何 麗，王珊珊

(德州市水利勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 德州 253000)

1 工程概況

三劉攔河閘位于德州市陵城區(qū)馬頰河干流210+000里程處，由山東省根治海河指揮部設(shè)計(jì)興建，于1970年11月開(kāi)工，1971年8月竣工，為11孔開(kāi)敞式鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)。閘底板高程8.58 m，閘前堤頂高程15.81 m。設(shè)計(jì)防洪流量759 m3/s，相應(yīng)閘上水位15.04 m；排澇流量496 m3/s，相應(yīng)閘上水位13.61 m。設(shè)計(jì)蓄水量570×104m3，最大蓄水量610×104m3，屬中型水閘。主要工程任務(wù)為蓄水灌溉，受益范圍為林子鎮(zhèn)、滋鎮(zhèn)、翟家3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)灌溉面積0.266 7×104hm2，控制流域面積5 772 km2。按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016)、《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)規(guī)定，工程等別為Ⅲ等，攔河閘按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

2 工程現(xiàn)存主要問(wèn)題

三劉攔河閘是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧生態(tài)環(huán)境等綜合利用的中型水利工程，建成運(yùn)行近40年，在防洪排澇和灌溉中發(fā)揮了巨大的作用，效益顯著。水閘前后河道多年淤積，閘室前后淤積嚴(yán)重，河槽基本淤平，現(xiàn)狀過(guò)流能力不足，嚴(yán)重影響排澇、泄洪和蓄水灌溉。閘墩和交通橋混凝土老化、碳化、開(kāi)裂、破損、露筋，機(jī)架橋矮、閘門(mén)提不到設(shè)計(jì)高度危及閘室運(yùn)行安全。閘門(mén)銹蝕、啟閉機(jī)及附件工作性能差、電氣及自動(dòng)控制設(shè)備老化失修，閘門(mén)與閘墩間止水橡皮氧化破損、漏水嚴(yán)重。三劉閘現(xiàn)存典型問(wèn)題見(jiàn)圖1。

圖1 三劉閘現(xiàn)存典型問(wèn)題

根據(jù)水閘現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)布置，閘基滲流異常值達(dá)到33 mV，滲透變形嚴(yán)重。閘底板斷裂現(xiàn)狀也證明閘基滲透變形嚴(yán)重，對(duì)閘室安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。平板閘按堰流公式對(duì)三劉閘過(guò)流能力進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果表明：50年一遇設(shè)計(jì)防洪水位14.64 m，設(shè)計(jì)防洪流量900 m3/s，而水閘現(xiàn)狀最大過(guò)閘流量為770.18 m3/s，水閘現(xiàn)狀過(guò)流能力不滿(mǎn)足要求。閘基現(xiàn)狀防滲長(zhǎng)度23.72 m小于規(guī)范計(jì)算的42.28 m要求，出口段滲透坡降0.867大于規(guī)范0.4～0.5指標(biāo)要求，閘基防滲和滲流均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。水閘現(xiàn)狀過(guò)流能力嚴(yán)重不足、閘基防滲及滲流性能差、閘墩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、輔助設(shè)施老化嚴(yán)重等，急需進(jìn)行詳細(xì)除險(xiǎn)加固處理，以恢復(fù)水閘正常的農(nóng)業(yè)灌溉和防洪排澇功能[1-2]。

3 三劉攔河閘拆除重建設(shè)計(jì)

3.1 拆除重建方案優(yōu)化比選

3.1.1 閘址比選

結(jié)合三劉攔河閘現(xiàn)狀地形及地質(zhì)水文條件，設(shè)計(jì)優(yōu)選原閘址和引水閘閘址209+850篤馬河河口附近兩個(gè)閘址進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

從表1可以看出，在原閘址位置拆除重建新閘具有地形地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、拆除料石重復(fù)利用、地基處理費(fèi)用低、工程投資較少等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素綜合分析，優(yōu)選原閘址210+000處拆除重建方案。

表1 閘址選擇方案對(duì)比

3.1.2 閘型比選

在原閘址210+000處通過(guò)拆除重建方式，恢復(fù)水閘農(nóng)業(yè)灌溉和防洪排澇功能效益。綜合考慮各方面因素，設(shè)計(jì)優(yōu)選提升閘、底軸翻板鋼閘、橡膠壩3種閘型進(jìn)行比選，見(jiàn)表2。

