前艾攔河閘除險加固工程設計

石 昊

(德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253000)

1 工程概況

前艾閘位于山東省德州市寧津縣前艾干溝柴胡店鎮(zhèn)前艾村東，寧津新河24+100處，建成于1980年5月。原閘總長55.5m，共設5孔，每孔凈寬3m。采用直升式鋼筋混凝土平板閘門，配有手搖單吊點螺桿式啟閉機5臺，啟閉力均為10噸∕臺。設計防洪流量113.1m3/s，相應閘上水位12.40m，排澇流量78.6m3/s，相應閘上水位11.48m，該閘設計蓄水量50萬m3，設計蓄水位11.20m，屬中型水閘。工程主要任務以攔蓄水源進行灌溉為主，兼顧水域生態(tài)環(huán)境等綜合利用，控制流域面積424.8km2，設計灌溉面積3萬畝。前艾閘為中型規(guī)模，工程等別為Ⅲ等，攔河主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，校核洪水標準為50年一遇。

2 工程安全復核

前艾閘建成運行近40年，蓄水灌溉效益顯著。由于運行時間較長，日常運行維護措施不到位，長期“帶病”運行。河道淤積、堤防破壞、建筑物老化等問題，致使河道排水能力明顯降低，工程效益連年降低，流域內澇災害逐年加??；整體混凝土強度偏低，碳化、脫落嚴重，最大碳化深度69mm，鋼筋外露銹蝕，嚴重影響結構安全和耐久性；排架柱、機架橋混凝土裂縫較多，鋼筋裸露銹蝕，承載能力不能滿足規(guī)范要求；閘門鋼筋混凝土開裂剝落，橡膠止水老化破損，閘門無法正常啟閉，啟閉機嚴重銹蝕，螺桿損壞；無觀測設備，無配套的電氣設備，無橋頭堡。前艾閘現(xiàn)存典型病險問題，如圖1所示。

圖1 前艾閘現(xiàn)存典型病險問題

根據(jù)《山東省海河流域防洪規(guī)劃》，前艾閘設計按寧津新河洪水標準進行河道治理及水位推算，防洪標準流量為113.1m3/s，底寬11m，防洪水位為12.40m；校核洪水標準按50年一遇，經(jīng)實測暴雨資料推求校核流量為165.8m3/s，相應校核水位為13.52m。原閘現(xiàn)狀排架柱、機架橋、閘墩、生產(chǎn)橋柱及蓋梁承載能力不滿足規(guī)范要求，基本失去功能；最高水位情況下，地基承載力不滿足要求，地基應力不均勻系數(shù)均大于規(guī)范允許值，閘室段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范規(guī)定值，不滿足要求；閘門混凝土碳化、脫落，鋼筋外露銹蝕嚴重，閘門整體強度均不滿足規(guī)范要求；閘門槽埋件銹蝕嚴重，止水橡皮老化嚴重，局部斷裂和缺損，漏水嚴重[1]。前艾閘現(xiàn)狀結構運用指標無法達到設計標準，工程存在嚴重安全問題，評定為四類水閘，需盡快報廢改建，以恢復水閘正常的農業(yè)灌溉和防洪排澇功能。

3 除險加固設計

前艾閘附交通橋連接周圍村莊，且閘管所位于閘附近，為保證兩岸交通道路的連接和管理方便，設計在原址(寧津新河樁號24+100處)直接拆除重建，不再易址。

3.1 拆除重建方案優(yōu)化比選

前艾閘為原閘址直接拆除重建，以恢復水閘攔蓄水源灌溉等功能效益。攔蓄工程水閘型式主要有提升閘、底軸翻板鋼閘、橡膠壩三種，現(xiàn)對這三種方案進行技術、經(jīng)濟等方面的比較，見表1。

表1 前艾閘閘型方案比選

設計優(yōu)選的3種閘型各有優(yōu)缺點，綜合考慮前艾閘的工程地質、流域水文和運行管理經(jīng)驗等因素，優(yōu)選工程投資適中、維修養(yǎng)護便捷、運行操作成熟的直升式平板閘方案。

3.2 總體布置

攔河閘布置在主河槽內，為4孔開敞式水閘，每孔凈寬4.0m。閘墩為C25鋼筋混凝土結構，中墩厚1.0m，邊墩厚1.0m，墩高6.4m。底板為C25鋼筋混凝土整體式底板，厚1.0m，順水向長12m，總寬21m。閘底板高程為6.7m，閘墩頂高程13.1m。設4m×5m工作閘門和檢修閘門，配卷揚式啟閉機和電動葫蘆，墩頂上游設凈寬0.7m的C30鋼筋混凝土檢修橋、高5.5m的C30鋼筋混凝土排架和4.0m寬的C30鋼筋混凝土機架橋，上設4.0m寬啟閉機房。閘墩頂設C30鋼筋混凝土交通橋，凈寬4.0m、長37m(包括兩岸各8m長橋頭搭板)，采用裝配式鋼筋混凝土空心板結構。閘室左岸設橋頭堡，橋頭堡共3層，6.12m×4.36m，設柴油發(fā)電機室、配電室、啟閉機集中控制室、滲壓集中觀測室等。前艾閘控制段簡圖，如圖2所示。

