漠陽(yáng)江雙捷攔河閘重建工程設(shè)計(jì)方案研究

林顯兵

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000)

0 引 言

漠陽(yáng)江雙捷水利樞紐位于廣東省陽(yáng)江市江城區(qū)雙捷圩北約1km，漠陽(yáng)江干流上。原工程于1958年11月開始興建，1960年3月建成，是一宗以灌溉引水為主，結(jié)合航運(yùn)、發(fā)電等任務(wù)的大(2)型水利樞紐。該水利樞紐主要由攔河閘、船閘、東西總干渠道、電站等組成，其中：船閘和電站分別位于閘壩左右側(cè)，并以江中小島分隔；東總干渠道取水口位于閘壩左岸上游約330m處；西總干渠道與電站共用取水口，位于閘壩右岸上游約155m處。工程建成后，對(duì)當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展與人民生活水平的提高，發(fā)揮了極其重要的作用。作為主體工程的攔河閘經(jīng)過(guò)50多年的運(yùn)行后，工程逐漸老化，安全隱患日益加劇，雖經(jīng)幾次應(yīng)急維修，卻沒(méi)能從根本上解決問(wèn)題。依據(jù)《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管[2008]214號(hào))以及《水閘安全鑒定規(guī)定》( SL214-98)等，攔河閘經(jīng)鑒定為四類閘[1]。為保證防洪興利效益的正常發(fā)揮，亟需對(duì)攔河閘進(jìn)行重建設(shè)計(jì)。

1 工程現(xiàn)狀問(wèn)題

根據(jù)攔河閘安全鑒定的評(píng)價(jià)報(bào)告、現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告、工程地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全檢測(cè)報(bào)告和工程安全復(fù)核計(jì)算報(bào)告等資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查鑒定，目前攔河閘存在的主要隱患問(wèn)題有：①攔河閘原設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，閘頂高程低于安全鑒定復(fù)核的設(shè)計(jì)洪水位，防洪安全不滿足規(guī)范要求；②閘基防滲長(zhǎng)度不足，水閘抗?jié)B穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求；③水閘混凝土標(biāo)號(hào)偏低、碳化嚴(yán)重，表面破損、裂縫，鋼筋暴露、銹蝕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求；④泄洪時(shí)過(guò)閘水位差偏大，泄洪運(yùn)用不滿足規(guī)范要求；⑤水閘全部閘門沒(méi)有安全超高；⑥供電線路老化嚴(yán)重，閘門控制系統(tǒng)不滿足規(guī)范要求；⑦水閘安全監(jiān)測(cè)設(shè)施不完備。綜合上述問(wèn)題，對(duì)漠陽(yáng)江雙捷攔河閘重建改造迫在眉睫。

2 工程基本條件

2.1 水文氣象條件

漠陽(yáng)江位于粵西沿海，區(qū)域氣溫較高，多年平均相對(duì)濕度為86%。地區(qū)雨量分布不均，年際變化大，變幅由東部降雨高區(qū)向南部沿海和北部山區(qū)遞減。區(qū)域日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，且臺(tái)風(fēng)活動(dòng)極為頻繁，風(fēng)力大小與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有關(guān)，風(fēng)向一般為春冬季吹東北風(fēng)，夏秋季吹東南風(fēng)。

2.2 地質(zhì)條件

據(jù)根地質(zhì)勘察資料，閘址區(qū)地層有第四系人工堆積層(Q4s)、河流相沖積層(Qal)，下伏基巖主要由燕山三期(γ52(3))黑云母中粗?；◢弾r組成，局部殘留寒武系八村群(∈bc)片麻巖頂蓋和俘虜體。鉆孔揭露到的基巖地層主要為全風(fēng)化帶，少量強(qiáng)風(fēng)化帶和弱風(fēng)化帶地層。閘基巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)建議值見表1。

表1 閘基各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 工程重建設(shè)計(jì)

3.1 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

攔河閘最大過(guò)閘流量>5000m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)及《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)，按攔河閘工程等級(jí)指標(biāo)確定本工程等別為Ⅰ等大(1)型水閘工程[2-3]。由于工程正常蓄水位擋水水頭不高，建筑物級(jí)別按降低一級(jí)設(shè)計(jì)，相應(yīng)主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為4級(jí)。主要水工建筑物包括攔河閘、左岸連接段及跨船閘工作橋，次要永久性建筑物包括翼墻、下游消能防沖結(jié)構(gòu)、右岸連接路堤、護(hù)岸等，臨時(shí)建筑物包括施工道路及圍堰等。工程設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為50a，校核洪水重現(xiàn)期為200a。本重建工程維持樞紐原有功能，相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不變。

3.2 閘址及閘軸線比選

原樞紐工程左岸布置船閘，右岸布置電站，中間布置攔河閘，各建筑物通過(guò)左右岸兩座小島連接。為保證樞紐工程其它建筑物的功能不受影響，方便運(yùn)行管理，重建工程閘址選擇在原閘右岸連接小島電站灌溉進(jìn)水口及電站尾水出口之間。

