某攔河閘設(shè)計(jì)要素分析計(jì)算與設(shè)計(jì)

高明晶，李志強(qiáng)

（1.晉中市瀟河流域管理中心，山西 晉中 030600；2.五臺(tái)縣水利局，山西 五臺(tái) 035500）

1 工程區(qū)概況

某攔河閘集水區(qū)屬平原地區(qū)，受季節(jié)性臺(tái)風(fēng)氣候影響，每年4—9 月臺(tái)風(fēng)季節(jié)都有3～5 次臺(tái)風(fēng)在該區(qū)域登陸，流域?qū)崪y(cè)最大降雨448 mm/d，三天降雨848 mm。由于臺(tái)風(fēng)往往伴隨暴雨，洪峰由暴雨產(chǎn)生，洪水時(shí)空分布不均勻，在洪水期間，可能同時(shí)遭遇下游澇水頂托，影響閘門過流能力。

閘肩人工填土上部含砂粉質(zhì)土、中細(xì)砂，下部淤泥，標(biāo)貫平均2.7 擊，綜合層承載力fk=70 kPa。閘基自上而下為淤泥、中粗砂和粗砂礫，平均標(biāo)貫分別為0.9擊、9.4 擊、15.1 擊，綜合層承載力fk分別為90 kPa、120 kPa、180 kPa，砂層分布欠均勻。閘基按接觸部分為含泥質(zhì)細(xì)砂或中砂，抗壓強(qiáng)度不高，容易因受壓而產(chǎn)生不均勻沉降或傾斜，對(duì)攔河閘安全穩(wěn)定不利。

2 攔河閘高程分析

2.1 閘墩頂高程

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2016），位于防洪堤上的水閘閘頂高程不得低于所在堤頂高程。

閘墩頂計(jì)算高程：最高洪水位4.43 m，計(jì)算波浪高2.11 m，安全超高0.3 m，按最高洪水位加波浪計(jì)算高度和安全超高，計(jì)算閘墩頂高程為6.84 m。本閘門處防浪頂高程為7.25 m，堤頂高程6.45 m。閘墩頂高程由上面各高程比較，取較高者為水閘頂高程，即7.25 m，胸墻底高程2.10 m，閘門高3.00 m。

2.2 兩岸聯(lián)接堤頂高程

兩岸聯(lián)接堤的堤頂高程，取海堤頂高程，即堤頂高程為6.45 m，防浪墻頂高程為7.25 m。

2.3 上游引堤頂高程

水閘上游最高水位為3.62 m，波浪高為0.484 m，查規(guī)范安全超高值為0.70 m，則上游堤頂高程為4.804 m，采用4.8 m。

3 水力計(jì)算

3.1 水閘過流能力復(fù)核

水閘上游為設(shè)計(jì)、校核洪水位分別為3.26 m 和3.31 m，遇下游多年平均高澇水位，為最不利過流情況，復(fù)核水閘過流能力。閘下游多年平均高澇水位3.19 m，按同樣條件進(jìn)行水工模型試驗(yàn)的結(jié)果，水閘上游洪水位分別為3.30 m 和3.35 m，計(jì)算值與試驗(yàn)值非常接近，而且上下游水頭差均低于規(guī)范要求，滿足過流要求。

3.2 滲流設(shè)計(jì)

根據(jù)閘址地基土質(zhì)為砂土及可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)校核洪水時(shí)較大水頭差，滲徑長(zhǎng)度設(shè)為27.70 m，設(shè)計(jì)擬采用上游護(hù)坦長(zhǎng)20 m，閘室長(zhǎng)18 m，設(shè)計(jì)地下輪廓線長(zhǎng)為38 m，滿足防滲要求。

根據(jù)攔河閘砂層地基情況，在閘室底板上游端設(shè)垂直防滲混凝土墻，采用高壓噴射灌漿形成防滲墻，刺墻設(shè)同樣的防滲墻并與底板垂直防滲混凝土墻連成整體，形成平面垂直防滲體系，防滲墻厚1.0 m，深9.90 m 至-12.00 m 高程。

3.3 消能防沖設(shè)計(jì)

按排澇調(diào)節(jié)計(jì)算成果進(jìn)行水閘消能計(jì)算，成果匯總見表1。

表1 排澇調(diào)節(jié)計(jì)算成果表

由表1 結(jié)果得：當(dāng)閘內(nèi)水位為2 m 時(shí)，消力池深度為0.86 m，消力池長(zhǎng)度為11.11 m。為方便施工，取消力池深度為0.9 m，消力池長(zhǎng)度為11.5 m。

