劉老澗新閘除險加固方案比選分析

丁瑞 郝人藝 許委

在20 世紀中葉，我國掀起了全國性的興修水利熱潮，水閘一直以來承擔著防洪、排水等一系列的重要任務(wù)，為地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和保障民生提供了極大幫助，但是受當時設(shè)計與施工水平的影響，很多水閘都存在一些質(zhì)量缺陷，再加上幾十年的運行，水閘老化或受損等問題日益突顯，如果不采取科學(xué)性除險加固措施，對以上情況進行有效改善，便極易引發(fā)各種不良后果?；诖?，本文以劉老澗新閘項目為例，通過對水閘除險加固方案進行比選，明確各方案的優(yōu)劣勢，從而選出性價比最高的加固方案，確保水閘工程的安全穩(wěn)定運行，將其效用最大化發(fā)揮出來，造福于民。

水利水電工程是一項影響巨大的民生工程，水閘在水利工程中對防洪抗?jié)称鹬P(guān)鍵性作用，但是隨著使用的年限不斷增加，其伴隨的隱患也會逐漸增多，如未及時處理，可導(dǎo)致嚴重的后果。因此需要對水閘實施科學(xué)的評估以及合理的除險加固，通過對比選出最具經(jīng)濟性、安全性的加固方案，及時排除水閘隱患，確保水閘效益的充分發(fā)揮。本文將針對劉老澗新閘除險加固方案比選展開分析，僅供參考。

一、水利水電工程中水閘工程的建設(shè)意義

結(jié)合我國國情特征分析可發(fā)現(xiàn)，我國地域廣博，資源豐富，其中水資源較多，但是我國的水資源分配存在不合理現(xiàn)象，在一定程度上也會制約社會的發(fā)展和進步。為改善水資源分配不合理的現(xiàn)象，我國在實際的發(fā)展中建設(shè)了大量的水利工程，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展有著非常積極的作用，其中水閘是保障水利水電工程建設(shè)效益的重要組成部分，整體的施工質(zhì)量對工程效益與效用發(fā)揮有著直接的聯(lián)系。具體的施工意義如下：

1.有助于防洪減災(zāi)

水閘作為水利水電工程中的重要部分，對防洪減災(zāi)有著重大作用，在水資源匱乏時能夠開閘放水，減少旱災(zāi)的產(chǎn)生，同時在出現(xiàn)降水量過度時則可以調(diào)節(jié)水量，避免出現(xiàn)洪澇災(zāi)害等。具體來說，我國屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，其中長江流域在汛期時會受到洪水和澇災(zāi)的影響出現(xiàn)較多的問題，這一流域群眾的生命和財產(chǎn)安全受到了極大的威脅。近些年，在水利水電工程持續(xù)建設(shè)完善的背景下，水閘在汛期時及時調(diào)整調(diào)度，起到防洪和減災(zāi)的作用。水閘可以攔截和儲存洪水，同時還能夠滿足泄洪和削弱洪峰的管理目標。在實際的運行管理中，利用水閘的開閉來實現(xiàn)洪水的調(diào)節(jié)和流向的改變，由此來降低對周圍區(qū)域產(chǎn)生的各種影響，對保障周圍環(huán)境的安全和社會群眾的生命安全有著顯著的意義。

2.能夠調(diào)整水位

在上述觀點的分析中明確指出，我國的水資源是非常豐富的，但是資源的分布卻極不平衡，南北方的水量差異巨大，因此我國的人均水資源在世界上也處于落后地位。為解決和優(yōu)化這一問題產(chǎn)生的消極影響，我國在社會發(fā)展中積極建設(shè)了大量的水利水電工程，利用這一工程能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的合理分配。同時在這一工程的建設(shè)下，還能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的合理調(diào)度，可以提高水位增加水勢能，利用水力資源實現(xiàn)發(fā)電和水資源的再分配。總的來說，水利水電工程的建設(shè)對社會發(fā)展產(chǎn)生的積極作用顯著且長遠，能夠很好地滿足社會持續(xù)發(fā)展需要。水閘的廣泛應(yīng)用，能夠強化工程的建設(shè)效益和使用效益，有助于推進清潔型能源的影響力和使用率。

