沭新退水閘閘室結(jié)構(gòu)方案分析

岳彬彬，徐 瑋

（江蘇省淮沭新河管理處,江蘇 淮安 223001）

1 引言

水閘在長期使用過程中,可出現(xiàn)不同程度的破損,將對水閘效益的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響。一般情況下,水閘承擔(dān)著防洪、灌溉等重要作用[1-3]。一旦水閘失效可能造成嚴(yán)重的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)問題,后果不可小覷。因此,針對病險(xiǎn)水閘采取除險(xiǎn)加固工程治理是十分重要的。合理選取閘址、閘室結(jié)構(gòu),可降低工程投資,利于后期運(yùn)行期間的管護(hù),具有十分重要的意義[4-6]。結(jié)合沭新退水閘拆建工程,對閘址方案比選以及閘室結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析,可為類似病險(xiǎn)水閘治理提供參考。

2 工程概況

沭新退水閘位于沭陽縣,設(shè)計(jì)流量為78.00 m3/s,該閘位涵洞式結(jié)構(gòu),采用砼反拱底板、砼半圓形拱頂、漿砌塊石側(cè)墻。退水閘共設(shè)置2 孔,單孔凈寬3.00 m、凈高4.60 m。在長期使用過程中,該退水閘損毀較為嚴(yán)重,經(jīng)過安全鑒定,水閘需采取除險(xiǎn)加固處理。結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r,擬采用拆除重建的方式加以處理。

3 閘室方案分析

3.1 閘址方案比選

經(jīng)實(shí)地查看,沭新退水閘拆建工程考慮移址新建和原址拆建兩種方案進(jìn)行綜合比選。若采用移址新建退水閘閘址位于桑墟水電站下約100 m處,此方案將會(huì)產(chǎn)生諸多不利之處,首先工程投資較大、涉及到征地拆遷等問題；另外閘移址新建后,嚴(yán)重影響桑墟水電站的發(fā)電效率。所以本次沭新退水閘拆建工程不考慮移址新建的方案,只考慮在原址拆建,更便于今后工程管理。

3.2 閘室結(jié)構(gòu)方案比選

結(jié)合現(xiàn)狀地形對初步擬定兩種方案進(jìn)行比選：

方案一：采用平底板寬頂堰結(jié)構(gòu)型式。采用單孔退水閘,凈寬8.0 m。閘底板面高程與原設(shè)計(jì)高程一致,均為2.00 m,設(shè)計(jì)閘室底板、邊墩厚1.20 m、0.90 m。閘門選用8.06 m×5.30 m平面鋼閘門,配套雙吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。閘室結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。

圖1 方案一閘室平面布置圖

方案二：采用平底板寬頂堰結(jié)構(gòu)型式,與原設(shè)計(jì)方案一致,采用兩孔,單孔凈寬4.00 m。閘底板面高程同原設(shè)計(jì)一致。水閘底板、中墩、邊墩厚0.70 m、1.00 m、0.80 m。閘門選用2 扇4 平面鋼閘門,配套2 臺單吊點(diǎn)直聯(lián)螺桿式啟閉機(jī)。閘室結(jié)構(gòu)布置圖見圖2。

圖2 方案二閘室平面布置圖

方案一、二均可滿足退水閘的過流能力需求。且兩種方案投資基本一致,方案二略高于方案一。方案需要綜合考慮運(yùn)行期管理、造價(jià)、施工便捷性,綜合考慮,選擇方案一作為推薦方案。

3.3 孔徑計(jì)算

沭新退水閘孔徑計(jì)算水位及流量組合見表1。

表1 沭新退水閘孔徑計(jì)算水位及流量組合表

沭新退水閘采用平底板寬頂堰的結(jié)構(gòu)形式,按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A閘孔總凈寬計(jì)算公式進(jìn)行孔徑計(jì)算。計(jì)算公式如下：

式中：Q過閘流量（m3/s）；B0閘孔總凈寬（m）,B0=8.0 m；H0堰上水深（m）,H0=5.14 m；m堰流流量系數(shù),采用m=0.385；ε堰流側(cè)收縮系數(shù),ε=0.909；b0閘孔凈寬（m）,b0=8.0 m；bs上游河道一半水深處的寬度（m）,bs=33.4 m；σ堰流淹沒系數(shù),σ=1.000；g重力加速度,采用9.81 m/s2。

根據(jù)上述公式,沭新退水閘孔徑計(jì)算成果見表2。

表2 沭新退水閘孔徑計(jì)算成果表

本次沭新退水閘拆建工程設(shè)計(jì)流量為92.70 m3/s,閘上設(shè)計(jì)排澇水位為7.10 m,閘下設(shè)計(jì)排澇水位為5.64 m。沭新退水閘原設(shè)計(jì)流量為78.00 m3/s,單寬流量q=13 m2/s；綜合下游消能設(shè)施及河道河床土質(zhì)等因素,按設(shè)計(jì)排澇流量92.70 m3/s（單寬流量q=11.58 m2/s）、控制閘門開度不大于4.14 m來確定沭新退水閘孔徑為單孔凈寬8.00 m,共1 孔,實(shí)際過閘流量約為93.00 m3/s,滿足排澇標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇的設(shè)計(jì)要求。

