贛東大堤江津自排閘設(shè)計(jì)綜述

胡 亮，王建明

(東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司江西贛南分公司，南昌 330000)

1 工程概況

贛東大堤位于贛江下游右岸，上起新干縣，止于南昌市區(qū)新洲閘，贛東大堤樟樹市段保護(hù)著樟樹市的防洪安全， 西城區(qū)防洪治澇區(qū)位于龍溪河大和溪下游贛東大堤和晏公堤之間，基本為兩河所環(huán)繞，僅西南側(cè)為丘陵崗地。該區(qū)域規(guī)劃為樟樹市城區(qū)未來的行政文化中心，是城市副中心之一。規(guī)劃面積比其它兩區(qū)要小，但所處地位十分重要，亦是重要的防洪治澇保護(hù)對(duì)象[1]。

江津自排閘屬西城區(qū)防洪治澇區(qū)，現(xiàn)狀為贛東大堤的穿堤涵閘工程，擔(dān)負(fù)著圩內(nèi)排澇任務(wù)。

2 江津自排閘存在問題

江津自排閘擔(dān)負(fù)著圩內(nèi)排澇任務(wù)，修建于20世紀(jì)70年代，由于自排閘年久失修，閘門結(jié)構(gòu)破損，止水失效漏水嚴(yán)重，無法正常擋外河洪水，導(dǎo)致汛期洪水倒灌；自排閘啟閉設(shè)備陳舊，螺桿變形，螺牙變異，閘門無法正常開啟排澇，導(dǎo)致圩內(nèi)受淹；穿堤涵結(jié)構(gòu)破損、下游消能設(shè)施不完善、嚴(yán)重影響圩堤結(jié)構(gòu)安全。

3 工程布置

江津自排閘：水閘設(shè)有水平鋪蓋段、檢修閘段、涵洞段、排澇閘段、消力池段、海漫段及拋石防沖段。閘體全長(zhǎng)73m，閘室寬2.5m。閘室上設(shè)檢修工作橋、排架、啟閉平臺(tái)及啟閉機(jī)室。

上游鋪蓋為0.4m厚C25鋼筋混凝土，下設(shè)10cm厚C15素混凝土墊層，鋪蓋頂高程25.92m，鋪蓋長(zhǎng)6.00m，前端抗滑齒墻深0.8m，末端齒墻深度為0.8m。

涵洞出口水閘為無坎式平底寬頂堰，水閘底板頂高程25.92m，共設(shè)1孔，孔凈寬2.5m，無中墩，邊墩寬0.70m。閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)9.00m，底板頂高程25.92m。底板為0.80cm厚C25鋼筋混凝土，下游設(shè)有抗滑齒墻，深1.2m，底板下設(shè)0.1m厚C15混凝土墊層。閘墩頂高程為29.62m。墩頂設(shè)置排架、啟閉機(jī)操作室和啟閉機(jī)室交通橋。啟閉平臺(tái)為墻柱式框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)寬2.5m，頂高程為39.04m，交通橋?qū)?.0m，橋頂高程為35.54m。

閘下游設(shè)鋼筋混凝土消力池。消力池斜坡段長(zhǎng)2.00m，坡比1∶4.0，水平段長(zhǎng)5.50m，底板頂高程25.42m，為0.6m厚C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板下設(shè)0.1m厚C15混凝土墊層，底寬由2.5m漸變至5.90m。

海漫段采用干砌石，長(zhǎng)8.0m，底寬12.50m，厚0.4m 下部鋪設(shè)0.15m厚砂礫石墊層和300g/m2土工布。

拋石防沖段為拋石，長(zhǎng)2.00m，底寬5.90m，拋石深度1.50m，上游側(cè)直立，與消力池齒墻相接，下游及左、右側(cè)坡比為1∶1.5。

上游鋪蓋與原渠道連接處采用C20重力式擋土墻，擋土墻墻頂寬0.5m，墻頂墻頂高程27.72m，擋土墻迎水側(cè)垂直布置。

圖1 江津自排閘平、剖面圖

4 水力設(shè)計(jì)

4.1 涵洞過流能力計(jì)算

4.1.1 流態(tài)的判別：

根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL482-2011)中涵洞水流流態(tài)判別：

1)H≤1.2D：當(dāng)h

2)1.2D

3)H>1.5D：當(dāng)h

其中：H為進(jìn)口水深，m；h為出口水深，m；D為洞高，m。

流態(tài)判別計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 流態(tài)判別計(jì)算成果表

4.1.2 過流能力計(jì)算：

過流能力按照無壓流涵洞計(jì)算，自排閘設(shè)計(jì)過流能力復(fù)核計(jì)算成果見表2。

表2 自排閘過流能力復(fù)核計(jì)算成果表 m3/s

計(jì)算結(jié)果表明，涵洞最大過流能力設(shè)計(jì)排澇流量，本工程為除險(xiǎn)加固工程，綜合考慮現(xiàn)狀渠道和原閘門的規(guī)模，涵洞尺寸選擇是合理的[2]。

4.2 水閘調(diào)度運(yùn)行方式

自排閘主要功能為排出堤內(nèi)澇水，僅在堤內(nèi)有排澇需求且堤內(nèi)水位高于外河水位時(shí)閘門開啟，其余時(shí)間閘門關(guān)閉。

4.3 消能防沖設(shè)計(jì)

1)消能形式：江津自排閘建基在黏土地基，河床及岸坡抗沖能力較低，且承受水頭不高，閘下躍前水流佛勞德數(shù)較低，宜采用底流式水躍消能，自排閘消能形式選用底流式消能。

