蔡 俠，孟凡強(qiáng)，王 程

（1.天津市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，天津 300204；2.天津生態(tài)城泰達(dá)海洋技術(shù)開發(fā)有限公司，天津 300480）

1 工程概況

中新天津生態(tài)城臨海新城1#、2#水閘位于天津市濱海新區(qū)臨海新城南圍堤，是臨海新城水系連通二期工程的一部分。1#水閘位于臨海新城南圍堤中間位置，距離南圍堤起點(diǎn)約3.2 km；2#水閘距離南圍堤起點(diǎn)約5.4 km，距離1#水閘約2.2 km。

臨海新城南圍堤為天津市防潮體系的一部分，防潮標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，1#、2#水閘位于南圍堤，因此其防潮標(biāo)準(zhǔn)均為200 a一遇，工程級(jí)別均為1級(jí)。1#水閘最大過閘流量551.12 m3/s，2#水閘最大過閘流量770.40 m3/s。1#、2#水閘均為臨海新城水系統(tǒng)的進(jìn)水閘，保證臨海新城區(qū)域內(nèi)外水系連通，滿足水系換水需要。在風(fēng)暴潮極端天氣條件下，關(guān)閉水閘，與臨海新城防潮堤工程共同構(gòu)成該區(qū)域防潮御災(zāi)體系，抵御外海風(fēng)暴潮對(duì)島體陸地和水系統(tǒng)的襲擊，確保城市防潮安全。在平常天氣下，1#、2#水閘與3#～6#水閘共同實(shí)現(xiàn)“南進(jìn)北出”水體交換。當(dāng)遇到大暴雨時(shí)，為保證臨海新城的排澇安全，需要提前開閘騰空水系以承接降水。

1#、2#水閘位于新開挖 1#、2#河道與規(guī)劃南邊界交匯處。迎海側(cè)起點(diǎn)為現(xiàn)狀圍堤臨海側(cè)坡腳，終點(diǎn)為新開挖1#、2#河道，水閘兩側(cè)與南圍堤順接。主體工程主要包括進(jìn)口拋石護(hù)砌段、進(jìn)口漸變段、堤前檢修閘段、穿堤段、堤后閘室段、堤后檢修閘段、出口護(hù)底段及出口連接段，順?biāo)鞣较蛉L均為173 m。

2 閘址選擇

南圍堤 1#、2#水閘北側(cè)均連接臨海新城 1#、2#河道，因此水閘在南圍堤沿東西方向的位置已確定，閘址比選主要比選水閘距離規(guī)劃海堤的位置。本文比較了2 個(gè)方案，方案1 沿規(guī)劃海堤建設(shè)，方案2 為在方案1的基礎(chǔ)上向內(nèi)河側(cè)（背海側(cè)）平移25 m。根據(jù)水閘規(guī)范，水面較寬的水閘，如果不是正向進(jìn)水，可設(shè)置一定長度的導(dǎo)水堤[1]。1#、2#水閘的主要功能為進(jìn)水閘，閘址向內(nèi)河側(cè)平移，臨海側(cè)閘前擋墻可起到一定的導(dǎo)水效果。由于閘址向內(nèi)河側(cè)平移，因此方案2風(fēng)浪相對(duì)小，有利于水閘冬季防冰，并且可以降低施工圍堰的長度。該方案是比較經(jīng)濟(jì)的。方案1 雖然布置較平順，但臨海較近風(fēng)浪大，且圍堰長度較長，增加了工程造價(jià)。因此，推薦方案2，閘址與規(guī)劃海堤相比向內(nèi)河側(cè)（背海側(cè)）平移25 m。

3 結(jié)構(gòu)型式選擇

閘室結(jié)構(gòu)有開敞式、涵洞式等。開敞式水閘閘室頂部沒有填土，是露天的；涵洞式水閘閘室有洞身段，洞頂有填土覆蓋，當(dāng)有交通要求時(shí)，可在填土頂部設(shè)置交通路[2]。

開敞式閘室泄流特點(diǎn)是閘門全開時(shí)過閘水流具有自由水面，一般閘檻高程較高、擋水高度較小的水閘多采用這種型式。當(dāng)閘門全部打開時(shí)，閘室過水?dāng)嗝婷娣e和泄流量都隨著水位的抬高而增大，這對(duì)需要泄洪、分洪的水閘是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。但本工程水閘主要功能為進(jìn)水、擋潮，擋水高度大，因此不宜采用開敞式水閘。

