淺談鐘灣閘除險(xiǎn)加固工程方案比選

陳金武

（桐城市大沙河管理委員會(huì)辦公室，安徽 桐城 231400）

節(jié)制閘和實(shí)體堰都是常見(jiàn)的水工建筑物，都有調(diào)節(jié)上下游水位，控制下泄流量的作用。建設(shè)節(jié)制閘相對(duì)來(lái)說(shuō)工程量比較大，除了土建項(xiàng)目外還有機(jī)電設(shè)備，所以投資較多，但是節(jié)制閘相比實(shí)體堰自動(dòng)化程度高，可通過(guò)開(kāi)啟閘門(mén)孔數(shù)及高度來(lái)調(diào)節(jié)水位，后期維護(hù)也方便，蓄水功能較好，而且實(shí)體堰堰型易受地形、地質(zhì)等因素的制約[1]。因此在除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，就需要針對(duì)具體工程實(shí)際來(lái)選擇節(jié)制閘和實(shí)體堰的設(shè)計(jì)方案。本文以鐘灣閘除險(xiǎn)加固工程為研究對(duì)象，對(duì)節(jié)制閘和實(shí)體堰方案進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

鐘灣閘位于長(zhǎng)江北岸的菜子湖流域龍眠河故道上，閘址座落在桐城市金神鎮(zhèn)包圩村境內(nèi)，是一座集蓄水灌溉、排洪、交通為一體的綜合性水利工程。

該閘初建于1964年，續(xù)建于1987年，其結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式圬工結(jié)構(gòu)節(jié)制閘，共16孔，閘頂高程（橋面）15.6 m。其中左側(cè)1#～5#孔為淺孔閘，閘底板高程12.5 m，單孔凈寬2.1 m；中間6#～8#孔為深孔閘，閘底板高程11.0 m，其中6#、7#孔單孔凈寬2.2 m，第8孔凈寬4.0 m；右側(cè)9～16孔為無(wú)控制堰閘形式，閘底板（堰頂）高程12.3 m，單孔寬3.5 m。運(yùn)行40多年來(lái)，工程年久失修，老化現(xiàn)象嚴(yán)重。所以需要對(duì)其除險(xiǎn)加固。

2 鐘灣閘現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

該閘初建于1964年，續(xù)建于1987年，運(yùn)行40多年來(lái)，工程年久失修，老化現(xiàn)象嚴(yán)重，且該閘在建設(shè)初期因受到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，施工質(zhì)量難以得到保證，存在著不同程度的安全隱患。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查及復(fù)核，工程現(xiàn)狀存在問(wèn)題如下：

（1）工程為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)，水閘安全超高下限值及閘頂高程計(jì)算值見(jiàn)表1、表2。由表1、表2可知，閘頂高程應(yīng)不低于17.48 m，而目前閘頂高程為15.6 m，不滿足規(guī)范要求。

表1 水閘安全超高下限值 單位：m

表2 閘頂高程復(fù)核計(jì)算表 單位：m

（2）閘室為圬工結(jié)構(gòu)，砌體老化、砌筑砂漿多處脫落，損壞嚴(yán)重，強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。

（3）下游消力池水毀嚴(yán)重，無(wú)海漫及防沖槽，上、下游連接段翼墻損壞嚴(yán)重。

（4）交通橋兩側(cè)欄桿局部倒塌，中間第8孔橋面板采用圓木拼接，已腐朽，存在交通安全隱患。

（5）閘門(mén)及啟閉設(shè)施損壞或缺失：左起第8#孔閘門(mén)缺失、1#～7#孔預(yù)制砼板門(mén)露筋、斷裂；左側(cè)1#～5#孔啟閉機(jī)損壞、6#～7#孔啟閉機(jī)失靈，無(wú)法運(yùn)行，8#孔無(wú)啟閉機(jī)。

3 工程設(shè)計(jì)方案

針對(duì)現(xiàn)狀鐘灣閘存在的問(wèn)題，本次工程拆除重建方案選用以下兩個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.1 方案一：開(kāi)敞式節(jié)制閘

節(jié)制閘主體由閘室、兩岸及上下游連接建筑物組成[2]，連接建筑物包括上下游翼墻、兩岸護(hù)坡、護(hù)底、鋪蓋、消力池、海漫及防沖槽等。

閘室結(jié)構(gòu)為開(kāi)敞式。閘室垂直水流向過(guò)水凈寬34.0 m，總寬41.1 m，底板高程11.0 m，閘頂高程18.0 m。閘室共5孔，單孔凈寬5.0 m，設(shè)平面定輪鋼閘門(mén)，啟閉機(jī)控制，兩側(cè)橋頭堡以下為無(wú)控制堰閘型式，堰頂高程12.8 m，堰寬4.5 m。閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)13.5 m，上部順?biāo)饕来瞬贾糜袡z修平臺(tái)、啟閉機(jī)臺(tái)和交通橋。