2)工況確定：水閘僅在排澇時(shí)過流，下消能防沖的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與該水閘排澇流量標(biāo)準(zhǔn)一致，并應(yīng)考慮排澇量小于設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)的流量時(shí)可能出現(xiàn)的不利情況。

在設(shè)計(jì)排澇工況下，上下游水頭差最大僅為0.1-0.3m，且下游水深較大，水閘出口水躍為淹沒水躍，無需設(shè)置消力設(shè)施；因此，各自排閘消能工況應(yīng)考慮外河水位較低時(shí)，自排閘自由出流可能出現(xiàn)的不利情況[3]。

根據(jù)自排閘運(yùn)行方式，閘門上游正常過流，下游無水時(shí)水頭差最大，采用此工況對(duì)水閘進(jìn)行消能防沖計(jì)算。

3)消能計(jì)算成果，見表3。

表3 自排閘消能計(jì)算成果表

從表3可以看出，沖刷深度計(jì)算值較大，參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)條文說明5.0.12，按此河床沖刷計(jì)算深度設(shè)計(jì)下游防沖槽，不僅太不經(jīng)濟(jì)，而且施工也很困難，按一般深度為1.5m-2.5m，河流沖刷深度不超過0.5m，防沖槽設(shè)計(jì)深度取1.5m。

5 防滲排水設(shè)計(jì)

5.1 鋪蓋長(zhǎng)度

參考《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)，鋪蓋長(zhǎng)度一般按照水閘上下游最大水位差的3-5倍，鋪蓋長(zhǎng)度計(jì)算值見表4。

表4 鋪蓋長(zhǎng)度計(jì)算成果表

5.2 抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)防滲按照勃萊法初估閘基所需防滲長(zhǎng)度。

自排閘最大水頭工況為外河側(cè)設(shè)計(jì)洪水位與堤內(nèi)最低排澇水位組合。

計(jì)算公式如下：

L=CΔH

(1)

式中：L為堤基所需防滲長(zhǎng)度，m；C為滲徑系數(shù)，黏土取4(無濾層)；ΔH為上下游水位差，m。

表5 滲流穩(wěn)定計(jì)算工況表 m

5.3 導(dǎo)滲

為進(jìn)一步加強(qiáng)下游出逸點(diǎn)滲透安全，在消力池海漫下設(shè)置反濾土工布，加強(qiáng)出逸點(diǎn)反濾，防止土料發(fā)生滲透變形。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)閘室布置取整體閘段進(jìn)行穩(wěn)定及應(yīng)力分析計(jì)算。

6.1 閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算

自排閘采用黏土地基，驗(yàn)算沿閘室底板底面的抗滑穩(wěn)定性。

1)荷載及組合：

荷載組合及見工況組合表6。

表6 荷載組合表

2)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算：

抗滑穩(wěn)定按下式計(jì)算：

Kc=f∑G/∑H

(2)

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘室基底面與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN。

閘室基底應(yīng)力按下式計(jì)算：

P(max，min)=G/A±∑M/W

(3)

式中：P(max，min)為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值，kN/m2；A為閘室基底面的面積，m2；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m。

各自排閘閘室穩(wěn)定及應(yīng)力成果表見表7。

表7 閘室穩(wěn)定及應(yīng)力成果表

閘室基底最大最小應(yīng)力比值允許值按照松軟土質(zhì)考慮，即基本組合取1.5，特殊組合取2.0。閘室基底面與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)，對(duì)應(yīng)粉細(xì)砂取0.38，粉質(zhì)黏土去0.28。

計(jì)算結(jié)果表明：閘室的抗滑穩(wěn)定、閘底板基底應(yīng)力不均勻系數(shù)小于規(guī)范允許值，基底應(yīng)力小于地基容許承載力，滿足規(guī)范要求。

6.2 邊墻

各自排閘邊墻均為重力式擋土墻，結(jié)構(gòu)計(jì)算斷面選取典型最大斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算程度取單位長(zhǎng)度。

1)荷載及組合：

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2016，邊墻荷載組合及工況組合與閘室相同。

2)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算：

抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力及計(jì)算參數(shù)均與閘室穩(wěn)定計(jì)算相同。

表8 邊墻穩(wěn)定及應(yīng)力成果表

備注：工況A(完建情況)；B(正常擋水位)；C(正常擋水位驟降)

閘室基底最大最小應(yīng)力比值允許值按照松軟土質(zhì)考慮，即基本組合取1.5，特殊組合取2.0。閘室基底面與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)，對(duì)應(yīng)黏土取0.28。

計(jì)算結(jié)果表明：邊墻的抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力不均勻系數(shù)小于規(guī)范允許值，基底應(yīng)力小于地基容許承載力。

7 結(jié) 語

江津自排閘始建于20世紀(jì)70年代，至今運(yùn)行40余年，由于其存在諸多險(xiǎn)情，現(xiàn)已報(bào)廢，本次原址拆除重建后，重新?lián)?fù)起圩內(nèi)排澇任務(wù)，在圩堤內(nèi)有排澇需求且堤內(nèi)水位高于外河水位時(shí)即可開啟自排閘閘門，排除圩內(nèi)澇水，同時(shí)，結(jié)合圩區(qū)內(nèi)新建及改建的機(jī)幾座電排站，在外河水位高于堤內(nèi)水位時(shí)，關(guān)閉自排閘防洪閘門，開啟電排站抽排澇水，為整個(gè)圩區(qū)的防洪排澇安全提供保障。