涵洞式閘室泄流特點(diǎn)是閘門全開時(shí)過閘水流只能通過固定孔洞下泄，一般閘檻高程較低、擋水高度較大的水閘常采用這種閘室結(jié)構(gòu)型式[1]。本工程為擋潮閘，擋水時(shí)迎海側(cè)水位變化很大，大潮來時(shí)閉閘擋水，正常潮位時(shí)適時(shí)開閘引水，即擋水水位高于進(jìn)水運(yùn)用水位，采用涵洞式閘室既不影響水閘的過水能力，又可以減小閘門高度和啟門力[1]，降低啟閉機(jī)房的高度。另外，涵洞式布置可利用海堤通行，不需另外設(shè)置交通橋，并且涵洞式布置有利于水閘的滲流穩(wěn)定。本工程所在南側(cè)海堤不能同步建設(shè)，采用涵洞式布置能更好地適應(yīng)分期建設(shè)。因此，本工程推薦采用涵洞式布置。

本工程采用雙層閘室，開啟上層閘門可引入含沙量相對(duì)較小的上層水體，開啟下層閘門可利用底層泄流沖走閘前淤積的泥沙。同時(shí)，本工程建筑在沿海淤泥上，雙層式閘室可以加強(qiáng)閘室垂直水流向的橫向剛度，以減小地基的不均勻沉降和閘室的結(jié)構(gòu)變形。

綜上所述，推薦選用涵洞式雙層式閘室結(jié)構(gòu)。

4 閘孔數(shù)量選擇

根據(jù)《中新天津生態(tài)城臨海新城水系連通工程方案研究報(bào)告》（南京水利科學(xué)研究院2018 年12 月），結(jié)合過流計(jì)算，確定1#換水閘閘室總凈寬為55 m，閘底板高程為-2.0 m；2#換水閘閘室總凈寬為55 m，閘底板高程為-3.5 m。

根據(jù)水閘規(guī)范，閘孔數(shù)少于8 孔時(shí)宜采用單孔布置，結(jié)合本工程55 m 過流凈寬要求，對(duì)5 孔和10孔水閘2種布置方案進(jìn)行比較。

4.1 5孔水閘布置方案

5 孔（每孔分上下2 層）水閘閘室垂直水流方向分為3聯(lián)，2個(gè)邊聯(lián)（2×2孔），1個(gè)中聯(lián)（1×2孔），閘墩厚1.3 m（縫墩厚1.1 m）。閘室每孔凈寬11 m，過流總凈寬55 m。閘室中聯(lián)總寬度13.2 m，邊聯(lián)總寬度25.7 m，閘室總寬度64.6 m。

4.2 10孔水閘布置方案

10孔（每孔分上下2層）水閘布置方案即按原閘孔設(shè)計(jì)凈寬設(shè)計(jì)，閘室垂直水流方向分為4 聯(lián)，2 個(gè)中聯(lián)（2×2孔），2個(gè)邊聯(lián)（2×3孔），閘墩厚1.0 m（縫墩厚0.8 m）。閘室每孔凈寬5.5 m，過流總凈寬55 m。閘室中聯(lián)總寬度13.6 m，邊聯(lián)總寬度20.3 m，閘室總寬度67.8 m。

4.3 閘孔比較

5 孔水閘布置方案與10 孔水閘布置方案的進(jìn)、排水條件等基本相同。5孔方案閘門寬扁不利于啟閉，并且底板較厚，工程量大。10 孔方案由于閘門小，可減小啟閉機(jī)容量和金屬結(jié)構(gòu)工程量，并且有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，推薦10 孔水閘布置方案。2 種方案具體情況，詳見表1。

表1 2種方案具體情況比較（以1#閘為例）

5 堤后、堤前方案比較

根據(jù)水閘與防潮堤的相對(duì)位置，本次設(shè)計(jì)對(duì)堤后、堤前2種布置方案進(jìn)行了比選。

5.1 方案1：堤后方案（推薦方案）

在臨海側(cè)新筑防潮堤，堤頂高程7.30 m，防浪墻頂高程8.00 m，閘室及廠區(qū)設(shè)置于防潮堤后，閘頂高程6.30 m，閘后地面高程4.50 m。

該方案水閘主體順?biāo)鞣较蜷L度約59 m。堤后方案，如圖1所示。

圖1 方案1：堤后方案（推薦方案）

5.2 方案2：堤前方案

在臨海側(cè)修建閘室及防浪墻，閘頂高程7.30 m，防浪墻頂高程8.00 m，防潮堤設(shè)置于閘室后，堤頂高程7.30 m，堤后地面高程4.50 m。該方案水閘主體順?biāo)鞣较蜷L度約54 m。堤前方案，如圖2所示。

