詹育玄

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518000)

水閘是水利工程中重要的水工建筑物，一個(gè)完整的水閘設(shè)計(jì)，包括水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，通過(guò)各專(zhuān)業(yè)綜合設(shè)計(jì)后施工、運(yùn)行，發(fā)揮水閘工程效益。而水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括閘址選擇、結(jié)構(gòu)布置、效能防沖設(shè)計(jì)、防滲排水設(shè)計(jì)、閘室穩(wěn)定性分析、閘底板和閘墩配筋計(jì)算等。廣東珠三角地區(qū)屬于沖積平原，地表約有10～20m的軟弱土層，建設(shè)在軟土地基上的水閘，需驗(yàn)算地基沉降，并采取有效的工程措施減少地基沉降。本文結(jié)合雙界河水閘的工程設(shè)計(jì)實(shí)例，重點(diǎn)探討水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)布置、穩(wěn)定分析及地基處理的要點(diǎn)，以供同類(lèi)工程參考。

1 概述

雙界河水閘位于廣東省深圳市寶安區(qū)境內(nèi)，寶安大道橋與湖濱中路交叉口的河道上游側(cè)。閘址上游為寶安、南山兩區(qū)建成區(qū)，下游為前海合作區(qū)。

水閘功能為塑造景觀水面，分隔上下游水體，保障上游河道受污染時(shí)不影響下游河道水質(zhì)以及滿(mǎn)足河道放干清淤檢修的要求。水閘最大過(guò)閘流量為88.4m3/s，為小(1)型工程，即工程等別為Ⅳ等，相應(yīng)建筑物級(jí)別為4級(jí)，考慮位于防洪(擋潮)堤上的水閘，其級(jí)別不得低于防洪(擋潮)堤的級(jí)別，確定水閘級(jí)別為2級(jí)。

2 工程地質(zhì)

閘址處河道地層從上到下大致可以分為四層。

(1)淤泥：場(chǎng)地淤泥具微透水性，厚度約2.0～3.5m，呈流塑～軟塑狀，含水量平均為57%，壓縮模量2.0MPa，承載力特征值為35kPa。

(2)淤泥質(zhì)砂：淤泥質(zhì)砂具中等透水性，厚度約0.5～2.0m，呈松散狀，壓縮模量5.0MPa，承載力特征值為60kPa。

(3)礫砂：礫砂具強(qiáng)透水性，厚度約0.5～1.5m，松散～稍密，壓縮模量9.0MPa，承載力特征值為160kPa。

(4)殘積土：殘積土具弱透水性，厚度約12～16m，可塑～硬塑，壓縮模量5.5MPa，承載力特征值為150kPa。

此外，河道堤身還分布著浮泥、素填土、礫砂等，成分復(fù)雜，厚度1.5～2.0m。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

(1)上游鋪蓋段

鋪蓋的位置緊靠閘底板的上游，主要是延長(zhǎng)滲徑，并兼有防沖作用。根據(jù)我國(guó)已建水閘工程經(jīng)驗(yàn)，防滲鋪蓋材料以混凝土、鋼筋混凝土或粘土鋪蓋為主。雙界河水閘采用0.5m厚的C30混凝土鋪蓋，經(jīng)計(jì)算分析，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)15m。

(2)閘室段

閘室段是水閘工程的主體，包括閘底板、閘墩、閘門(mén)、工作橋、交通橋等，應(yīng)綜合考慮水閘擋水、泄水和運(yùn)行要求布置閘室。

初步設(shè)計(jì)確定水閘閘孔總凈寬為27.0m，共分三孔，單孔寬皆為9.0m。閘墩厚度根據(jù)門(mén)槽深度和啟閉機(jī)安裝要求確定，邊墩及中墩厚皆為2.0m，閘門(mén)軸線(xiàn)錯(cuò)位布置以減少閘墩厚度。閘室垂直水流方向總寬為35.0m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)取18.80m；底板高程0.05m，厚度為1.5m。根據(jù)金屬閘門(mén)安裝要求，門(mén)槽寬1.0m，二期混凝土預(yù)留槽寬1.0m，同時(shí)于水閘閘室上下游兩側(cè)分別設(shè)置檢修閘槽，寬1.0m，二期混凝土預(yù)留槽寬1.0m。閘墩頂交通橋采用裝配式預(yù)制簡(jiǎn)支橋，橋跨35.0m，橋面寬5.0m。

(3)消力池段

消力池的作用主要是消除過(guò)閘水流的能量，防止沖刷下游河床。效能形式主要有底流式、挑流式和面流式。

平原地區(qū)的水閘，由于水頭低，下游水位變幅大，一般都采用底流消能方式。雙界河水閘消力池?cái)M采用底流式效能，下挖式結(jié)構(gòu)。根據(jù)SL265- 2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得消力池深度、長(zhǎng)度分別取1.0m、15m，消力池混凝土底板間隔布置塑料排水管，用以加快下游多余滲水排走。

(4)下游海漫段

流出消力池的水流仍不穩(wěn)定，為保護(hù)河床免受沖刷，需布置一定長(zhǎng)度的海漫繼續(xù)消除水流的余能。本工程水閘海漫段長(zhǎng)18.0m，采用拋填塊石1.0m厚。

