徒駭河干流南營節(jié)制閘除險加固設計

李江波，熊繼斌，李海洋

(德州市水利勘察設計研究院，山東 德州 253000)

1 工程概況

南營閘位于山東省禹城市十里望鄉(xiāng)南營村徒駭河干流186+950里程處，建于1969年[1]，為17孔鋼筋混凝土開敞式Ⅲ等3級中型閘。改造后水閘總長125.50 m，閘孔凈寬102.00 m。設計防洪流量955.60 m3/s，相應閘上水位22.08 m(黃海高程，下同)；排澇流量618.00 m3/s，相應閘上水位20.63 m。設計蓄水位20.52 m，蓄水量770.00萬m3，最大蓄水量910.00萬m3，年調(diào)節(jié)水量4000.00萬m3。工程任務為蓄水灌溉為主，兼顧防洪、排澇和工業(yè)用水等功能。

2 工程病險現(xiàn)狀及安全復核

南營閘運行已50年，在蓄水灌溉、防洪排澇上發(fā)揮了良好的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。但由于服役時間長，水閘一些特征指標不符合現(xiàn)有規(guī)范標準，工程存在較多安全隱患且呈逐年惡化趨勢[2]。上下游河槽淤積嚴重、護坡滲水明流、閘墩混凝土裂縫及碳化凍融剝蝕、鋼筋外露銹蝕和閘門銹蝕變形等，嚴重影響水閘的運行安全。南營閘主要病險問題如圖1所示。

圖1 南營閘主要病險問題

根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》，2000年山東省水利科學研究院對南營閘進行了安全鑒定,結(jié)果表明：①上下游河道淤積：南營閘的過流能力滿足行洪和排澇要求。但徒駭河干流地處魯北平原，土壤多為粉細砂，泥沙和引黃客沙對上下游河道造成淤積。②排水設施失效：閘上游止水和閘下游反濾排水設施存在失效問題，造成閘基滲透變形坡降偏大和下游護坦抗浮能力不足。兩岸下游漿砌石護坡變形塌陷嚴重，閘室兩岸和閘基滲流嚴重[3]，閘基滲流絕對異常值達46 mV，已產(chǎn)生滲透變形。③混凝土碳化及鋼筋銹蝕：混凝土裂縫、碳化、剝蝕嚴重，鋼筋裸露并銹蝕，部分出現(xiàn)在受力區(qū)，對結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。④閘門銹蝕變形：閘門銹蝕、變形嚴重，止水橡皮老化，附件老化、銹蝕嚴重，閘門啟閉困難。

南營閘超期運行，運用指標達不到設計標準，工程存在嚴重損壞，評定為三類水閘，急需采取合理的除險加固措施進行處理，以恢復其正常的蓄水灌溉、防洪排澇及生態(tài)環(huán)保等功能效益。

3 南營閘除險加固設計

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，南營閘工程建筑物等別為Ⅲ等，節(jié)制閘為3級建筑物。50 a一遇防洪標準：流量955.60 m3/s；底寬118.00 m，水位22.08 m。

3.1 閘墩加固方案優(yōu)化比選

南營閘安全復核計算表明：水閘行洪及排澇過流能力、二道消力坎消能防沖性能、閘基抗?jié)B穩(wěn)定、閘室抗滑穩(wěn)定和閘墩結(jié)構(gòu)強度及剛度等均滿足規(guī)范要求。但由于水閘服役時間較長，加上日常維護措施欠落實，混凝土碳化、剝落，鋼筋銹蝕等損壞嚴重，存在較大安全隱患[4-5]。設計優(yōu)選原閘墩聚合物砂漿加固修復和拆除重建兩種除險加固方案進行比選，如表1所示。

表1 閘墩除險加固方案

從表1可以看出，兩種閘墩加固處理方案均能排除水閘現(xiàn)有險情，確保其功能正常穩(wěn)定發(fā)揮。閘墩拆除重建方案雖比原閘墩加固處理方案投資大，但在施工技術(shù)難度、施工質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運行檢修和使用壽命等方面具有較大優(yōu)越性，故優(yōu)選閘墩拆除重建方案。

3.2 水閘構(gòu)建物布置

南營閘改造包括閘室控制段和上下游連接段。按50 a一遇防洪標準設防，設計蓄水位20.52 m(對應蓄水量770.00萬m3)，最大蓄水位21.02 m(對應蓄水量910.00萬m3)，設計排澇流量618.00 m3/s(對應水位20.63 m)，設計防洪流量955.60 m3/s(對應水位22.08 m)。

3.2.1 閘室布置

除險加固將底板以上閘墩、排架、機架橋拆除重建，共17孔，每孔凈寬6.00 m，多連孔中墩厚1.00 m，縫墩厚0.75 m，邊墩厚1.00 m，總寬125.50 m。底板為整體式底板，共分六聯(lián)，底板厚1.50 m，順水向長13.00 m，底板頂高程為16.02 m，閘墩頂高程22.62 m。安裝6.00 m×5.00 m雙吊點平板鋼閘門，其上游設檢修工作門槽，配鋼結(jié)構(gòu)疊梁平板門；上游設凈寬1.00 m工作橋，中部相對閘門槽兩側(cè)設二根鋼筋混凝土排架柱；其頂設機架橋，上設啟閉機房，在排架柱上高程26.22 m處設檢修門吊車梁牛腿，兩側(cè)設橋頭堡；重建交通橋，橋?qū)挒?.50 m。

