馬頰河仙人橋閘除險(xiǎn)加固方案比選及水力計(jì)算

范立群，任高珊，宋文燕

(德州市水利局，山東 德州 253000)

1 工程概況

仙人橋閘位于山東省德州市陵城區(qū)馬頰河干流167+520處，馬頰河分洪道口以下30 m處，興建于1970年4月，1970年9月竣工，為3孔開敞式鋼筋混凝土框架式，設(shè)升臥式平板鋼閘門。除險(xiǎn)加固前，原閘總長(zhǎng)34.8 m，凈寬30 m,每孔凈寬10 m，閘底板高程14.30 m。設(shè)計(jì)防洪流量318 m3/s，相應(yīng)閘上水位20.32 m；排澇流量283 m3/s，相應(yīng)閘上水位19.45 m。設(shè)計(jì)蓄水量418萬(wàn)m3，屬中型水閘。主要工程任務(wù)為蓄水灌溉和防洪排澇，設(shè)計(jì)灌溉面積0.27萬(wàn)hm2，控制流域面積4869 km2，實(shí)際灌溉面積0.13萬(wàn)hm2。水閘設(shè)計(jì)最大過(guò)閘流量為455 m3/s，為3級(jí)水工建筑物。

2 水閘病險(xiǎn)現(xiàn)狀及安全復(fù)核

仙人橋閘投運(yùn)已50余年，在農(nóng)業(yè)灌溉、防洪除澇等方面均發(fā)揮非常大的作用，取得顯著效益。安全復(fù)核結(jié)果表明水閘過(guò)流、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和閘室抗滑穩(wěn)定等滿足要求，但由于受服役年限長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、養(yǎng)護(hù)不到位等因素制約，水閘長(zhǎng)期“帶病超期超載”服役，存在嚴(yán)重安全問(wèn)題[1-2]，即：閘上、下游淤積嚴(yán)重，現(xiàn)狀分洪能力不足；混凝土結(jié)構(gòu)老化、強(qiáng)度低，鋼筋銹蝕嚴(yán)重；消能防沖設(shè)施損毀，上下游護(hù)坡部分脫落坍塌；水閘滲透變形，下游護(hù)坡塌陷等病險(xiǎn)問(wèn)題，亟須進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

根據(jù)《山東省海河流域綜合規(guī)劃》，仙人橋閘50 a一遇洪水過(guò)閘流量確定為455 m3/s，水閘現(xiàn)狀能力滿足要求。但由于閘上(下)游淤積、主體結(jié)構(gòu)老化、消能防滲設(shè)施損毀等問(wèn)題，嚴(yán)重制約水閘興利效益的發(fā)揮[3]。經(jīng)安全檢測(cè)復(fù)核，工程存在嚴(yán)重安全問(wèn)題，鑒定為三類閘，需進(jìn)行除險(xiǎn)加固，以恢復(fù)水閘蓄水灌溉、防洪除澇和生態(tài)景觀等運(yùn)用功能及效益。

3 水閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘及安全鑒定結(jié)果，仙人橋閘現(xiàn)狀閘址優(yōu)良，原閘址除險(xiǎn)加固方案為最佳方案。水閘除險(xiǎn)加固工程按50 a一遇馬頰河下泄流量846 m3/s，過(guò)閘流量455 m3/s，擋水高度5.00 m，3級(jí)水工建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 除險(xiǎn)加固方案比選

仙人橋閘為原閘址處拆除改建。綜合考慮地形地質(zhì)適宜性、施工組織、運(yùn)行管理等因素[4]，設(shè)計(jì)優(yōu)選2個(gè)方案(原址改建5孔、原址改建3孔)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行對(duì)比分析，比選結(jié)果如表1所示。

表1 除險(xiǎn)加固方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果

從表1可知，原址改建3孔方案基本沿用原水閘主體結(jié)構(gòu)，原水閘已歷經(jīng)50余年的服役及多次大洪水考驗(yàn)，水閘結(jié)構(gòu)形式安全耐用，耐久性與原址改建5孔方案相當(dāng)；3孔方案閘門數(shù)量少、啟閉運(yùn)行管理靈活方便；兩個(gè)方案均能在洪水末尾及時(shí)攔蓄尾水，蓄水保證率高，更好補(bǔ)源地下水。另外，3孔方案雖施工難度較5孔方案大，但其投資僅1074.43萬(wàn)元，相比5孔方案的2809.60萬(wàn)元要少1735.17萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益更高。因此，設(shè)計(jì)推薦優(yōu)選與工程匹配性更高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的原址改建3孔方案。