3.2 閘室穩(wěn)定性分析

閘室穩(wěn)定計(jì)算，宜取永久縫間的獨(dú)立閘段作為計(jì)算單元，本工程水閘縱橫剖面圖如圖1、2所示。

圖1 水閘縱斷面圖

圖2 水閘橫斷面圖

(1)計(jì)算工況

根據(jù)水閘功能確定排澇河口水閘的工況水位組合如下：

工況一，完建工況：閘上下游無(wú)水。

工況二，上游擋水工況：閘上游為景觀蓄水位1.50m，下游無(wú)水。

工況三，下游擋水工況：閘上游無(wú)水，下游水位為多年平均潮水位為2.12m。

工況四，地震工況：閘上游為景觀蓄水位1.50m，下游水位為多年平均潮位0.26m，發(fā)生地震，地震加速度順?biāo)鞣较颉?/p>

(2)計(jì)算內(nèi)容

分析計(jì)算水閘閘室的抗滑穩(wěn)定，以及基底壓力分布是否滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)計(jì)算結(jié)果

各工況基底壓力分布不均勻系數(shù)均小于2.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求，工況二～工況四抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于1.3，滿(mǎn)足規(guī)范要求。經(jīng)對(duì)比，各工況中最大壓應(yīng)力為工況三的基底最大壓應(yīng)力，即87.75kPa，故本工程水閘地基承載力以此值控制。具體見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總表

由于水閘基底處于淤泥土層，地基承載力不滿(mǎn)足要求，需另行地基處理。

4 地基加固及防滲設(shè)計(jì)

閘基底土層主要為淤泥及淤泥質(zhì)砂層，厚約2.0～4.0m，壓縮性高，固結(jié)條件差，未能滿(mǎn)足水閘承載力要求，為防止水閘基礎(chǔ)較大的沉陷和不均勻沉陷，還應(yīng)對(duì)水閘及其上下游結(jié)構(gòu)基底處淤泥及淤泥質(zhì)土的軟弱地基進(jìn)行處理，以提高地基的承載力、控制地基的沉降變形。

閘址地層從上往下依次為微透水淤泥層、中等透水淤泥質(zhì)砂層和強(qiáng)透水礫砂層，水閘兩側(cè)素填土、填石為中等～強(qiáng)透水地層。

綜合考慮造價(jià)、工期和地基沉降控制等因素，閘室結(jié)構(gòu)采用水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行加固，樁徑0.6m，間距0.8m，樁長(zhǎng)6.0～7.0m；上游護(hù)底及消力池段，采用樁徑0.6m，間距1.5m，樁長(zhǎng)5.0m的攪拌樁加固軟弱地基。并在閘室底板中部形成一道攪拌樁截水墻，樁頂伸入閘底板，根據(jù)計(jì)算，垂直防滲墻的深度采用6.0m且進(jìn)入殘積土不小于1.0m控制，布置方式為φ600@450，經(jīng)攪拌樁樁截水后，水閘上下游基本無(wú)滲流，水閘地基不存在滲透破壞問(wèn)題。同時(shí)為防止水流從邊墩兩側(cè)饒滲，邊墩底部采用雙排旋噴樁處理。

5 結(jié)語(yǔ)

水閘工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程任務(wù)，必須綜合考慮水閘的功能需求和地域環(huán)境等因素，不可直接照搬類(lèi)似工程設(shè)計(jì)，尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如不經(jīng)過(guò)慎重計(jì)算分析，輕則影響水閘外觀，重則使工程失事。筆者依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)水閘建設(shè)前期應(yīng)充分論證其建設(shè)必要性，確定水閘的功能定位并選擇合理的建閘位置，避免無(wú)意義投資。

(2)必須獲得準(zhǔn)確的閘址地質(zhì)勘測(cè)資料，以綜合考慮，確定基礎(chǔ)處理方案。施工時(shí)如遇地質(zhì)情況與勘察資料有較大差異，應(yīng)及時(shí)報(bào)告建設(shè)單位，由設(shè)計(jì)單位出具變更方案。

(3)對(duì)于軟土地基上的水閘地基處理，水泥攪拌樁是一種行之有效且節(jié)省投資的處理方式。注意施工時(shí)應(yīng)換填一定厚度的上部軟土，以創(chuàng)建樁基施工平臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮。

[1] 鄒立博. 沖沙閘滲透穩(wěn)定計(jì)算及消力池防沖設(shè)計(jì)[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(09)．

[2] 羅啟鉅. 加強(qiáng)水閘施工中的軟基處理工作探析[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè), 2015(09)．

[3] 安普太. 土基水閘滲流穩(wěn)定分析與防滲措施探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(10)．

[4] 梁曉明. 采用灌注樁進(jìn)行水閘基礎(chǔ)處理實(shí)例[J]. 黑龍江水利科技, 2006(02)．

[5] 沈杰, 許海紅. 幾種水閘維修加固的新方法[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2013(08)．

[6] 曹成. 淮北平原大溝建閘蓄水技術(shù)方案探析——以埇橋區(qū)隨堤溝建閘蓄水為例[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2017(01) ．

[7] 唐安軍, 劉紅. 論水利工程常用地基處理方法[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2010(06)．

[8] 楊代齊. 水工建筑物基礎(chǔ)處理探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(08)．

[9] 孫桂喜. 渾河閘應(yīng)急除險(xiǎn)加固工程建設(shè)探究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016(07)．