淠河總干渠戚家橋泄水閘拆除重建工程設計

李國齊

(安徽省淠史杭灌區管理總局設計院，安徽 合肥 230000)

戚家橋泄水閘已運行50余年， 2009-03月進行了安全檢測和鑒定，鑒定結論如下：① 水閘閘墩為漿砌石結構，風化嚴重，不滿足抗震強度安全要求；② 閘室混凝土結構破損開裂，鋼筋銹蝕嚴重；③ 下游翼墻基底應力不滿足規范要求；④ 消力池長度、深度均不滿足要求，無防沖槽；⑤ 鋼閘門及門槽埋件銹蝕嚴重，啟閉機設備老化；⑥ 無觀測設施，管理設施陳舊簡陋。

按照《水閘安全鑒定規定》規定，戚家橋泄水閘評定為(三)類閘，擬對該閘進行拆除重建。

1 工程布置及主要建筑物設計

1.1 閘址選擇

根據工程地質勘探報告，該閘址工程地質條件較好，閘址建基面位于②層粘土夾粉質粘土上，承載力較高，滲透性弱。原址重建可以利用原泄水通道，減少大量土方開挖和工程占地，節約工程投資，故本次設計擬在原閘址進行拆除重建。

1.2 建設方案比選

(1)閘室結構型式比選?？紤]到閘上水頭較高，設計擬定開敞式和潛孔式2種閘室型式進行技術經濟比較，如表1所列。

表1 戚家橋泄水閘閘室結構經濟比較表

注：2方案相同項目工程量未列入比較范圍。

根據上述比較結果，潛孔式閘室方案存在工程投資較省、操作運行方便、可靠性高等優勢，故本設計確定采用方案2潛孔式閘室結構。

(2)底檻高程選擇。本次戚家橋泄水閘加固方案為原址拆除重建，原閘坎高程47.33m，與上下游渠底高程銜接順暢，且原閘基座落在粉質粘土層，其下為細砂層，不宜作為閘室基礎，故選擇閘底檻高程不變。

(3)閘孔凈寬比選。閘檻高程確定后，根據水閘的設計流量及水位，計算確定閘室凈寬14m，考慮選擇多孔閘。為便于閘門的對稱開啟，使水閘水流均勻，閘孔數以單數為好，因此選擇3孔和5孔2種方案進行技術經濟比較。

表2 閘孔孔徑技術經濟比較表

注：2方案相同項目工程量未列入比較范圍。

以上2種孔徑均能滿足過流要求，方案2投資較大，因此本設計選用方案1。

(4)閘室底板結構型式比選。戚家橋泄水閘閘基為土基，閘室底板總寬度19.4m，閘頂設有交通橋，橋面板厚度較大，整體結構受力條件較好，閘室橫剖面可作為箱涵框架考慮，根據《水工鋼筋混凝土設計規范》混凝土結構伸縮縫最大間距可達30m，故閘室底板采用整體式結構。

1.3 水閘總體布置

1.3.1 閘室布置

(1)底板結構布置。閘室基礎為土基，為有效減小邊墻2側土壓力的影響，閘室底板采用箱涵式整體結構，3孔1聯。

(2)閘墩結構布置。為滿足閘室穩定要求，增加閘室有效重量和獲得較理想的閘室流態，閘墩采用鋼筋混凝土實體結構，其長度與閘室底板等長，中墩厚度根據主門槽及啟閉機臺排架柱的布置要求確定為1.0m，上、下游作成圓弧形墩頭，以改善閘室上下游流態。邊墩設計充分考慮兩側土壓力荷載影響，由于本閘室為箱涵式整體結構，受力條件較好，邊墩厚度取1.0m。

(3)閘門及啟閉臺。該閘座落在粉質粘土上，綜合考慮閘址和兩岸連接道路情況，將工作門、啟閉機臺布置在下游側，交通橋布置在上游側。工作閘門選用直升式露頂平板定輪鋼閘門，在工作門上游側布置檢修門槽。胸墻頂與閘門齊平，與閘墩固結，增加閘室結構橫向剛度。

(4)閘上交通橋和檢修便橋?？紤]到與現狀閘頂交通橋兩岸道路的順暢連接，閘上交通橋布置在閘室上游側，與閘墩整澆，橋面寬6.0m，梁板式結構，在工作門前后均布置檢修便橋。