（1）消力池底板厚度計(jì)算，根據(jù)抗沖要求，消力池底板始端厚度按下式計(jì)算：

式中：t——消力池底板厚度，m；

k1——消力池底板計(jì)算系數(shù)，可采用0.175～0.20；

q——單寬流量，m3/s.m；

ΔH′——泄水時(shí)的上、下游水位差，m。

經(jīng)計(jì)算分析，取消力池底板厚度為0.70 m。

（2）海漫長(zhǎng)度計(jì)算

式中：Lp——海漫長(zhǎng)度（m）；

qs——消力池末端單寬流量（m3/s.m）；

ks——海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)，查《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2016）附表B.2.1，得ks=11～12（砂土），本工程屬于中砂，取ks=12。

代入公式計(jì)算，取較大值，海漫長(zhǎng)度為40 m。

綜合以上計(jì)算成果，設(shè)計(jì)采用消力池長(zhǎng)11.5 m，池深0.90 m，海漫長(zhǎng)40 m，并設(shè)防沖槽寬5.50 m。下游消力池末端設(shè)防沖板墻深5.0 m，厚1.0 m。

4 閘墩分析

根據(jù)本工程區(qū)域，結(jié)合淤泥質(zhì)土層到礫砂層的地質(zhì)情況，為了減少腐蝕性影響，延長(zhǎng)工程壽命，經(jīng)比較，采用分離式閘墩較適宜，閘墩底板總寬2.20 m，閘墩身厚1.20 m，閘墩基礎(chǔ)每邊懸臂長(zhǎng)度0.50 m。

4.1 閘墩穩(wěn)定分析

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告，閘墩基礎(chǔ)處于淤泥質(zhì)土層和礫砂層之間，基底容許承載力為70～180 kPa，擬對(duì)淤泥進(jìn)行挖除回填中粗砂，振沖壓實(shí)達(dá)到180 kPa，基底與地基土的摩擦系數(shù)為0.45。閘墩穩(wěn)定按以下七種組合情況進(jìn)行分析。

4.1.1 基本組合

（1）施工完建期；

（2）閘上為正常蓄水位（2.0 m），閘下為正常高洪水位（3.40 m）；

（3）閘上為正常蓄水位（2.0 m），閘下為P=5%洪水位（3.666 m）；

（4）閘上為正常蓄水位（2.0 m），閘下為P=2%洪水位（3.826 m）；

（5）閘下為P=5%洪水位（3.666 m），閘上為最低洪水位（-0.60 m）；

（6）閘下為P=2%洪水位（3.826 m），閘上為最低洪水位（-0.60 m）；

4.1.2 特殊組合

（7）地震情況：閘上為正常水位（2.0 m），閘下為正常高洪水位（3.40 m）加地震烈度為7 度設(shè)防。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2016），本水閘屬Ⅲ等3 級(jí)，所處地基土質(zhì)為中等密實(shí)，則基礎(chǔ)底面的容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[KC]分別為本組合1.25，特殊組合Ⅰ為1.10，特殊組合Ⅱ（地震情況）為1.05，特殊組合Ⅰ適用于施工情況、檢修情況及校核洪水位情況。根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告，基礎(chǔ)底地基土屬中等密實(shí)，按規(guī)范不均勻系數(shù)容許值基本組合為2.0，特殊組合為2.5，閘墩基礎(chǔ)在海堤身的內(nèi)外側(cè)大部分位于第四層淤泥質(zhì)土層，只有海堤身對(duì)應(yīng)的局部墩段處在第五層礫砂層，地基容許承載力為70 kN/m2和180 kN/m2。詳見表2。

表2 各種組合情況閘墩穩(wěn)定分析成果

由表2 計(jì)算成果可知：閘墩基底應(yīng)力平均值大于地基容許承載力70 kN/m2，需要進(jìn)行地基處理。

4.2 基礎(chǔ)處理方法分析

基礎(chǔ)處理方法可采用砂墊層法和采取鉆孔混凝土摩擦樁處理樁基。

一是砂墊層法：按計(jì)算需將閘基底第4 層淤泥質(zhì)土挖去清除，回填中粗砂，分層振沖壓實(shí)。

二是采取鉆孔混凝土摩擦樁處理地基，閘墩基底總長(zhǎng)18 m，總寬2.2 m，取樁直徑為1 m，按摩擦樁間距a≥2.5 倍樁直徑計(jì)算，沿水流方向布置7 排，寬度方向布置1 排。摩擦樁單樁軸向容許總承載力計(jì)算公式如下：

