劉美義 李秀雯 王桂生

1 分析規(guī)劃成果,初步確定規(guī)劃參數(shù)

江風(fēng)口分洪閘位于山東郯城李莊鎮(zhèn)沂河右堤樁號(hào)44+030處,是分沂河洪水入邳蒼分洪道的控制性建筑物。該閘建于1955年6月,為山東治淮第1閘。老閘共7孔,每孔凈寬12m,總凈寬84 m,為低實(shí)用堰型胸墻式水閘。建成以來曾多次開閘分洪,為沂河洪水調(diào)度起到了巨大作用。本次沂河治理按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),當(dāng)上游河道來流12 000 m3/s時(shí),要求沂河承泄8000m3/s,江風(fēng)口閘分泄4 000m3/s。原江風(fēng)口閘按照20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),經(jīng)初步測(cè)算,原7孔老閘分洪能力不滿足設(shè)計(jì)要求,需進(jìn)行擴(kuò)建。

對(duì)分洪閘的設(shè)計(jì)洪水位,有人認(rèn)為應(yīng)按分洪臨界流量時(shí)的水面線推求,這是不安全的,應(yīng)考慮在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最高水位。這一水位一般出現(xiàn)在即將分洪時(shí)刻,按上游最大來流12 000 m3/s時(shí)的水面線推求是工程安全的設(shè)計(jì)條件。由上游控制樁號(hào)推至江風(fēng)口閘上樁號(hào)49+430處水位58.98 m,以此水位作為設(shè)計(jì)洪水位,相應(yīng)閘下水位按未分洪消力池水位考慮。至于分洪水位,由工程總布置圖(圖1),閘前洪水處于三岔口,分洪后必將引起水位降落,若按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算閘孔規(guī)模,則計(jì)算結(jié)果閘孔寬度偏小,故分洪規(guī)模不能按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算,而應(yīng)采用分洪降落影響后的水位。流量系數(shù)、行近流速的選取,也要根據(jù)流態(tài)和上下游水位銜接情況研究選用。前期階段考慮河道比降、水頭跌落等因素按照數(shù)學(xué)模型計(jì)算閘前200 m處水位58.69 m,行近流速2.2 m/s。閘下水位考慮分洪設(shè)計(jì)流量和區(qū)間來水按照均勻非恒定流洪水水面線推至閘下200 m處水位為57.93 m。

2 進(jìn)行水工模型試驗(yàn),合理確定擴(kuò)孔規(guī)模

圖1 江風(fēng)口分洪閘位置總布置示意圖

江風(fēng)口原7孔老閘閘室采用低實(shí)用堰型結(jié)構(gòu),堰頂高程50.80 m,為與老閘相協(xié)調(diào),擴(kuò)建閘室堰頂高程、孔口寬度均與老閘一致,按照前面設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算,擴(kuò)建4孔后總泄量為4 007 m3/s。數(shù)學(xué)模型中閘前水位和行近流速等設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理,應(yīng)采用物理模型進(jìn)一步驗(yàn)證,為此,初步設(shè)計(jì)階段安排水工模型整體試驗(yàn)。模型范圍:閘上、下游沂河長分別為600 m和1 000 m,閘下邳蒼分洪道長700 m,沂河橫向與邳蒼分洪道取至最高水位所涵蓋的全部地形。通過拉毛或碎石梅花加糙,沂河主槽糙率n沂主=0.030,沂河灘地糙率n沂灘=0.038,邳蒼分洪道河道糙率n邳主=0.035,邳蒼分洪道灘地糙率n邳灘=0.045。整體水工模型采用正態(tài)模型,模型比尺1∶60,相應(yīng)的流量比尺 Qr==27 885.481,流速比尺 Vr==7.746,糙率比尺nr==1.979。沂河流量12 000 m3/s時(shí)控制沂河47+810(李莊閘)水位57.64 m和江風(fēng)口閘下0+200水位57.93 m。水流穩(wěn)定以后,實(shí)測(cè)邳蒼分洪道分泄4 030m3/s,相應(yīng)閘前0-200水位為58.39 m,行近流速平均值為3.3 m/s。將這2個(gè)參數(shù)代入公式驗(yàn)算,擴(kuò)建總泄量為4 076m3/s(其中7孔老閘泄量2 593 m3/s,4孔新閘泄量1 483 m3/s)?？梢钥闯?數(shù)學(xué)模型閘前水位高出模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)閘前水位0.30 m,但計(jì)入閘前行近流速的總水頭H0是非常接近的,過流能力計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值試驗(yàn)差為11%。分析認(rèn)為,造成這種差別的主要原因是河道斷面變化大和計(jì)算公式中參數(shù)存在取值誤差。

