廣州市二十涌東新建水閘工程結(jié)構(gòu)布置及穩(wěn)定分析

彭繼承

(廣州市南沙區(qū)番順聯(lián)圍管理所， 廣東 廣州 511470)

1 問題的提出

二十涌位于廣州市南沙區(qū)的萬頃沙圍，現(xiàn)狀河道平均寬約84 m，西側(cè)涌口通過水閘連接洪奇瀝水道，東側(cè)涌口直接連通蕉門水道，為雙向流動。目前河涌兼有排澇、引水等功能。由于二十涌位于珠江出?？冢艽箨懞秃Ｑ髢蓺饬骶C合影響，歷來受到不同程度的洪潮災(zāi)害。目前，二十涌內(nèi)涌的防洪標(biāo)準(zhǔn)僅能達到20 a一遇，東涌口因與外江直接連通而存在防洪(潮)缺口，導(dǎo)致二十涌外圍無法形成閉合的防洪體系[1]。為提高河涌防洪(潮)減災(zāi)能力，促進區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，急需在二十涌東側(cè)出口處新建一座水閘工程。水閘的建設(shè)，對提升二十涌的水安全，改善水景觀等具有積極意義。本文結(jié)合二十涌東水閘建設(shè)實際，對擋潮閘的主要建筑物結(jié)構(gòu)布置及穩(wěn)定分析進行探討。

2 工程建設(shè)條件

2.1 水文氣象條件

萬頃沙圍二十涌長2.98 km，河底高程在-2.0～-3.0 m(珠基，下同)之間。二十涌集雨面積為3.24 km2，區(qū)域地勢平坦，河涌兩岸大部分為魚塘和藕田，屬珠江三角洲水網(wǎng)區(qū)，堤圍內(nèi)田面高程在-1.0～0.5 m之間。區(qū)域排澇以閘排為主，可調(diào)蓄水面主要為內(nèi)河涌、田面及魚塘。根據(jù)南沙站1963—2009年的歷年雨量資料，南沙站多年平均降水量約1538 mm，最大年降雨量為2134 mm(1981年)，最小年降雨量為887 mm(1963年)。降雨量年際變化不大，但年內(nèi)分配極不均勻，汛期4—9月降水量占年降雨總量的82.1%，其中又以5月、6月份降雨量最為集中；枯水期10月—翌年3月降水量占年降雨總量的17.9%。

2.2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于珠江三角洲地貌沖積平原區(qū)，河網(wǎng)縱橫，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，地形開闊平坦。萬頃沙圍外形輪廓呈三角形，東、南、西三面環(huán)水，系人工圍墾河網(wǎng)平原，已有數(shù)十年歷史。周邊少有農(nóng)作物，主要為魚塘，局部分布有漁民民房。工程區(qū)位于粵中拗褶斷束的南部，其歸屬華南準(zhǔn)地臺或褶皺帶一部分，工程區(qū)及其周圍主要顯示北東及北北東向構(gòu)造，次為北西向構(gòu)造，工程區(qū)北側(cè)為橫瀝斷裂、南側(cè)為平沙斷裂。經(jīng)綜合評定，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。根據(jù)地質(zhì)鉆探揭露，場地巖土層自上而下依次為②1-1淤泥、②-2泥質(zhì)粉細砂、③-1粉質(zhì)黏土、③-2泥質(zhì)中粗砂、④-1(全風(fēng)化)粉砂巖、④-2(強風(fēng)化)粉砂巖、④-3(弱風(fēng)化)粉砂巖，主要物理力學(xué)指標(biāo)參見表1。

表1 分層土體主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

土層編號壓縮模量/MPa-1天然快剪固結(jié)快剪黏聚力/kPa摩擦角/(°)黏聚力/kPa摩擦角/(°)天然地基承載力特征值/kPa混凝土/巖土摩擦系數(shù)①3.1910142021.280～1000.25②1-11.7724.4414.2500.1②2-12.6691115700.15②-24.793.4209.220.71200.3③-15.3524.512.630151500.4③-2—5206251800.5④-1—322035252000.4④-2—————3000.4④-3—————5000.5

