閘之間的左右兩岸土堤進行加高培厚，以滿足防洪要求[4]。

左右兩岸灌溉取水口保持不變，僅根據(jù)土堤加高的需要進行適當接長，采用混凝土預(yù)制涵管型式。

該方案涉及閘孔的布置，根據(jù)采用閘孔宜采用奇數(shù)對稱布置的原則，采用3孔(每孔凈寬7.00 m)、5孔(每孔凈寬4.00 m)進行泄流能力計算，在滿足20 a一遇河道流量的前提下，5孔方案在結(jié)構(gòu)上更為經(jīng)濟，管理方便，本次推薦，即改建筒車橋節(jié)制閘為C25鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu),共5孔，每孔凈寬4.00 m，閘底板高程為56.20 m，厚1.00 m，閘中墩厚1.00 m，閘邊墩厚0.80 m，墩頂高程為62.10 m，工作閘門閘槽為0.40 m×0.25 m，檢修閘門閘槽為0.40 m×0.20 m，閘室垂直水流方向總凈寬20.00 m，順水流方向總長9.00 m。閘墩上布置C25混凝土工作閘門啟閉排架與檢修閘門啟閉長廊，均采用框架結(jié)構(gòu)型式，立柱斷面尺寸為0.50 m×0.50 m，排架由對稱的矩形縱梁連接，縱梁梁斷面尺寸為高寬0.50 m×0.80 m，橫梁斷面尺寸為0.30 m×0.50 m，啟閉排架上部設(shè)磚混凝土結(jié)構(gòu)啟閉房。

閘室進口設(shè)置C25混凝土鋪蓋, 閘室出口設(shè)置C25混凝土消力池與干砌石海漫, 進出口兩側(cè)采用C20混凝土擋土墻進行護岸。閘室左側(cè)布置管理房。閘門采用鋼閘門控制，螺桿機進行啟閉。

(3)閘型選定和加固設(shè)計?？紤]到本閘位于夢港河的上游，地處偏僻，作為農(nóng)田水利還是采用傳統(tǒng)的閘壩型式更為適合。因此本次設(shè)計仍采用設(shè)置露頂式鋼閘門擋水的閘壩型式。

考慮到現(xiàn)狀堤防防洪標準低，改建閘后，其安全超高不足，故本次對該段堤防進行加高加固。設(shè)計斷面為堤頂寬4.00 m，為泥結(jié)石路面，堤頂高程為62.10 m，臨、背水坡坡比均為1∶2.0，均為草皮護坡。

3 結(jié) 論

總的來講，水閘建設(shè)和除險加固至關(guān)重要，同時也會受到很多因素的影響，在具體的工程加固和除險過程中一定要因地制宜地從水閘實際情況出發(fā)，選擇合適的加固方案。本文以筒車橋水閘除險加固工程為例，在老閘下游60.00 m建新閘，新閘址附近的夢港河基本滿足行洪要求，但老閘的上游段的夢港河過流能力卻不能滿足要求，因此需要對夢港河兩岸圩堤進行必要的加高陪厚，以擴大夢港河河道的過流能力，使得工程真正達標，造福兩岸百姓。