3.便于河流管理

我國的河流湖泊眾多，若是不優(yōu)化利用則會導(dǎo)致水資源浪費的同時產(chǎn)生各種危害，對社會發(fā)展也會產(chǎn)生不利的影響，為充分利用水資源，我國非常重視水利水電工程建設(shè)，為社會經(jīng)濟以及民生發(fā)展提供了巨大幫助。水閘可以利用自身閘門的開啟和關(guān)閉來調(diào)蓄水位，尤其是針對部分有航行要求的河流，水閘在其中起到的重要性更顯著，此能夠確保整個河道內(nèi)船舶交通調(diào)度管理的有效性，為航運和水資源的充分利用起到了關(guān)鍵性作用。

從上述不難看出，水閘對地區(qū)發(fā)展及防洪有重大意義，但為了確保水閘作用的充分發(fā)揮，還應(yīng)結(jié)合水閘項目實際，采取可行的除險加固方案，為水閘工程的安全穩(wěn)定運行保駕護航。本文將以劉老澗新閘為例，針對劉老澗新閘除險加固方案比選展開分析，詳情如下：

二、工程概況

自1976 年劉老澗新閘建設(shè)后發(fā)揮了巨大作用，劉老澗新閘屬于劉老澗樞紐排泄宿遷閘下游、黃墩湖以及沂河洪澇的控制性建筑物，位于京杭運河中運河段。對于運河中每秒800 立方米到1000 立方米的排洪任務(wù)由劉老澗二站節(jié)制閘和劉老澗新閘共同分擔，并且還兼具著洋北地區(qū)的排澇職責。劉老澗新閘關(guān)閘蓄水能夠?qū)ζ渌诜秶鷥?nèi)的工業(yè)與農(nóng)業(yè)需求充分滿足，同時還能在豐水期間達到抽水站發(fā)電目的。劉老澗新閘于2015 年工程項目安全被鑒定為三類，為了確保其安全穩(wěn)定運行，亟需對其實施進一步加固改造，通過分析比選得到可行的除險加固方案，切實提升新老澗新閘運行安全性。

圖1 劉老澗新閘外觀效果圖

三、方案分析

1.除險加固—擴孔

有兩個企業(yè)位置緊貼著劉老澗新閘北側(cè)，如果將擴孔處設(shè)計在劉老澗新閘北側(cè)，那么需要向北側(cè)加大50米，這樣才能滿足施工布置要求及基坑開挖作業(yè)標準，并將這兩個企業(yè)遷出此地。由于這兩個企業(yè)的拆遷工程需投入較大的人力、物力，所以可將擴孔位置設(shè)計在劉老澗新閘南側(cè)。閘墎除門槽段結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，其他都是內(nèi)部填充塊石的預(yù)制混凝土，其墎殼厚度為20 厘米，鑿開表層后，里面填充的塊石混凝土可見，需要重新建設(shè)閘墩。所以，在閘墩外側(cè)加固改造建設(shè)期間，將鋼筋混凝土圍包于閘墩外側(cè)，厚度控制在20厘米，每孔凈寬為4.6 米，閘孔凈寬度依據(jù)每秒500 立方米的流量計算應(yīng)為34.9 米，一共有8 個孔，其中向南側(cè)擴3 孔，凈寬總長度為36.8 米。具體加固方案共涉及十方面：第一，向南側(cè)增加3 孔，閘墩厚度為1.2 米，凈寬度為4.6 米，總體寬度加到18.6 米，并且將南側(cè)上下游翼墻拆除；第二，鋼筋混凝土作為預(yù)制塊混凝土閘墩外包材料，厚度控制在20 厘米；第三，鑿除反拱底板面層，同時鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，面層鑿除厚度為20 厘米，隨后在上面澆筑混凝土；第四，根據(jù)抗震加固規(guī)定，需要將閘上交通橋、便橋進行拆除；第五，抗震不符合規(guī)定，且排架配筋難以達標時，拆建排架、啟閉機房以及工作橋；第六，將備用發(fā)電機組與相關(guān)涉及的設(shè)備進行及時更換，并結(jié)合時代發(fā)展趨勢，構(gòu)建符合項目實際的自動化控制系統(tǒng)；第七，更換閘門、啟閉機8 臺套；第八，選擇減載加固方式，解決地震期翼墻系數(shù)過大且不均勻的問題；第九，新建備用發(fā)電機房，完善上下游水文觀測設(shè)施；第十，上下游翼墻、護坡、護底整修。結(jié)合施工設(shè)計與基坑開挖需求，工程應(yīng)整體向南擴55 米。為了確保劉老澗北側(cè)與老閘周邊的兩家企業(yè)建筑物安全，應(yīng)套打總共240 米的防滲攪拌樁進行防滲處理，此處采用的攪拌樁長度為15 米，北側(cè)與老閘分別打120 米。擴孔加固改造對于混凝土反拱底板閘墩處存在的底層受力難題未能予以解決，只能加固反拱底板面層，不利于實施封閉式項目管理。除此之外，在此方案中，北側(cè)翼墻并未被拆除，雖然保留了下來，但其為漿砌石結(jié)構(gòu)，是一種不利于抗震的磚石結(jié)構(gòu)。