3 水閘結(jié)構(gòu)布置

3.1 工程等別和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《廣州市南沙區(qū)水利規(guī)劃報告》，確定該水閘工程防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，二十涌(內(nèi)河涌)排澇標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，24 h暴雨一天排干不成災(zāi)。由于水閘最大過閘流量為 106.58 m3/s，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2016)，水閘等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型。工程主要建筑物包括二十涌東水閘、左右岸連接堤、外江堤防等，根據(jù)《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(GB/T 51015—2014)，該工程外江堤防級別為2級，由于規(guī)范要求位于防洪堤上的水閘級別不應(yīng)低于堤防級別[2]，故主要建筑物級別定為2級，次要建筑物為3級。

3.2 特征水位及運行調(diào)度

3.2.1 水閘特征水位

新建水閘運行時存在著擋潮、排澇、引水和蓄水四種工況，不同運行工況時的水閘特征水位不同。

(1)擋潮工況下的特征水位：二十涌東外江50 a 一遇設(shè)計洪(潮)水位為2.52 m，校核洪(潮)水位為歷史最高水位2.58 m，擋潮時閘內(nèi)常水位為0 m。(2)排澇工況下的特征水位：排澇起調(diào)水位為0 m，洪水過程中遭遇外江出現(xiàn)的最高潮水位是1.89 m，設(shè)計的閘上(內(nèi)涌)最高水位是調(diào)蓄確定的內(nèi)涌最高水位0.66 m。(3)引水工況下的特征水位：外江低潮水位期間內(nèi)涌水位可預(yù)排至-0.50 m，外江漲潮階段水位高于內(nèi)涌水位時開閘引水，閘內(nèi)保持水位0 m。(4)蓄水工況下的特征水位：考慮河涌引水及水景觀的要求，在低潮水位期間當(dāng)潮水位低于0 m時關(guān)閘蓄水，正常情況下閘內(nèi)保持水位0 m。

3.2.2 水閘運行調(diào)度

水閘的調(diào)度原則如下：(1)擋潮工況下，內(nèi)涌設(shè)計水位為0 m，水閘擋外江50 a一遇設(shè)計洪潮水位2.52 m，校核洪(潮)水位2.58 m。(2)排澇工況下，水閘排澇的起調(diào)水位為0 m，但當(dāng)預(yù)報有大暴雨時，先預(yù)排至-0.3 m。當(dāng)外江水位高于內(nèi)涌水位時關(guān)閘擋潮，洪水過程中內(nèi)涌水位逐漸上升，當(dāng)外江水位低于內(nèi)涌水位時開閘排水。根據(jù)排澇計算結(jié)果，當(dāng)內(nèi)涌出現(xiàn)10 a一遇設(shè)計洪水時，按遭遇外江多年平均高潮水位的情況進行調(diào)蓄計算，內(nèi)河涌的最高水位為0.66 m。(3)引水工況下，可選用外江保證率為80%的最低潮位(-0.50 m)作為內(nèi)涌引水時的最低水位，在外江漲潮時段(外江潮位在-0.50～0 m之間)開閘為河涌引水，當(dāng)內(nèi)涌水位達到0 m左右關(guān)閘。 (4)蓄水工況下，當(dāng)潮位低于0 m時關(guān)閘蓄水。

3.3 水閘工程結(jié)構(gòu)布置

3.3.1 閘軸線比選

新建水閘軸線選擇原則為：(1)滿足工程任務(wù)的目標(biāo)和要求，確保防潮、排澇安全，有利于水資源的保護和利用，并為船舶通航、停泊避風(fēng)提供良好條件。(2)工程選址應(yīng)盡可能選擇地質(zhì)條件相對較好的地點。(3)工程選址應(yīng)選擇在地形開闊、水流順暢的河段[3]?；谏鲜鲈瓌t，新建閘址宜選擇在二十涌與外江交匯處的河口附近，不僅易滿足排澇功能，也能縮短與外江堤防的連接段長度，從而節(jié)省工程投資。根據(jù)水閘的功能、特點和運行要求，綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、潮汐、泥沙、施工、管理、周邊環(huán)境等因素，進行如下兩個閘線方案比選：上閘線(距離外江口約78 m處)，下閘線(距離外江口約30 m處)。