表2 閘型選擇方案對(duì)比

從表2可以看出，3種閘型均能滿(mǎn)足工程攔蓄灌溉和防洪排澇功能。綜合比選表明，提升閘方案雖阻水性能較大，但相比另外兩個(gè)方案其運(yùn)行靈活、檢修維護(hù)便捷、使用壽命長(zhǎng)，且投資也較適中，因此優(yōu)選提升閘閘型。

3.2 攔河閘構(gòu)建物布置

三劉攔河閘設(shè)計(jì)蓄水位13.08 m，蓄水量570×104m3；最大蓄水位13.58 m，蓄水量610×104m3；排澇流量496 m3/s，防洪流量900 m3/s。

3.2.1 閘底板高程確定

閘底板高程應(yīng)根據(jù)河底高程、水流、泥沙、閘址地形、閘址地質(zhì)等條件，結(jié)合選用的堰型、門(mén)型，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。三劉攔河閘為除險(xiǎn)加固工程，因此閘底板高程與原閘底板高程齊平，即與河底高程齊平,高程為8.58 m。

3.2.2 結(jié)構(gòu)布置

攔河閘布置在主河槽內(nèi)，為樁基開(kāi)敞式閘室，8孔，每孔凈寬10 m，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.0 m，總寬88.4 m。底板為分離式平底板，順?biāo)蜷L(zhǎng)15 m，頂面高程為8.58 m，與小底板間設(shè)永久止水縫。承臺(tái)寬5 m，厚1.5 m，下設(shè)12根直徑1.0 m鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，垂直水流向分兩排布列，入土深28 m。小底板厚0.70 m。

閘室中部閘墩側(cè)設(shè)76 cm×35 cm(寬×深)閘門(mén)槽，置10 m×5 m雙吊點(diǎn)平板鋼閘門(mén)，其上游側(cè)設(shè)60 cm×30 cm檢修工作門(mén)槽，鋼結(jié)構(gòu)疊梁平板門(mén)，可在水深4.5 m以下進(jìn)行檢修；中墩墩身上下游均設(shè)半圓墩頭。閘墩頂高程16.08 m，上游側(cè)設(shè)寬1.2 m工作橋。

閘上游連接段由鋪蓋、上游護(hù)坡組成。C25鋼筋砼鋪蓋長(zhǎng)25.0 m、寬88.4 m，厚0.5 m，兩岸采用M10漿砌石護(hù)坡和C25鋼筋砼弧形翼墻。上游護(hù)坡頂高程15.58 m。閘下游連接段由反濾蓋板、消力池、海漫、下游防沖槽及下游護(hù)坡組成。消力池為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池深1.2 m，寬88.4 m，總長(zhǎng)20.0 m，底板厚0.5 m；其后為長(zhǎng)35 m的M10漿砌塊石海漫，海漫頂高程8.58 m，護(hù)砌厚度0.4 m；海漫下游為拋石防沖槽，順?biāo)鏖L(zhǎng)度為1.2 m，拋石深度2.0 m，兩側(cè)采用M10漿砌石護(hù)坡。下游護(hù)坡頂高程15.58 m。消力池、海漫和拋石防沖槽兩側(cè)均采用M10漿砌石護(hù)坡。

4 攔河閘構(gòu)建物設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 過(guò)流能力計(jì)算

50年一遇設(shè)計(jì)防洪水位14.64 m，設(shè)計(jì)防洪流量900 m3/s。按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)要求[3-4]，平原地區(qū)水閘過(guò)閘的上下游水位差可采用0.1～0.3 m，設(shè)計(jì)選定B0=80 m為宜，相應(yīng)上下游水頭差為防洪時(shí)期Z=0.129 m，相應(yīng)閘前水位為14.769 m；校核時(shí)期Z=0.183 m，相應(yīng)閘前水位為14.823 m。設(shè)計(jì)閘底板高程8.58 m，8孔，每孔凈寬10 m，閘門(mén)高5 m，閘孔凈寬80 m。在設(shè)計(jì)流量900 m3/s時(shí)，取行進(jìn)流速為1.29 m/s，上下游水位差取0.183 m，此時(shí)閘孔過(guò)流能力為1 076.38 m3/s，大于900 m3/s，水閘過(guò)流能力滿(mǎn)足要求。