2.除險加固—拆除重建

結(jié)合劉老澗新閘上下游及周邊建筑布置情況，可采取移址重建與原址拆建兩種改造加固方案。可在二站交通橋下游或者原閘和二站交通橋間進行移址重建的位置設(shè)計。最佳位置可通過比選方案來進一步確認。

（1）方案一：結(jié)合劉老澗新閘門每秒500 立方米的設(shè)計流量確定拆遷地址與施工計劃。在遷拆閘門孔時需要選擇3 孔，各孔凈寬均為10 米，閘頂與底板高程分別為11.5 米和22 米。上下游連接段選取的是圓弧翼墻連接河坡；10 度擴散角直線段連接圓弧翼墻，隨后再連接河坡。在此期間的連接段翼墻為鋼筋混凝土懸臂擋土墻。上游翼墻頂部需要安裝擋浪板，高度為1 米，整個頂部高程為21 米。下游翼墻頂部也同樣需要安裝擋浪板，高度為1 米，整個頂部高程為20 米。相鄰建筑物在施工的順利開展下為了確保其安全，可在支護期間選擇φ60 直徑攪拌樁，此樁的長度為120 米。另外，還需要從北部廠區(qū)拆除一部分，面積為1730 立方米。為了實現(xiàn)對閘門的控制，需要在上游設(shè)置混凝土散水、C20 混凝土護底，長度分別為16 米和50 米，并選用C20 混凝土對兩側(cè)包頭予以保護。除此之外，下游也需要設(shè)置2 米深、27 米長的消力池，58 米的C20 混凝土護底，12 米混凝土散水以及8 米拋石防沖槽，同時于槽外設(shè)置12 米的護坡。在此期間，上下游河流底部要控制50 米寬度。方案一優(yōu)點：①可以省去一座交通橋，鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路交通橋可選用閘上交通橋；②降排水費用有明顯節(jié)省，且上下游圍堰間并無太遠距離③閘上兩側(cè)不用對堤防高程進行提高，此處堤防已達到規(guī)定標準。方案一缺點：①原閘址南北側(cè)分別為老閘橋和一企業(yè)，為了降低對建筑物帶來的影響，需要采用臨時支護，并選擇適合的防滲處理措施；②在閘上設(shè)計的外部交通橋，由于車流量較大，所以管理難度較大，明顯增加了維修困難，無法做到封閉式管理；③需要確保支護樁施工完成后，再展開拆老閘建新閘工程，施工期間有較大風(fēng)險，且周期過于緊張；④原址拆建與鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路緊鄰，從而無法有序進行施工工場的布置。

（2）方案二：移址重建方案1。方案二布置在原大門與第二站交通橋之間。根據(jù)劉老澗新閘門建設(shè)需求，可選擇在原閘門下游108 米的位置進行新閘門的建設(shè)。結(jié)合劉老澗新閘設(shè)計的每秒500 立方米流量，在遷拆閘門孔時需要選擇3 孔，各孔凈寬均為10 米，閘頂與底板高程分別為11.5 米和22 米。上下游連接段選取的是圓弧翼墻連接河坡；10 度擴散角直線段連接圓弧翼墻，隨后再連接河坡，在此期間的連接段翼墻為鋼筋混凝土懸臂擋土墻。上游翼墻頂部需要安裝擋浪板，高度為1 米，整個頂部高程為21 米。為滿足施工要求，保證相鄰建筑物的安全，擬采用φ60 直徑攪拌樁進行支護和防滲，長度約120 米。北部廠區(qū)需要拆除約3000 平方米?？刂崎l門上游依次安裝混凝土散水16 米，C20 混凝土護底50 米；下游設(shè)27 米消力池，深度2.0 米，后設(shè)12 米混凝土散水，58 米C20 混凝土護底，8 米拋石防沖槽，并在防沖槽外設(shè)護坡至12.0 米。上下游河道底寬50 米，北側(cè)廠房外新建防洪墻，長約一百米。方案二優(yōu)點：①外部交通在閘橋分離下明顯降低了對節(jié)制閘帶來的影響，并且可以落實封閉式管理；②能縮短施工周期，同時開展拆老閘建新閘項目。方案二缺點：①老閘位置需要將寬長為8 米與60 米的交通橋進行拆除；②工程降排水成本明顯加大，上下游圍堰有較遠距離；③河道北側(cè)廠房處堤防防洪高程抬高，防洪墻在建設(shè)時，總長度要超出一百米；④拆遷成本加大，需要從閘道路穿過廠區(qū)；⑤上游北側(cè)需要臨時支護，確保緊鄰企業(yè)的安全性，并采用可行的防滲策略。