上閘線河涌寬84.0 m，擋潮閘布置在河涌深槽處，擋潮閘兩側(cè)對稱布置連接堤，并與舊堤相連。下閘線內(nèi)涌側(cè)寬83.6 m，外江側(cè)寬84.5 m，擋潮閘布置在河涌深槽處，其結(jié)構(gòu)布置與上閘線相同。由于上、下閘線距離較近，地形地貌和地質(zhì)條件差別不大，建基面均坐落在淤泥和淤泥質(zhì)粉細砂上，地基經(jīng)處理后，均具備修建擋潮閘工程的條件。從技術(shù)角度分析，兩個方案都可行，投資相當(dāng)，各有利弊。但上閘線的布置有利于主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和消能防沖，以及船舶通航，且外江圍堰投資較少；下閘址施工時外江圍堰施工風(fēng)險及投資較大，易出安全事故。綜上，將新建水閘布置在上閘線較為合適。

3.3.2 水閘總體布置

水閘主要由閘室、內(nèi)外河翼墻、內(nèi)外河消力池、海漫、海漫末端的防沖槽、內(nèi)外側(cè)堤防和閘兩側(cè)的連接堤等組成。水閘堰型為開敞式平底寬頂堰，其閘室為3孔，總凈寬24 m。為滿足當(dāng)?shù)貪O船通行要求，需要保證最低2 m凈空。為防止閘門兩側(cè)的油缸和支臂影響通航，將中孔設(shè)為通航孔，寬度為12 m，兩邊孔為非通航孔，寬度各為6 m。閘室長18.5 m，為鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)。水閘檻頂高程-2.8 m。工作門選用閘橋結(jié)合的懸掛門門型，其特點是閘門藏于橋下，具有隱蔽性，閘頂交通橋兼作閘門門庫。交通橋荷載按汽車-20級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，交通橋?qū)挒? m，閘頂橋面高程6 m。邊墩頂橋面以約1∶10坡率與兩側(cè)連接堤相連，連接堤頂高程為5 m，堤頂寬度為8 m 內(nèi)、外側(cè)消力池長均為12.0 m，池深0.6 m；內(nèi)、外側(cè)海漫段長度均為25.0 m；防沖槽寬均為8.0 m。

連接堤與閘室之間采用EPS填塊輕質(zhì)材料過渡，內(nèi)涌側(cè)堤頂高程約3.8 m，外江側(cè)堤頂高程約4.3～5.0 m，閘內(nèi)涌側(cè)的連接堤以1∶10坡率連至內(nèi)涌側(cè)堤防，外江側(cè)堤頂高程取5.0 m。連接堤外江側(cè)在高程2.0 m處設(shè)8.0 m寬的消浪平臺，內(nèi)涌側(cè)在高程2.0 m處設(shè)21.4 m寬的親水平臺。工程管理房布置在內(nèi)涌右岸的親水平臺上，控制室、油泵房等輔助用房與工程管理用房均布置在管理房內(nèi)。

3.3.3 水閘消能防沖布置

內(nèi)、外側(cè)消力池長度均取12.0 m，深0.6 m，底板厚度0.5 m；內(nèi)、外側(cè)海漫段長25.0 m；海漫末端設(shè)長8.0 m，寬36.8 m，深2.0 m的拋石防沖槽。內(nèi)、外側(cè)消力池均采用C30鋼筋混凝土底板，底板與兩岸翼墻采用分離式結(jié)構(gòu)。海漫段采用M10漿砌塊石護底，其外江側(cè)厚度為550 mm、內(nèi)涌側(cè)厚度為350 mm。為增強塊石護底的穩(wěn)定性，海漫段四周布置C30鋼筋混凝土框格。

3.3.4 內(nèi)、外側(cè)翼墻結(jié)構(gòu)