式中：［P］——單樁軸向容許承載力，kN；

μ——樁的周長(zhǎng)，μ=3.14 m；

h——樁在局部沖刷線以下的有效長(zhǎng)度，按13.6 m 計(jì)；

τp——樁壁土的平均極限摩阻力，本工程采用鉆孔樁，入土層為上層淤泥質(zhì)土層，下層為礫砂層，由工程勘察報(bào)告查得鉆孔樁淤泥質(zhì)土層τp=7 kN/m2，礫砂層τp=40 kN/m2，加權(quán)平均換算τp=34.9 kN/m2；

A——樁尖的橫截面面積，采用樁直徑1 m，則A=0.785 m2。

σR——樁尖處土的極限承載力，kN/m2。

樁尖處土的極限承載力按下式計(jì)算：

式中：σ0——樁尖處土基本承載力，據(jù)地質(zhì)報(bào)告σ0=180 kN/m2；

md——清底系數(shù)，對(duì)于透水地基md=0.70；

K0——考慮樁尖以上土層附加荷載作用的系數(shù)，礫砂層K0=5，淤泥質(zhì)土層，Il=1.04＞0.5，K0=1.5；

γ2——樁尖以上土的天然容重，礫砂層γ2=20kN/m3，淤泥質(zhì)土層γ2=17.1 kN/m3，則加權(quán)平均換算容重γ2=19.55 kN/m3；

h1——樁尖的埋置深度，取h1=13.6 m，其中上層為淤泥質(zhì)粘土層，平均厚度2.1 m，其下層為粗礫砂層，最大揭示厚度13.80 m，底層粉質(zhì)粘土，揭示厚度3.7～3.8 m；

λ——考慮樁的入土長(zhǎng)度影響修正系數(shù)，查得透水地基λ=0.70。

代入公式，樁尖處土的極限承載力σR=1215.2kN/m2；得單樁容許承載力［P］=1 331.046 kN；閘墩樁基礎(chǔ)總?cè)菰S承載力［Pa］=9 317.322 kN；閘墩最大豎直總荷載Pi=6 101.964 kN。

樁基進(jìn)入第5 層礫砂層深13.6 m，樁直徑1 m，樁中到中間距為樁直徑的2.5 倍，每邊岸墻灌注樁沿水流方向布置7 排，垂直于水流方向布置1 排，樁總的容許豎向承載力［Pa］=9 317.322 kN，計(jì)算閘墩最大豎直總荷載Pi=6 101.964 kN，Pi＜［Pa］滿足承載力要求，安全。

根據(jù)閘基地質(zhì)情況，第4 層淤泥質(zhì)土分布較均勻，設(shè)計(jì)閘基底以下厚度＜3 m，挖除該軟弱土層難度不是很大，采取換填中粗砂結(jié)合振沖擠密加固方案較適宜，造價(jià)較低。樁基施工進(jìn)度慢，相對(duì)造價(jià)較高。擬采用換填中粗砂結(jié)合振沖擠密加固方案處理攔河閘地基，要求處理基礎(chǔ)承載力為200 kPa。

5 閘門設(shè)計(jì)

采用梁格式布置的結(jié)構(gòu)尺寸為：閘門5 500 mm×3 000 mm（寬×高）；頂橫梁截面160 mm×500 mm（b×h）；中橫梁截面250 mm×500 mm（b×h）；底橫梁截面200 mm×500 mm（b×h）；邊柱截面250 mm×500 mm（b×h）；吊點(diǎn)處縱梁截面350 mm×500 mm（b×h）；小縱梁截面200 mm×500 mm（b×h）；面板厚δ=150 mm。

閘門受水壓力及浪壓力作用，其內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 閘門內(nèi)力及配筋計(jì)算成果表

橫梁撓度值f=7.4 mm＞［f］=10.5 mm，滿足要求。橫梁裂縫寬度值0.239 mm 小于規(guī)范值0.30 mm，滿足要求。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性，對(duì)長(zhǎng)期浸水混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)干濕交替混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限不小于50 年，屬三級(jí)，水位變化區(qū)環(huán)境E 級(jí)，故混凝土標(biāo)號(hào)采用C40 混凝土，Ⅰ、Ⅱ級(jí)熱軋鋼筋，保護(hù)層最小厚度板45 mm，梁、柱50 mm。設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土平面閘門，門高3.0 m，門寬5.5 m。