3 結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn),制定切實(shí)可行的擴(kuò)建方案

3.1 新老閘孔之間共用1個(gè)閘墩

我國近年來多座水閘擴(kuò)建,為避免基坑開挖、施工降水等造成老建筑物損壞,這些水閘的擴(kuò)建部分與老閘分開布置,中間設(shè)置分流島。江風(fēng)口分洪閘右岸為質(zhì)地堅(jiān)硬白堊系青山組的強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化火山碎屑巖,其中強(qiáng)風(fēng)化巖地基承載力建議值400 kPa,中等風(fēng)化巖地基承載力建議值2 000 kPa,自老閘邊墩外邊緣至左側(cè)約60 m范圍內(nèi)巖石層面高,再往左則為地基較差的泥巖。老閘左邊墩為混凝土重力石擋土墻結(jié)構(gòu),斷面型式為下部底寬6.9 m、頂寬1.2 m梯形結(jié)構(gòu),老邊墩迎水面布置弧門支座,墩頂布置有公路橋和工作橋排架?？紤]老閘邊墩地基堅(jiān)硬,且閘墩上部設(shè)有撐梁等,只要加以適當(dāng)保護(hù),施工中混凝土鑿除與澆筑時(shí)不會(huì)發(fā)生老閘墩斷裂、傾覆。因此,決定采用將新閘墩與老閘澆筑在一起布置的建設(shè)方案。即將老閘邊墩背水側(cè)鑿除部分老混凝土,并綁澆筑鋼筋混凝土,將老閘邊墩加固改造成新、老閘孔結(jié)合的中墩,閘墩兩側(cè)均布置支撐弧型鋼閘門的支座。為盡量減少因大量混凝土鑿除而拖延工期,確保施工時(shí)閘墩的側(cè)向穩(wěn)定和運(yùn)行期結(jié)構(gòu)安全,經(jīng)過大量的分析和核算,確定新老結(jié)合墩寬度為5 m(老閘中墩厚2 m,新閘中墩厚1.8 m)。結(jié)合墩上、下游容易形成紊流區(qū),為改善水流流態(tài),其上、下游均設(shè)置流線型墩頭(見圖2)。該方案具有閘室結(jié)構(gòu)緊湊、流態(tài)好、開挖量少、占地范圍小和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 新、老閘共用閘墩

3.2 新老閘布置一致的防滲排水體系

因巖石存在裂隙,老閘閘室底板上游側(cè)及翼墻前布置了灌漿帷幕。擴(kuò)建新閘大底板下為5～2層中等風(fēng)化巖石,巖石透水率8～18 Lu,小底板下局部為強(qiáng)風(fēng)化巖,為中—強(qiáng)透水性巖層。施工開挖后發(fā)現(xiàn)閘室及岸墻下巖基除存在少量松動(dòng)、風(fēng)化巖外,絕大部分巖石較為完整,但地下巖石裂隙難于準(zhǔn)確探測(cè)。施工時(shí)要求必須清除建基面上松動(dòng)、破碎巖石,超挖部分采用C20素混凝土回填,然后再按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行帷幕灌漿,灌漿帷幕設(shè)計(jì)底高程40.8 m,平均孔距1.50 m。帷幕防滲體右側(cè)與老閘翼墻底板(翼墻已拆除)上的原帷幕灌漿銜接形成封閉,左側(cè)與布置在上游翼墻底板前趾上的帷幕灌漿形成封閉,帷幕灌漿防滲體透水率不大于5 Lu。

邳蒼分洪道平時(shí)干涸,分洪時(shí)閘下起始水位低,為避免閘下消能形成的負(fù)壓和消力池下巖石滲水將消力池頂起,老閘消力池底板下設(shè)置盲管排水溝。擴(kuò)建新閘消力池底板下排水設(shè)置斷面尺寸為0.3m×0.3m的8橫6縱排水盲溝,縱向排水溝滲水匯入橫向排水溝內(nèi),橫向排水溝汲水排入翼墻后面的排水體內(nèi),再由設(shè)置在翼墻上的排水管導(dǎo)入消力池內(nèi)；消力池始端設(shè)置1排深層孔幕,孔直徑8 cm,底高程40.80 m,孔間距1.5 m,深層排水幕將閘基滲水通過消力池底板下的排水盲溝排至翼墻后。排水盲溝內(nèi)埋設(shè)第3代加勁軟式排水管,其支撐體為高強(qiáng)鋼絲,外覆高強(qiáng)力特多龍紗經(jīng)紗、特殊纖維緯紗和無紡?fù)凉た椢锝M成的透水材料,具有透水、通水性高,便于接頭、轉(zhuǎn)彎處理、防淤堵等有優(yōu)點(diǎn),性能可靠,施工方便。

4 新閘擴(kuò)建兼顧老閘,設(shè)置合理的檢修設(shè)施

江風(fēng)口老閘上游無檢修設(shè)施,因沂河新建李莊攔河閘使得該閘的檢修條件發(fā)生了變化,擴(kuò)建新閘和老閘均需要設(shè)置檢修門。水閘檢修門一般采用疊梁門,擴(kuò)建新閘采用這種檢修方式是容易做到的。但對(duì)閘室順?biāo)鞣较蜷L度僅18 m的7孔老閘來說,閘室長度偏短,于老閘墩上開設(shè)門槽布設(shè)檢修門的難度大?？紤]工程實(shí)際情況,擴(kuò)建新閘檢修設(shè)施兼顧老閘,共同采用1套浮箱式鋼閘門,浮箱門尺寸為14.5 m×4m×2 m(長×寬×高)。新老結(jié)合墩設(shè)置浮箱門檢修門槽,門槽尺寸2 m×1.5 m(寬×深),擴(kuò)建閘墩上游墩頭、底板上設(shè)置預(yù)埋件,7孔老閘上游墩頭、底板浮箱門停靠位置經(jīng)打磨、修整處理。其工作原理是:工作門檢修時(shí),將浮箱門拖曳至閘墩前部就位,浮箱門充水下沉擋水檢修,檢修工作完成后浮箱門排水浮起,拖走。