4.2 水閘改造后對(duì)河道防洪能力的影響

采用平底閘堰流處于高淹沒(méi)度條件，在不同行洪流量工況下分別進(jìn)行分析，計(jì)算得到三劉閘改造后壅水結(jié)果，見(jiàn)表3。

從表3可知，水閘改造后閘前水深加大，閘前淤積得到處理，蓄水能力擴(kuò)大[5]；閘孔總凈寬由改造前61.6 m增加至80 m，水閘行洪斷面增大，行洪能力增加；壅水高度較改造前減小，泄水水流受阻阻力降低，行洪過(guò)流通暢。

表3 水閘改造前后壅水計(jì)算成果

4.3 消能計(jì)算

水閘下游河道主河槽近似為梯形斷面，渠底寬35 m，邊坡1∶2.5，比降1/6 600，糙率選用0.025，水位流量關(guān)系按明渠均勻流進(jìn)行分析。閘門(mén)不同開(kāi)啟高度水力特性見(jiàn)表4。

表4 消力池水力特性計(jì)算成果

根據(jù)表4計(jì)算成果，海漫計(jì)算得34.68 m，沖刷深度計(jì)算得d′=6.54 m。參照水閘設(shè)計(jì)規(guī)范條文說(shuō)明防沖槽計(jì)算值一般較大[6]，如按6.54 m作為防沖槽深度，既不經(jīng)濟(jì)，施工也困難，工程經(jīng)驗(yàn)一般取防沖坑深度1.5～2.0 m。由計(jì)算結(jié)果結(jié)合工程實(shí)際情況并參照同類(lèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)優(yōu)選消能防沖設(shè)施尺寸為：消力池深度為1.2 m，池長(zhǎng)14.2 m，底板厚0.5 m，海漫長(zhǎng)35 m，防沖槽深度2 m。

4.4 閘室穩(wěn)定性分析

閘基采用混凝土灌注樁基，分離式小底板，上部荷載通過(guò)承臺(tái)由樁基承擔(dān)[7]。閘室穩(wěn)定性分析計(jì)算工況為：①完建無(wú)水工況:地下水位在承臺(tái)以下；②設(shè)計(jì)蓄水位工況:上游擋水高程13.08 m，下游尾水高程8.580 m，排水有效；③校核蓄水位工況:上游擋水高程13.58 m，下游尾水高程8.580 m，排水有效。按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2016)推薦公式,計(jì)算得三劉攔河閘閘室和閘墩穩(wěn)定性分析成果，見(jiàn)表5和表6。

表5 閘室穩(wěn)定性計(jì)算成果

表6 閘墩抗滑穩(wěn)定性計(jì)算成果

從表5和表6可知，不同運(yùn)用工況條件下，閘室地基應(yīng)力均大于300 kPa指標(biāo)。閘室段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的1.25允許值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

三劉攔河閘是陵城區(qū)重要的攔蓄灌溉和防洪排澇工程。由于受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量較差和管理維護(hù)措施落實(shí)不到位等因素的影響，加上近40年運(yùn)行，攔河閘存在閘前后河道和閘室前后淤積、泄流能力不足；閘墩混凝土碳化漏筋、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差；過(guò)流凈寬不足、泄洪排澇不暢；防滲止水老化缺失、滲漏嚴(yán)重等問(wèn)題，急需通過(guò)詳細(xì)計(jì)算分析優(yōu)選合適除險(xiǎn)加固改造方案，以恢復(fù)攔河閘的蓄水灌溉和防洪排澇功能。

根據(jù)攔河閘現(xiàn)存主要問(wèn)題、河段地形地貌和閘室結(jié)構(gòu)，結(jié)合調(diào)洪分析成果，優(yōu)選地形地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工便捷和工程投資較經(jīng)濟(jì)的原閘址拆除重建方案和提升閘閘型。通過(guò)原閘址拆除重建工程的實(shí)施，攔河閘不僅閘前水深增加，河水?dāng)r蓄能力增大，可為灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠、足量水資源。同時(shí)，閘孔凈寬增加，壅水高度降低，閘自身防洪排澇性能增大，泄水阻力降低行洪過(guò)流通暢，避免上游洪水漫堤，確保兩岸居民人身財(cái)產(chǎn)安全。