3.2 水閘構(gòu)建物布置

仙人橋閘校核洪水位上游(P=2%)為20.44 m，下游為20.12 m，相應(yīng)最大過(guò)閘流量455 m3/s；設(shè)計(jì)洪水位上游(P=5%)為20.25 m，下游為20.12 m，相應(yīng)最大過(guò)閘流量318 m3/s；設(shè)計(jì)擋水水位19.30 m，擋水高度5.00 m。

改建的仙人橋閘采用鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu)，共3孔，每孔凈寬10 m，接長(zhǎng)原有閘室中墩，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.2 m，閘室總寬34.8 m，順?biāo)蜷L(zhǎng)14.0 m，底板頂高程14.3 m。底板采用原閘底板，并進(jìn)行加固維修處理。閘墩頂高程21.3 m，閘墩頂部從上游至下游依次設(shè)置檢修橋、檢修門槽、工作門槽及交通橋。閘墩頂設(shè)鋼筋混凝土排架柱，頂高程27.8 m；排架頂設(shè)機(jī)架橋，機(jī)架橋頂高程 28.8 m，閘室左側(cè)(北岸)設(shè)橋頭堡，寬7.2 m，長(zhǎng)7.0 m。閘室兩側(cè)設(shè)橋頭堡，橋頭堡基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁。維修上、下游現(xiàn)狀破損漿砌石護(hù)坡，原有漿砌石護(hù)坡進(jìn)行勾縫加固處理。原海漫、防沖槽全部保留，并對(duì)破損部分進(jìn)行修復(fù)加固。新建閘室與原閘底板之間進(jìn)行鑿毛處理，并敷設(shè)鋼筋網(wǎng)，并采用C30混凝土重新澆筑頂面。主體結(jié)構(gòu)混凝土外漏面利用防腐涂料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)防腐處理。

4 水閘水力計(jì)算

4.1 過(guò)流能力分析

按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)中寬頂堰淹沒公式[5]，對(duì)改建的水閘過(guò)流能力進(jìn)行演算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 仙人橋閘過(guò)流能力復(fù)核成果

根據(jù)表2計(jì)算成果知：校核洪水工況閘前水位20.44 m時(shí)，水閘過(guò)流能力為455.93 m3/s；設(shè)計(jì)洪水工況閘前水位20.25 m時(shí)，水閘過(guò)流能力為 321.19 m3/s?，F(xiàn)狀情況下50 a一遇閘上洪水位較設(shè)計(jì)規(guī)劃要高190 mm，馬頰河馬才老河閘段局部水位會(huì)出現(xiàn)雍高。查看《山東省海河流域綜合規(guī)劃》，仙人橋閘所處的馬頰河干流河道其現(xiàn)狀堤防高度能夠滿足洪水超高要求，即在閘孔總凈寬選定為30 m的情況下，設(shè)計(jì)洪水工況閘前水位雖略高于正常蓄水位，但由于河道堤防的整體防護(hù)，上游淹沒損失非常小。因此，為最大程度發(fā)揮仙人橋閘除險(xiǎn)加固工程效益，閘孔總凈寬維持原來(lái)的30 m基本合適，基本符合規(guī)范指標(biāo)要求。

4.2 閘頂高程確定

閘頂高程應(yīng)根據(jù)水閘擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定[6]。擋水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高之和；泄水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位(或校核洪水位)與相應(yīng)安全超高之和。根據(jù)規(guī)范SL 265—2016，分析得閘頂高程計(jì)算成果，如表3所示。

表3 閘頂高程計(jì)算成果 m

根據(jù)表3計(jì)算成果知：閘墩頂高程應(yīng)不小于20.95 m，取閘墩頂高程21.30 m，滿足規(guī)范要求；依據(jù)規(guī)范SL 265—2016，檢修橋和生產(chǎn)橋的梁(板)底高程均應(yīng)高出最高洪水位0.5 m以上，下游50 a一遇校核洪水位為20.12 m，則生產(chǎn)橋的梁(板)底高程最小高程不應(yīng)低于20.62 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)橋底高程為20.90 m，生產(chǎn)橋板厚0.7 m，鋪裝厚18 cm，綜合確定交通橋頂高程為21.80 m。上游最高洪水位為20.44 m，則檢修橋梁底高程不應(yīng)低于20.94 m，設(shè)計(jì)檢修橋底高程確定為閘墩頂高程21.30 m，滿足規(guī)范要求。