圖2 方案2：堤前方案

5.3 方案比選

2個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)分析，詳見表2。

表2 各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 個(gè)布置方案工程量和工程投資相當(dāng)，綜合考慮區(qū)域整體規(guī)劃、水閘運(yùn)行、施工組織等因素，推薦方案1，即堤后方案。

6 地基處理方案比較

水閘基礎(chǔ)處理方案應(yīng)綜合考慮工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、閘室結(jié)構(gòu)類型、荷載特征、施工方案、圍堰布置等因素，進(jìn)行合理選擇[3]。水閘地基處理的方法很多，主要用于以下3個(gè)方面：增加地基的承載能力，保證建筑物的穩(wěn)定；消除或減少地基的有害沉降；防止地基滲透變形[4]。

6.1 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁為復(fù)合地基，對(duì)軟土進(jìn)行就地加固，增加軟土地基的承載能力、減小沉降量，工程投資較低。復(fù)合地基能解決原狀土的地基承載力不足的問題，但是不能解決水閘抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求的問題。而且，復(fù)合地基作為一種地基處理方法，能提高一部分土體的壓縮模量，但是其沉降及不均勻沉降還比較大。對(duì)于水閘這種對(duì)變形比較敏感的構(gòu)筑物來說，如果沉降及不均勻沉降比較大會(huì)影響后期的使用。

6.2 管樁方案

管樁在工業(yè)與民用建筑、市政、水利、公路、橋梁、碼頭等工程中應(yīng)用廣泛。管樁樁身強(qiáng)度較高，可穿越各類軟土、填土、可塑狀黏性土、粉土、松散或稍密的砂土，進(jìn)入硬塑或堅(jiān)硬狀黏性土、密實(shí)的砂土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化巖層及中風(fēng)化極軟巖層一定深度。除預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC 管樁）、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PC 管樁）等樁型外，近年來又出現(xiàn)了混合配筋管樁（PRC 管樁）。管樁施工速度快，每延米造價(jià)較灌注樁便宜，但是根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJT406-2017），并結(jié)合近年管樁施工經(jīng)驗(yàn)，PRC 管樁單節(jié)樁長在15 m 以內(nèi)，并且接樁工藝復(fù)雜，接樁過程中由于施工誤差極易造成管樁樁身強(qiáng)度削弱，在豎向力作用下發(fā)生彎曲或者受壓破壞。

6.3 預(yù)制方樁

預(yù)制混凝土方樁為剛性樁基礎(chǔ)，能較大提高地基承載力、減少沉降量、提高建筑物抗滑穩(wěn)定性，施工速度快、方便，抗剪能力優(yōu)于管樁。其缺點(diǎn)和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁類似，當(dāng)滿足承載要求所需樁長較長時(shí)需要接樁，樁身強(qiáng)度易削弱，可靠性降低。

6.4 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁為剛性樁基礎(chǔ)，能較大提高地基承載力、減少沉降量、提高建筑物抗滑穩(wěn)定性，并且施工質(zhì)量易于保證，地基穩(wěn)定安全度大，是較可靠的地基處理方案。并且灌注樁能承受較大的水平荷載，缺點(diǎn)是投資較高，施工速度較預(yù)制樁慢。

按樁的受力情況，可分為摩擦型樁和端承型樁。根據(jù)水閘工程的特點(diǎn)，在以水壓力為主的水平荷載作用下，閘室底板與地基土之間應(yīng)緊密接觸，以避免形成滲流通道。因此，為了保證閘基的防滲安全，土質(zhì)地基上的水閘樁基一般采用摩擦型樁[5]。

6.5 方案比較

本工程工程等別高，工程區(qū)位于永定新河河口，地質(zhì)條件差，建筑物建基面土層承載力較低，結(jié)合建筑物的受力特點(diǎn)，樁身承受水平力較大，因此本工程應(yīng)選用較可靠的鉆孔灌注樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理。并在樁頂1 m 范圍內(nèi)換填水泥土，提高樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

7 結(jié)論

根據(jù)以上方案比選，水閘采用涵洞式雙層式閘室結(jié)構(gòu)、10 孔布置方案。閘室段位于堤后，采用鉆孔灌注樁的地基處理方案。

水利水電工程中水閘的設(shè)計(jì)是非常重要的，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從閘址選擇、總體布置、閘室結(jié)構(gòu)、孔數(shù)選擇以及基礎(chǔ)處理型式選擇等方面綜合考慮，結(jié)合工程需要以及片區(qū)整體整治的需要，選擇合適的方案，以便水閘能更好地滿足防洪、擋潮、排澇、擋水等多種功能的要求。