內(nèi)、外側(cè)翼墻主要分布在消力池兩側(cè)及海漫的圓弧形連接段，翼墻型式通?？蛇x擇重力式、懸臂式或扶臂式結(jié)構(gòu)[4]。重力式擋土墻由于體積和重量較大，在土基上特別是軟弱地基上高度在6 m以下較為經(jīng)濟；懸臂式擋土墻由斷面較小的立墻和底板組成，屬輕型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要靠底板以上填土重量來保證，在8 m以下高度范圍內(nèi)應(yīng)用較多[5]。結(jié)合水閘工程實際，所有翼墻均采用懸臂式結(jié)構(gòu)。

3.3.5 閘室左、右連接段布置

閘室左、右連接段以1∶10坡率與交通橋相連至河涌兩側(cè)堤防，連接段堤頂高程為5.0～6.0 m。堤頂寬度為8.0 m，為瀝青混凝土路面。連接段外江側(cè)堤頂以1∶3坡率放坡至高程2.0 m，并在該高程處設(shè)8.0 m寬的消浪兼反壓平臺。高程2.0 m以下為1∶5坡率放坡。連接段內(nèi)涌側(cè)堤頂以1∶2.5坡率放坡至高程2.0 m，該高程處設(shè)平臺作為管理房和綠化的建筑用地。外江側(cè)邊坡及2.0 m高程平臺均采用漿砌塊石護坡，厚度550 mm。內(nèi)涌側(cè)2.0 m高程以上邊坡及平臺采用草皮護坡。

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4.1 閘室穩(wěn)定分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，二十涌東水閘閘室穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算工況包括正常運用工況和非常運用工況[6]，工況組合見表2。

各種工況下閘室穩(wěn)定應(yīng)力計算成果見表3。計算結(jié)果表明，閘室抗浮穩(wěn)定、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。地基除地震工況的最小應(yīng)力為48.96 kPa，其余工況基底應(yīng)力均大于淤泥地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(50 kPa)，且各工況最大應(yīng)力為68.84 kPa，大于淤泥地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值50 kPa的1.2倍，因此需進行地基加固處理。

表2 閘室穩(wěn)定計算水位組合

表3 閘室穩(wěn)定應(yīng)力計算成果

4.2 閘室地基處理

結(jié)構(gòu)計算表明，閘室基底淤泥層厚度大，承載力低，變形大，其承載能力和沉降變形均不滿足設(shè)計要求，因此需對閘基礎(chǔ)進行加固處理。結(jié)合水閘工程地質(zhì)情況，基礎(chǔ)處理方案有以下三種：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁+水泥攪拌樁方案、水泥攪拌樁方案、全套管灌注樁方案。三個方案都可以滿足建筑物各種設(shè)計工況穩(wěn)定、變形、應(yīng)力的要求，均能提高水閘的地基承載能力和抗滑能力。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟比較分析，推薦采用水泥攪拌樁復(fù)合基礎(chǔ)作為水閘閘室地基處理方式。水泥攪拌樁樁長18 m，樁徑為φ600 mm，矩形布置，樁間距1 m。經(jīng)計算，復(fù)合地基承載力可達159.3 kPa，滿足地基承載力要求；復(fù)合地基沉降變形為8.44 cm，滿足規(guī)范要求的15.00 cm允許值。

5 結(jié) 語

在系統(tǒng)分析工程區(qū)域建設(shè)條件的基礎(chǔ)上，圍繞水閘擋潮、排澇、引水和蓄水的功能目標(biāo)，對水閘工程結(jié)構(gòu)布置及閘室穩(wěn)定進行了分析，并重點探討了水閘軸線比選、水閘總體布置、閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及地基處理等。二十涌東新建水閘后可與西側(cè)水閘聯(lián)合調(diào)度共同發(fā)揮效益，保證防洪興利效益的正常發(fā)揮，有效減少洪潮災(zāi)害損失。該項目的實施可為類似沿海擋潮閘的設(shè)計和建設(shè)積累一定的現(xiàn)實經(jīng)驗。