（3）方案三：移址重建方案2。為促進項目建設(shè)的順利展開，推進運營管理，應(yīng)根據(jù)劉老澗水利一站與二站樞紐工程的實際情況展開設(shè)計方案三，可選擇在二站交通橋下75 米位置設(shè)計新閘地址。結(jié)合劉老澗新閘設(shè)計的每秒500 立方米流量，在遷拆閘門孔時需要選擇3 孔，各孔凈寬均為10 米，閘頂與底板高程分別為11.5 米和22 米。上下游連接段選取的是圓弧翼墻連接河坡；10 度擴散角直線段連接圓弧翼墻，隨后再連接河坡，在此期間的連接段翼墻為鋼筋混凝土懸臂擋土墻。上游翼墻頂部需要安裝擋浪板，高度為1 米，整個頂部高程為21 米。下游翼墻頂部也同樣需要安裝擋浪板，高度為1 米，整個頂部高程為20 米?？刂崎l門上游分別安裝8 米規(guī)格拋石防沖槽；58 米規(guī)格的C20混凝土護底；12 米規(guī)格的混凝土散水；27 米規(guī)格的消力池；C20 規(guī)格的混凝土護底，并且防沖槽外設(shè)置12米的護坡。根據(jù)上下游河道70 米的底寬，需要將180米的防洪墻建設(shè)在北側(cè)廠房。選擇φ60 組攪拌樁用作劉老澗二站側(cè)堤防滲，以此來降低劉老澗站房受到基坑降水的影響。方案三優(yōu)點：①工程開展中不會對周邊建筑物造成影響，且工程布置十分便利；②閘橋分離，能夠?qū)崿F(xiàn)封閉管理，大大降低了節(jié)制閘受到外部交通帶來的影響；③可節(jié)省施工時間，可同時開展老閘建新閘項目。方案三缺點：① 在舊閘址拆除并修建一座長寬為60 米、8 米的橋梁；②施工圍堰上下游距離較長，部分項目涉及的降排水成本有明顯增加。③明顯加高了北側(cè)廠房堤防高程，對于新建防洪墻的總體長度需要達到180 米以上。

3.拆除重建方案比較

在地質(zhì)條件方面、供電方面，通過比較分析后得知，移址與原址并無明顯差異，而兩者不同處主要體現(xiàn)為：原址拆建施工周期過于緊張，施工十分困難且需要臨時支護，但加固改造費用較低；移址重建施工便利，閘橋分離使得項目管理難度低，需要加固北側(cè)堤防以及補償交通橋一座。從表1 的方案比選可以看出，方案一和方案三只差了42 萬的投資成本，而方案二投資金額較大，但考慮到整體項目實際，為了更有利于項目管理及施工，最終確定三、移址重建2 為本次加固改造方案。

表1 拆除重建方案比選

四、結(jié)論

（1）方案一，擴孔加固。可以有效加固反拱底板面層，但對于混凝土反拱底板閘墩處存在的底層受力難題未能予以解決；閘身受大量泄洪影響，導(dǎo)致振動現(xiàn)象的發(fā)生，但無法查明具體原因，故未對此處進行加固改造。（2）方案二，拆除重建。能夠?qū)崿F(xiàn)橋閘分離，使項目安全隱患得到了減少，大大防止了方案一閘上交通對于工程運行的負面影響，更有利于開展封閉式管理；同時，還降低了對周邊建筑物受到方案一中不確保施工因素帶來的破壞，為施工順利推進奠定了基礎(chǔ)。（3）經(jīng)初步投資估算，與擴孔加固改造方案相比，拆除重建方案使用的加固成本明顯高于前者，但其即在項目管理、施工、改造方面有明顯優(yōu)勢。通過各方面對比分析，本項目更適合選擇移址重建2 的拆除重建方案。