4.3 消能防沖

閘門局部開啟時(shí)，下泄流量較小，下游水位不高，閘下泄流速度較大，會(huì)對(duì)下游河床造成嚴(yán)重沖刷，故僅對(duì)水閘最高擋水位時(shí)，閘門部分開啟工況進(jìn)行消能工復(fù)核。為保證無(wú)論何種開啟高度的情況下，均能發(fā)生淹沒式水躍消能，采用閘前正常水深H=5.5 m，開1孔、3 孔。閘門按照1.1 m高度差逐級(jí)提升，計(jì)算得消力池特性參數(shù)分析結(jié)果，如表4所示。

表4 消力池特性參數(shù)分析結(jié)果

根據(jù)表4計(jì)算成果，結(jié)合仙人橋閘工程特性并參照同類已建工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定消力池采用綜合式消力池，下挖深1.0 m，總長(zhǎng)度20.0 m，厚0.6 m；消力池首部采用1∶4斜坡，平直段消力池高程13.3 m。仙人橋閘原設(shè)置15.0 m長(zhǎng)干砌塊石海漫，干砌塊石海漫至改建后C30鋼筋混凝土消力池末端長(zhǎng)度達(dá)20.0 m，原設(shè)計(jì)海漫長(zhǎng)度符合要求。仙人橋閘原拋石防沖槽順?biāo)飨蜷L(zhǎng)10.0 m，深度為2.0 m，滿足構(gòu)造要求。除險(xiǎn)加固工程考慮采用格賓網(wǎng)墊進(jìn)行防護(hù)，防沖槽石塊單塊重量不低于50 kg。

4.4 穩(wěn)定性分析

仙人橋閘為鋼筋混凝土開敞式中型水閘，設(shè)3孔10.0 m×5.5 m(寬×高)的平板鋼閘門，閘門底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)14.0 m，承臺(tái)寬5.0 m，其底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩高7.0 m，厚1.2 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定性分析計(jì)算工況為：①完建期工況:上、下游水位平閘底板，閘前閘后水位均為14.30 m。荷載組合：設(shè)備重+結(jié)構(gòu)自重+土壓力+活荷載+揚(yáng)壓力。②設(shè)計(jì)洪水位工況:閘門全開，閘前設(shè)計(jì)洪水位20.25 m，閘后相應(yīng)水位20.12 m。荷載組合：設(shè)備重+結(jié)構(gòu)自重+風(fēng)荷載+浪荷載+活荷載+土壓力+閘上水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力。③校核洪水位工況：閘門全開，閘前校核洪水位20.44 m，閘后相應(yīng)水位20.12 m。荷載組合：設(shè)備重+結(jié)構(gòu)自重+風(fēng)荷載+浪荷載+土壓力+閘上水重+靜水壓力+揚(yáng)壓力。中墩和邊墩穩(wěn)定性分析結(jié)果，如表5和表6所示。

表5 中墩穩(wěn)定性分析結(jié)果

表6 邊墩穩(wěn)定性分析結(jié)果

根據(jù)表5和表6計(jì)算成果知：邊墩、中墩的地基應(yīng)力不均勻系數(shù)及抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。但邊墩、中墩的基底應(yīng)力均大于地基承載力允許值80 kPa指標(biāo)要求，最大值甚至在地基承載力允許值的2倍以上，不滿足地基承載力要求，需進(jìn)行地基處理才能達(dá)到地基應(yīng)力要求。采用鉆孔鋼筋混凝土灌注樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，即：中墩樁，梅花型布置，深13.0 m共5根，深11.0 m共9根；邊墩樁，梅花型布置，深16.0 m共7根，深18.5 m共7根進(jìn)行樁基處理后，地基承載力滿足100 kPa允許值要求。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)仙人橋閘除險(xiǎn)加固技改方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行論證分析，主要取得如下結(jié)論：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和安全鑒定復(fù)核成果，仙人橋閘屬長(zhǎng)期“帶病超期超載”服役的病險(xiǎn)水閘，水閘運(yùn)用指標(biāo)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，存在嚴(yán)重的安全問(wèn)題，被鑒定為三類水閘，急需進(jìn)行除險(xiǎn)加固消除病險(xiǎn)隱患，確保其功能和效益穩(wěn)定發(fā)揮。

(2)綜合考慮水閘病險(xiǎn)現(xiàn)狀、主體結(jié)構(gòu)性能、運(yùn)行維護(hù)和工程投資等條件，優(yōu)選與工程實(shí)際相匹配的原閘址3孔改建方案。

(3)水力計(jì)算及穩(wěn)定性分析成果表明，原閘址3孔改建方案合理可行。工程實(shí)施后，水閘的擋蓄水和泄洪能力將得到提高，同時(shí)可為德州地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)景觀等提供水源保障和條件。