(5)橋頭堡布置。橋頭堡緊鄰左右邊墩布置，采用空箱式岸墻基礎，橋頭堡內布置監控室。

1.3.2 地下輪廓布置

水閘地下輪廓線的長度取決于閘基的地質條件和水閘上下游水位差等因素，閘基防滲長度參照土基水閘閘基防滲長度式(1)計算：

L=C×ΔH

(1)

該上下游最大水頭差4.6m，閘基防滲長度需23m，閘基實際防滲長度為30.9m，滿足防滲要求。

1.3.3 消能防沖布置

閘下消能設施一般有挖深式、尾坎式和綜合式，本次設計采用綜合式消力池，消力池末端設干砌石海漫和防沖槽。

1.3.4 兩岸連接布置

根據地形情況，上游兩側翼墻采用圓弧形重力式毛石混凝土擋墻，墻高5.0m，順水流向長10.0m。

閘室下游翼墻采用C25鋼筋混凝土扶臂式結構，墻高6.60m，垂直水流向長12.6m。

1.3.5 觀測設施布置

為監測水閘的工作狀態，本工程設置了水位標尺、沉降標點、測壓管等觀測設施。

1.4 水力設計

1.4.1 過流能力復核

表3 戚家橋泄水閘過流量計算成果表

1.4.2 消能防沖計算

水閘消能防沖計算應根據該閘實際功能和后期運行調度工況，選取最惡劣工況進行控制計算。

(1)消力池池深計算。消力池設計初擬尾坎式消能工進行試算，水躍計算利用《水閘設計規范》附錄B公式計算。

(2)消力池長度。消力池長度采用式(2)計算：

Lsj=Ls+βLj

(2)

Lj=6.9(h〃c-hc)

(3)消力池底板厚度。消力池底板厚度可根據抗沖和抗浮要求按以式(3)、式(4)計算，并取其最大值：

(3)

(4)

(4)海漫長度計算。海漫長度按式(5)計算：

(5)

(5)河床沖刷坑深度計算。海漫末端的河床沖刷坑深度按式(6)計算

(6)

上游鋪蓋首段沖刷深度：

(7)

通過計算，消能防沖設計計算值與設計值對照如表3所列。

表3 戚家橋泄水閘消能防沖計算成果表

根據以上計算結果，設計布置的消力池長、墻高、底板厚度及海漫長度、防沖槽深度均滿足要求。

1.5 穩定計算

1.5.1 閘室抗滑穩定驗算

為了保證水閘的穩定性，故需對閘室穩定進行校核。

(1)抗滑穩定計算?？够€定安全系數kc按式(8)計算:

kc=f∑G/∑H

(8)

(2)閘室基底應力計算。閘室基底應力P按式(9)計算:

P=∑G/A±∑M/W

(9)

(3)地震慣性力的計算。采用擬靜力法計算地震慣性力，沿建筑物高度作用于質點i的水平向地震慣性力代表值按式(10)計算:

F1=αhεGE1α1/g

(10)

表4 閘室穩定計算成果表

計算結果表明,閘室基底應力小于地基承載力，抗滑穩定安全系數大于規范允許值，滿足規范要求。

1.5.2 閘室抗浮穩定驗算

當閘室設有兩道檢修閘門或只設一道檢修閘門，利用工作閘門與檢修閘門進行檢修時，應進行閘室抗浮穩定計算。計算公式如式(11)：

Kf=∑V/∑U (11)

計算結果表明，閘室抗浮穩定滿足要求。

1.5.3 翼墻穩定計算

選取最大墻高處作為典型計算剖面，計算結果如表6、表7所列。

表6 上游毛石擋土墻穩定計算成果表

表7 下游扶壁擋土墻穩定計算成果表

經計算，戚家橋泄水閘擋土墻抗滑、抗傾穩定及基底應力均滿足規范要求。

2 結束語

安徽省水利廳以皖水基涵[2012]166號文對戚家橋泄水閘拆除重建工程進行了批復，批復總投資914萬元，工程于2012-09月開工建設，2013-12月通過省水利廳組織的竣工驗收并投入運行，工程質量優良。該項目的實施在防洪減災及改善灌溉面積方面每年直接經濟效益215萬元，投資回收期12年，工程效益十分可觀。