3.4 防滲計(jì)算

根據(jù)沭新退水閘結(jié)構(gòu)布置,閘底板順?biāo)飨蜷L13.50 m,底板底面高程0.80 m。上游鋼筋砼不透水鋪蓋長12.00 m,鋪蓋末端下設(shè)高壓旋噴樁防滲墻,底高程為-3.00 m；下游消力池前半段22.77 m長為不透水鋪蓋,后半段6.00 m長的透水鋪蓋,下設(shè)反濾層。上游護(hù)坦和閘底板底面均處于第3 層中粉質(zhì)壤土層上,下游消力池水平段底板面處于第4 層粉砂層上,閘實(shí)際防滲長度為56.95 m,防滲最不利水位組合為閘上7.50 m,閘下2.00 m,最大水頭差7.50 -2.00 =5.50 m,根據(jù)規(guī)范及綜合確定取滲徑系數(shù)為9,正向防滲L需=CΔH=5.50×9=49.50＜L實(shí)=56.95 m,防滲滿足要求。

4 閘室穩(wěn)定性

沭新退水閘單孔凈寬8.0 m,共1 孔,底板順?biāo)飨蜷L13.50 m,垂直水流向?qū)?0.00 m。計(jì)算在完建期、運(yùn)行期和地震期幾種工況荷載組合作用下其整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、閘基應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求。

（1）荷載組合

基本組合：完建期：上、下游無水；

設(shè)計(jì)工況：閘上水位7.10 m,閘下水位2.50 m；

特殊組合：校核工況：閘上水位7.50 m,閘下水位2.00 m；

地震期：閘上水位7.10 m,閘下水位2.50 m,Ⅶ度地震。

（2）地質(zhì)情況

根據(jù)地勘成果,底板位于粉質(zhì)壤土層上,地基允許承載力[σ]=180 kPa。

（3）主要計(jì)算參數(shù)

①允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[Kc]=1.250（基本組合）；[Kc]=1.10（特殊組合Ⅰ）；[Kc]=1.05（特殊組合Ⅱ）；

②底板和基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)f=0.35；

③材料（鋼筋混凝土）容重γ=25.00 kN/m3。

（4）計(jì)算簡圖

計(jì)算簡圖見圖3。

圖3 沭新退水閘閘身穩(wěn)定計(jì)算簡圖

（5）荷載計(jì)算

荷載包括沭新退水閘各部分自重、閘室內(nèi)水重、上下游靜水壓力、閘底揚(yáng)壓力、波浪壓力、地震慣性力及地震動(dòng)水壓力等。計(jì)算時(shí)對計(jì)算簡圖中底板中心點(diǎn)計(jì)算力矩。根據(jù)閘門位置分別計(jì)算門前、門后水重,并計(jì)算門前后靜水壓力。閘底揚(yáng)壓力包括滲透壓力及浮托力,滲透壓力根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）附錄C全截面直線分布法計(jì)算,浮托力由下游水位確定。僅考慮水平向地震效應(yīng),地震加速度為0.15 g。動(dòng)水壓力：地震動(dòng)水壓力合力作用在水面以下0.54Ho處,其代表值Fo按下式計(jì)算：

式中：αh設(shè)計(jì)加速度,取0.15 g；ζ地震效應(yīng)折減系數(shù),取0.25；Ho為水深；ρw為水體質(zhì)量密度；。

（6）計(jì)算結(jié)果

①整體抗滑穩(wěn)定

采用整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)公式計(jì)算：

式中：f摩擦系數(shù)；∑G全部豎向荷載,kN；∑H全部水平荷載,kN。

②閘基應(yīng)力

采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2001）推薦的公式計(jì)算閘基應(yīng)力：

式中：A閘底面積,m2；W垂直水流方向形心軸的截面抵抗矩,m3；M垂直水流方向形心軸的力矩,kN·m。

沭新退水閘閘身計(jì)算成果見表3。

表3 沭新退水閘閘身穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表3 可知,沭新退水閘在完建期、運(yùn)行期和地震期各種荷載組合作用下,閘身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,地基反力及地基反力不均勻系數(shù)均小于允許值。

5 結(jié)論

通過方案比選沭新退水閘選擇原址重建的平底板寬頂堰閘室結(jié)構(gòu)（單孔）,具有投資低、不存在占地問題、運(yùn)行管理方便等優(yōu)勢。通過計(jì)算,退水閘采用單孔8.0m的孔徑可滿足過水需求,采取高壓旋噴樁防滲墻+防滲鋪蓋可保證水閘滿足防滲要求。經(jīng)計(jì)算,各工況下退水閘的穩(wěn)定性滿足要求。