閘室上游順?biāo)飨蛞来卧O(shè)有7.5 m長(zhǎng)干砌石護(hù)底、7.5 m長(zhǎng)漿砌石護(hù)底及15 m長(zhǎng)鋼筋砼鋪蓋，兩側(cè)翼墻為鋼筋砼懸壁式擋土墻。閘室下游兩側(cè)翼墻為鋼筋砼懸臂式擋土墻，下游消力池長(zhǎng)15 m，池底高程10.5 m，消力池后接15 m長(zhǎng)漿砌石海漫、5 m長(zhǎng)干砌石海漫，海漫末端接堆石防沖槽。

3.2 方案二：實(shí)體堰

堰體采用WES型式，堰頂高程12.8 m，堰底板高程11.0 m。通過(guò)計(jì)算得堰寬為46.8 m，取堰寬48 m，又由于現(xiàn)狀鐘灣閘有交通要求，堰頂需架設(shè)交通橋，交通橋?qū)?.5 m。其中車(chē)道寬4.5 m，兩側(cè)人行道寬1.0 m），橋面高程18.0 m。堰體分為4孔，每孔12 m，邊墩厚1.2 m，中墩厚1.0 m，堰體底板厚0.8 m。堰體順?biāo)飨蜷L(zhǎng)7.7 m，上游鋼筋砼鋪蓋長(zhǎng)15 m，下游消力池長(zhǎng)15 m，池底高程10.5 m，漿砌石海漫長(zhǎng)20 m，海漫后接堆石防沖槽。

4 節(jié)制閘和實(shí)體堰方案比較

4.1 節(jié)制閘和實(shí)體堰過(guò)流能力比較4.1.1 節(jié)制閘方案過(guò)流能力計(jì)算

泄洪工況下，考慮閘門(mén)全部開(kāi)啟，兩側(cè)橋頭堡下實(shí)體堰參與泄洪，設(shè)計(jì)流量Q引=173 m3/s，下游水位15.99 m，水深H上=4.99 m。

高淹沒(méi)度時(shí)，可采用公式：

式中：Q為過(guò)閘流量，m3/s；B為閘孔總凈寬，m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m；σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；μ0為淹沒(méi)堰流的綜合流量系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)，可采用0.385。

假定過(guò)閘落差Δ=0.1 m，則下游水深H上=16.09 m，hs/H=0.98，則 μ0=0.986。此時(shí)計(jì)算得Q1=173.29 m3/s，滿足要求。兩側(cè)實(shí)體堰過(guò)流能力計(jì)算按方案二公式計(jì)算得Q1=33.99 m3/s，則Q總=207.28 m3/s。

4.1.2 實(shí)體堰方案過(guò)流能力計(jì)算

溢流堰過(guò)流計(jì)算時(shí)，仍采用試算方法，其中堰上下游水位與閘上下游水位一致，即H堰上=H閘上、H堰下=H閘下。

式中：Q為過(guò)閘流量，m3/s；B為閘孔總凈寬，m；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m；σc為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒(méi)系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)。

通過(guò)試算，20年一遇設(shè)計(jì)工況下對(duì)應(yīng)流量及水位見(jiàn)表3。由表3可知：①過(guò)流落差相同時(shí)，兩種方案過(guò)水面積相近，均接近于現(xiàn)狀過(guò)水面積；②相同設(shè)計(jì)條件下，節(jié)制閘方案過(guò)流優(yōu)于實(shí)體堰方案。

表3 計(jì)算成果表

4.2 節(jié)制閘和實(shí)體堰投資比較

節(jié)制閘和實(shí)體堰的工程量及投資見(jiàn)表4。從表4可知：建設(shè)節(jié)制閘的投資將近是建設(shè)實(shí)體堰投資的1.6倍。主要因?yàn)楣?jié)制閘相比實(shí)體堰主體工程量要大，實(shí)體堰只有土建項(xiàng)目，而節(jié)制閘不僅有土建項(xiàng)目，還有金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備。另外，土建項(xiàng)目中，節(jié)制閘要比實(shí)體堰項(xiàng)目多，且土建項(xiàng)目更大。

表4 投資比較表

4.3 方案選取

兩種方案初步從優(yōu)缺及投資方面進(jìn)行比較，見(jiàn)表5。

表5 節(jié)制閘和實(shí)體堰優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

由表5可知：節(jié)制閘方案投資相對(duì)較高，實(shí)體堰成本較低；節(jié)制閘方案自動(dòng)化程度高，可通過(guò)開(kāi)啟閘門(mén)孔數(shù)及高度來(lái)調(diào)節(jié)水位，后期維護(hù)也方便，且過(guò)流能力優(yōu)于實(shí)體堰方案，而實(shí)體堰方案不能自由調(diào)節(jié)水位高度；另外，該樞紐的主要功能為蓄水，兩方案中，節(jié)制閘在后期運(yùn)用中，維護(hù)方便，且最能有效保障蓄水功能；綜合考慮，本次鐘灣閘拆除重建工程最終選取開(kāi)敞式節(jié)制閘方案。

5 結(jié)論

本文以桐城市鐘灣閘除險(xiǎn)加固工程為研究對(duì)象，結(jié)合具體情況，通過(guò)對(duì)節(jié)制閘和實(shí)體堰的過(guò)流能力、投資、后期維護(hù)和蓄水保障功能等方面的考慮，在這兩個(gè)方案中進(jìn)行比選，最終選擇更加適合鐘灣閘的節(jié)制閘方案。