綜合現(xiàn)狀工程布置情況以及船閘及電站的用地限制，閘軸線僅適合布置在原閘軸線至上游約90m及下游140m的范圍內(nèi)。閘軸線有三個(gè)布置方案可供比選：①上閘軸線方案，即在原閘軸線上游73m處布置閘線，閘線左右岸連接小島間河道寬度約415.5m；②中閘軸線方案，即在原閘軸線處布置閘線，閘線左右岸連接小島間河道寬度約418.8m；③下閘軸線方案，即在原閘軸線下游90m處布置閘線，閘線左右岸連接小島間河道寬度約424.3m。針對(duì)各閘軸線方案在地質(zhì)條件、水流條件、施工條件、運(yùn)行管理、征占地條件、工程量及投資等方面進(jìn)行綜合比較，推薦中閘軸線方案作為閘軸線布置方案。

閘軸線確定后，樞紐總布置從左至右依次為：左岸連接段長(zhǎng)度95.4m(與左岸防護(hù)堤及原村道相連)，左岸跨船閘工作橋總跨度14.6m，攔河閘總寬度413.06m，右岸連接道路長(zhǎng)度100m(與原管護(hù)中心道路平順連接)。其中攔河閘自左向右布置有：節(jié)制沖砂閘閘壩段Ⅱ區(qū)(2孔節(jié)制沖砂閘)、泄洪閘閘壩段Ⅱ區(qū)(6孔泄洪閘)、節(jié)制閘閘壩段(12孔節(jié)制閘)、泄洪閘閘壩段Ⅰ區(qū)(6孔泄洪閘)、節(jié)制沖砂閘閘壩段Ⅰ區(qū)(2孔節(jié)制沖砂閘)。右岸小島在閘上下游設(shè)2座碼頭，右岸小島布置管理樓、柴油發(fā)電機(jī)房及變壓器、配電柜室、防汛物資倉(cāng)庫(kù)等。

3.3 閘頂高程計(jì)算

攔河閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況計(jì)算確定。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)安全超高值之和；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)安全超高值之和。同時(shí)，還要考慮交通橋等梁底應(yīng)高出最高洪水位0.5m以上，綜合考慮后閘頂高程取10.256m。

3.4 水閘泄流能力計(jì)算

水閘在滿足正常運(yùn)行情況下應(yīng)維持正常蓄水位為6.30m，當(dāng)來(lái)流量大于灌溉供水、發(fā)電和生態(tài)流量時(shí)，需開閘泄洪。其調(diào)度原則是：①當(dāng)上游來(lái)流量<124.70m3/s(設(shè)計(jì)灌溉流量23.20m3/s、設(shè)計(jì)發(fā)電流量101.50m3/s)時(shí)，關(guān)閉閘門，從上游渠道引水，優(yōu)先滿足灌溉流量，再滿足發(fā)電流量；②當(dāng)上游來(lái)流量>124.70m3/s，<2540m3/s時(shí)，通過(guò)閘門控泄，來(lái)多少泄多少，保持正常蓄水位6.3m運(yùn)行；③上游來(lái)流量超過(guò)2540m3/s時(shí)，閘門全開敞泄，河道恢復(fù)天然狀態(tài)，水位升高，當(dāng)水位回落至正常蓄水位時(shí)恢復(fù)控泄，保持正常蓄水位6.3m運(yùn)行；④當(dāng)枯水期來(lái)流量小于灌溉流量，上游水位低于正常蓄水位時(shí)，應(yīng)動(dòng)用攔河閘調(diào)節(jié)庫(kù)容優(yōu)先滿足灌溉流量，停止發(fā)電。

根據(jù)水閘運(yùn)行調(diào)度要求，當(dāng)水閘宣泄洪水時(shí)閘門打開，全部來(lái)水由水閘下泄，此時(shí)過(guò)閘水流為堰流。水閘泄流能力根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)計(jì)算，公式如下：

(1)

式中：σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；m為堰流流量系數(shù)，取0.385；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計(jì)入行近流速的堰上水頭，m；Q為過(guò)堰流量，m3/s。

以現(xiàn)狀的水位流量關(guān)系曲線作為閘下游水位的計(jì)算依據(jù)，在各種泄洪頻率下，水閘的泄流能力計(jì)算成果見表2。在相同頻率洪水下，重建攔河閘與原攔河閘泄流能力計(jì)算成果對(duì)比見表3。經(jīng)分析知：在各種泄洪頻率下，上、下游水頭差均控制在0.3m內(nèi)，水閘的泄流能力滿足規(guī)范要求。重建后攔河閘泄流能力較原閘大，重建閘上游水位均較原閘降低5-6cm。

表2 水閘泄流能力計(jì)算成果表

表3 同頻率洪水重建攔河閘與原攔河閘泄流能力對(duì)比表

3.5 閘室滲流穩(wěn)定計(jì)算及防滲處理

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，攔河閘左岸基礎(chǔ)(樁號(hào)閘壩縱0+074.140-0+413.06)主要為含礫中粗砂層，右岸基礎(chǔ)(樁號(hào)閘壩縱0+000-0+074.140)為中細(xì)砂層，均為強(qiáng)透水或較強(qiáng)透水層，允許滲透坡降均為0.35。攔河閘閘室水平段及出口段均為含礫中粗砂層或中細(xì)砂層，則閘室水平段、出口段允許滲透坡降為[J]=0.35。