3.2.2 防滲排水布置

更換原水閘止水，在閘底板距離上游齒墻內(nèi)側(cè)20.00 cm處設高壓噴射帷幕灌漿，孔距1.50 m，孔深10.00 m，用于增加滲徑，提高滲透穩(wěn)定性[6]；在閘底板下設壓力灌漿，孔距2.00 m，孔深3.00 m，梅花狀布置，用以提高地基承載力，提高抗?jié)B穩(wěn)定性；反濾層及蓋板更換。

3.2.3 兩岸連接布置

為增加繞滲的滲徑，提高滲透穩(wěn)定性，在閘室上、下游兩岸分別設C25鋼筋混凝土翼墻，翼墻圓弧半徑10.00 m，斷面為扶臂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，翼墻頂高程為22.62 m，翼墻頂設安全護欄，墻后回填黏性土，閘室下游墻面設PVC排水管及反濾層。

3.2.4 上游連接段布置

閘室上游將原漿砌石鋪蓋更換為長20.00 m厚50.00 cm鋼筋混凝土鋪蓋；將原三合土鋪蓋更換為長10.00 m厚40.00 cm漿砌石鋪蓋；將原黏土護坡和三合土護坡更換為長20.00 m厚30.00 cm 漿砌石護坡；將原漿砌石護坡更換為長20.00 m 厚40.00 cm鋼筋混凝土護坡。

3.2.5 消能防沖布置

水閘采用底流式水躍消能，在下游布置16.00 m 鋼筋混凝土消力池，厚50.00 cm，二道坎型式,一級齒坎高1.00 m,二級齒坎高0.60 m；15.00 m漿砌石海漫，厚40.00 cm；8.00 m拋亂石防沖槽，倒梯形，槽深1.50 m，底寬6.00 m。經(jīng)多年運行，護坦混凝土剝蝕、凍融破壞嚴重，海漫及防沖槽沖蝕嚴重。設計采用甲丙乳砂漿對護坦混凝土進行補強，維修海漫、防沖槽及下游漿砌石護坡。

4 水閘構(gòu)建物設計計算

4.1 行洪泄流能力分析

設計防洪流量955.60 m3/s，防洪水位22.08 m，閘孔總凈寬B0=102.00 m，相應閘前水深h=22.08-16.02=6.06 m。當上下游水位差Z=0.15 m時，水閘最大可過流量為1016.35 m3/s，大于50 a一遇設計防洪流量955.60 m3/s，行洪排澇安全可靠性高。

4.2 消能防沖計算

南營閘屬于平原地區(qū)水閘，行洪排澇期間全部閘孔閘門敞開，閘室上下游水位差很小，閘下游消能不是危險情況。由于水閘孔數(shù)較多，要全部閘孔齊步開啟，不易做到。部分閘孔開啟是下游消能最危險的工況，要控制開啟速度和開度(每次增加開度不得超過0.50 m)，以求下游水位接近相應流量。水閘消能防沖計算成果，如表2所示。

表2 水閘消能防沖計算成果 m

從表2可知，現(xiàn)狀消力池池長、坎高及底板厚和海漫長度均滿足設計規(guī)范要求。防沖槽深度現(xiàn)狀值不滿足計算值要求，計算值明顯偏大。但根據(jù)經(jīng)驗一般取防沖坑深度1.50～2.00 m，現(xiàn)狀1.50 m 槽深滿足實際需求，無需額外加厚。

4.3 閘室穩(wěn)定性分析

南營閘為鋼筋混凝土開敞式中型節(jié)制閘，閘室總寬125.50 m，設17孔6.00 m×5.00 m(寬×高)的平板鋼閘門。底板為鋼筋混凝土整體式底板，共分六聯(lián)。底板厚1.50 m，順水向長13.00 m。多連孔中墩厚1.00 m，縫墩厚0.75 m，邊墩厚1.00 m，墩高6.60 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)《水閘設計規(guī)范》，閘室穩(wěn)定性分析計算工況為：①完建工況:無水；②校核工況:閘上游水位：21.02 m，閘下游無水16.02 m。③地震工況：正常擋水時期閘門全關，遭遇強震。穩(wěn)定性分析主要計算閘室地基承載力及抗滑穩(wěn)定系數(shù)，如表3和表4所示。

南營閘為3級建筑物，其沿閘室底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值基本組合時為1.25，特殊組合時為1.10。從表3和表4可知，各工況條件下，閘室地基應力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范允許值，閘室段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。校核工況及地震工況下，閘室邊聯(lián)地基承載力均不滿足規(guī)范要求，設計采用壓力灌漿對底板進行加固處理，并嚴格控制灌漿質(zhì)量，使地基承載力達到150.00 kPa，以改善底部受力，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

表3 順水流向中聯(lián)計算成果

表4 順水流向邊聯(lián)計算成果

5 結(jié) 語

南營節(jié)制閘是徒駭河流域干流重要的蓄水灌溉和防洪排澇的中型水閘，由于近50年的超期服役，加上未經(jīng)系統(tǒng)病險調(diào)查及修復處理，水閘存在上下游河槽淤積、上游止水及下游反濾設施失效、漿砌石護坡變形塌陷、閘基及閘室滲透失穩(wěn)、閘墩混凝土裂縫及碳化剝落、閘門銹蝕變形等病險問題，急需通過合理除險加固改造以恢復水閘功能效益。結(jié)合水閘安全復核成果，綜合考慮病險現(xiàn)狀、工程地質(zhì)條件和運行管理需求，設計優(yōu)選原閘址閘墩拆除重建方案，能有效提高水閘防洪標準和行洪泄流能力，確保其具有較好的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益。