圖2 前艾攔河閘控制段簡圖

前艾攔河閘控制段上游連接段由鋪蓋、上游護坡組成。鋪蓋前兩側采用干砌石護坡，長6.0m。C25鋼筋混凝土鋪蓋兩段，分別長15.0、10.0m，寬均為19m，厚均為0.4m，兩岸采用C20鋼筋混凝土護坡及C25鋼筋混凝土圓弧擋土墻，圓弧擋土墻頂高程13.1m上游護坡頂高程11.7m。下游連接段由消力池、海漫、下游防沖槽及下游護坡組成。消能池為C25鋼筋混凝土結構，池深1.0m，寬20m，總長22.0m，底板厚0.5m，消力池兩側采用C25鋼筋混凝土圓弧擋土墻；其后為長30m的M10漿砌塊石海漫，海漫頂高程6.7m，護砌厚度0.4m，兩側采用干砌石護坡；海漫下游為拋石防沖槽，順水流長度為8.0m，拋石深度2.0m，兩側采用M10漿砌石護坡。下游護坡頂高程11.7m。

4 建筑物結構設計

4.1 過流能力分析

前艾攔河閘50年一遇設計防洪流量165.8m3/s，設計防洪水位13.52m，閘孔總凈寬16m，閘底板高程6.7m。上下游水位差0.13m時，閘孔可過流量168.56m3/s，大于設計流量165.8m3/s，水閘過流能力滿足50年一遇防洪標準流量設計要求。

4.2 改造前后雍水影響

前艾攔河閘改造前按20年一遇洪水標準設防；改造后按50年一遇洪水標準校核。采用平底閘堰流過流公式對河道行洪阻力進行分析[11- 13]，計算得前艾攔河閘改造前后對河道的壅水影響見表2。

從表2可知，前艾閘改造后壅水高度低于改造前，且經(jīng)與防洪規(guī)劃部門溝通，確定改造后的水閘壅水高度在允許范圍內。

4.3 消能防沖復核

水閘渠底寬11m，邊坡1∶3，比降1/14000，糙率選用0.025。最不利條件下，閘前可能出現(xiàn)最高水深為4.5m。根據(jù)閘門實際運用工況，確定閘門下游消能水力條件[14]。在開閘時，按閘門提起高度來計算，下泄一定流量；當開啟一孔閘門時為最不利工況，按照一孔先提起0.25、0.5、1，1.5m等高度進行消能分析，計算成果見表3。

參照SL265—2016《水閘設計規(guī)范》條文說明防沖槽計算值一般較大，如按條文計算值作為防沖槽深度，既不經(jīng)濟，施工也困難[15]。工程經(jīng)驗一般取防沖坑深度1.5～2.0m，前艾攔河閘防沖槽設計取槽深2m。根據(jù)表3計算成果，綜合考慮工程地質水文等特性并參照類似項目設計經(jīng)驗，設計優(yōu)選消能防沖設施尺寸為：閘門開度4.5m，消力池深度為1.0m，消力池長19.0m，消力池底板厚0.5m，海漫長30.0m，防沖槽深度2.0m。

4.4 閘室穩(wěn)定性分析

前艾閘為鋼筋混凝土開敞式中型水閘，閘室總長21.0m，設4孔4m×5m(寬×高)的平板鋼閘門。底板為鋼筋混凝土整體式底板。底板厚1.0m，順水向長12m。中墩厚1.0m，邊墩厚1.0m，墩高6.4m，為鋼筋混凝土結構，上設鋼筋混凝土排架、機架橋、檢修橋、交通橋及啟閉機房。閘室穩(wěn)定性分析計算工況為：①完建無水工況；②正常擋水工況:閘上游水位：11.20m，閘下游無水6.70m。按SL265—2016推薦公式[16]，計算得前艾攔河閘閘室順水流方向穩(wěn)定性分析成果見表4。

表2 前艾攔河閘改造前后壅水成果

表3 不同工況消力池水力特性計算成果

表4 閘室順水流方向穩(wěn)定性計算成果

從表4可知，不同運用工況下，閘室地基應力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范允許值[2.0]指標；正常擋水工況下，閘室段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算值3.0大于規(guī)范規(guī)定值[1.10]指標，滿足規(guī)范要求。不同運用工況下。地基承載力均小于允許值[80kPa]指標，不滿足規(guī)范要求。但平均基底應力接近地基承載力允許值，為保證工程安全，需對閘室地基進行加固處理，提高閘室段及上下游圓弧擋土墻地基承載力。采用水泥土攪拌樁進行加固處理，使地基承載力達到120kPa，滿足規(guī)范要求。

5 結論

通過對前艾攔河閘除險加固工程設計中的水閘病險現(xiàn)狀、閘址選擇、閘型比選和建筑物布置及結構性能進行論證分析，得出以下結論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場調查和安全復核計算成果，前艾攔河閘存在閘前淤積、結構穩(wěn)定性差、地基承載力低、止水設施老化滲漏嚴重、配套設施缺失等問題，評定為四類水閘，急需拆除重建，確保其蓄水灌溉功能正常穩(wěn)定發(fā)揮，增加運營經(jīng)濟效益。

(2)經(jīng)技術、經(jīng)濟等方面優(yōu)化比選，綜合考慮運行經(jīng)驗等因素，設計優(yōu)選投資適中、操作靈活和工程適應性較強的原閘址拆除重建方案和直升式平板閘閘型。

(3)水閘過流能力及穩(wěn)定性計算成果表明，改造后閘孔凈寬增加，壅水高度降低，行洪過流通暢；采用水泥土攪拌樁進行加固處理，水閘地基承載力、地基應力不均勻系數(shù)和抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求，整體安全可靠。