攔河閘閘室滲透穩(wěn)定計(jì)算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法。選取節(jié)制閘地質(zhì)斷面作為典型斷面進(jìn)行計(jì)算，閘壩基礎(chǔ)為含礫中粗砂層，厚度約5.5m。計(jì)算工況為：上游正常蓄水位為6.30m，下游最低水位為-1.244m，上、下游水頭差為7.544m，防滲長(zhǎng)度為28.9m。經(jīng)計(jì)算知：水平段滲透坡降為0.184，出口段滲透坡降為0.426。因此，水平段滲透坡降滿足要求，但出口段滲透坡降大于允許值，需進(jìn)行基礎(chǔ)防滲處理。

經(jīng)方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，閘室基礎(chǔ)防滲處理采用垂直的柔性混凝土防滲墻，墻身厚0.6m，墻底深入全風(fēng)化層以下1.0m，防滲墻平均深度約10.1m。防滲墻與閘壩中心線平行布置，布置范圍：自右岸閘壩縱0-020.00開始，穿過(guò)右岸施工縱向圍堰高噴防滲帷幕，再穿過(guò)左岸施工縱向圍堰高噴防滲帷幕和船閘閘室至左岸防護(hù)堤堤后，至閘壩縱0+523.06止。防滲墻中心線設(shè)置在閘壩橫0-013.650處，與上游齒槽相連接。經(jīng)防滲處理后，最不利工況下計(jì)算求得底板水平段滲透坡降為0.065，出口段的滲透坡降為0.329，均小于允許滲透坡降值，可滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.6 閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

閘室采用兩孔一聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)計(jì)算，主要包括整體抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力計(jì)算等，計(jì)算公式如下：

抗滑穩(wěn)定：

(2)

基底應(yīng)力計(jì)算：

(3)

式中：Kc為沿閘室底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘基底面與地基間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部垂直荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平荷載，kN；Pmax/min為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；∑Ms、∑My分別為作用于閘室底板上全部荷載對(duì)計(jì)算截面形心軸X、Y的力矩之和，kN·m；Wx、Wy分別為計(jì)算截面對(duì)形心軸X、Y的截面矩；A為閘室基底面積，m2。

工況選擇、計(jì)算結(jié)果見表4。計(jì)算表明：閘室抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，基底應(yīng)力值較小且分布比較均勻，閘基上下游應(yīng)力均小于閘基允許承載力，無(wú)拉應(yīng)力產(chǎn)生，閘室布置比較合理[4]。

表4 攔河閘閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.7 地基加固處理

本工程在原水閘閘址基礎(chǔ)上拆除重建，原水閘已運(yùn)行多年，基礎(chǔ)沉降已趨于穩(wěn)定，基礎(chǔ)密實(shí)度相對(duì)較好，可采用天然基礎(chǔ)，故無(wú)需進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理。但右岸閘室基礎(chǔ)(樁號(hào)閘壩縱0+000-0+059.42)為中細(xì)砂層，該地層在地震時(shí)易產(chǎn)生砂土液化現(xiàn)象，不宜直接作為建筑物基礎(chǔ)持力層，需進(jìn)行防砂土液化處理。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)防砂土液化處理考慮采用基礎(chǔ)換填、水泥攪拌樁及振沖碎石樁三種基礎(chǔ)處理方案進(jìn)行比較，各方案投資對(duì)比詳見表5。

表5 攔河閘基礎(chǔ)加固方案投資對(duì)比表

經(jīng)對(duì)比分析可知，采用水泥攪拌樁的基礎(chǔ)處理方案具有投資少，施工簡(jiǎn)易、方便的優(yōu)點(diǎn)，因此，基礎(chǔ)處理推薦采用水泥攪拌樁方案，即將右岸節(jié)制沖砂閘閘室底板下游齒槽及左右兩側(cè)縫墩采用樁徑為0.5m、間距為0.4m的連體水泥攪拌樁對(duì)中細(xì)砂層進(jìn)行圍封，樁底深入砂礫層1m；內(nèi)部采用樁距為1.2×1.2m的水泥攪拌樁，樁底深入砂礫層1m。水泥攪拌樁平均長(zhǎng)度5m，總長(zhǎng)度約為1500m。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章在系統(tǒng)梳理漠陽(yáng)江雙捷攔河閘現(xiàn)狀問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，制定了科學(xué)合理的水閘重建設(shè)計(jì)方案，方案重點(diǎn)探討了閘址及閘軸線比選、水閘泄流能力計(jì)算、滲流穩(wěn)定計(jì)算及防滲處理、閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算和地基加固處理。該方案可保證水閘防洪興利效益的正常發(fā)揮，有助于優(yōu)化工期，節(jié)省投資成本。本重建方案對(duì)于同類型的攔河閘除險(xiǎn)加固工程具有一定的現(xiàn)實(shí)參考意義。