劉調(diào)芳

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

光南水閘始建于1974年，1986年對閘門進行加固，并將閘門原來的手動式啟閉改為電動啟閉。2002年對左右岸墻進行了灌漿加固處理，2008年5月對水閘的交通橋進行了加寬加固?，F(xiàn)對水閘進行安全評估，發(fā)現(xiàn)水閘存在嚴重的安全隱患，水閘運行已不能滿足現(xiàn)存標準要求，不能通過常規(guī)的修補維護去解決安全問題。根據(jù)水閘運行時長，水閘初期設計標準對水閘安全進行鑒定，水閘安全類別為四類閘，建議工程報廢重建。本文以光南水閘重建工程為背景，對該工程的主要建筑物進行設計，制定合理的重建方案，復核建筑物的穩(wěn)定性，為解決水閘工程的防滲穩(wěn)定性和結(jié)構穩(wěn)定性問題提供方法，并針對重建后的工程提出規(guī)范可靠的管理規(guī)劃，提高了水閘重建工程的質(zhì)量。

1 工程概況及問題

1.1 工程概況

光南水閘所在的光南溪是練江的二級支流，練江是東南沿海一條獨流入海的河流。練江干流全長71.84 km，平均坡降0.42‰。該區(qū)域河流水系豐富，支流繁多，呈扇狀分布。河流上游為山地丘陵環(huán)抱所形成的坡積盆地，中下游為河流和海灣沖刷形成的沖積平原。支流流向多為南北向，左岸支流流速緩慢，右岸支流流速湍急。

由于光南水閘所在河流光南溪屬于練江的二級支流，光南水閘現(xiàn)有灌溉面積小于333.33hm，本次重建的光南水閘為Ⅴ等小(2)型工程，永久性主要水工建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。水閘洪水標準按10年一遇洪水設計，20年一遇洪水校核；消能防沖建筑物按10年一遇洪水設計。

以閘室為界限，閘室上游分別為上游連接段、漿砌石鋪蓋段、鋼筋混凝土鋪蓋段，閘室下游為下游連接段，泄水涵位于閘室兩側(cè)，閘室交通橋分別與兩岸道路連接。

1.2 工程問題

對光南水閘的主體建筑物、機電機械設施、操作室及值班室等工程設施進行了認真細致的安全隱患排查[1-6]，發(fā)現(xiàn)了大量的潛在安全隱患和問題。

(1)混凝土部分包括海漫、翼墻、閘基、鋪蓋等長期受洪水沖刷，部分淘空崩爛，閘槽混凝土出現(xiàn)嚴重脫落，閘墩個別部位出現(xiàn)裂縫。

(2)消力池被嚴重淘蝕，消力池長度不滿足運用要求；由于消力池被局部淘空，造成水閘的有效防滲距離縮短，使得水閘的抗?jié)B穩(wěn)定也不能滿足要求。

(3)閘室抗滑穩(wěn)定不滿足要求：在完建期和正常運用工況條件下，閘室結(jié)構的整體穩(wěn)定性、抗傾、抗滑穩(wěn)定性均能滿足；但在考慮地震的非常運用工況，閘室抗滑穩(wěn)定不滿足要求。

(4)閘底板和閘墩均為漿砌塊石，不能滿足抗震規(guī)范“閘室宜采用鋼筋混凝土整體結(jié)構”的要求。

(5)閘門腐蝕破損嚴重：閘門門槽鋼板、滾輪已嚴重銹蝕，閘門金屬部件腐蝕嚴重，吊桿、吊座等不同部分也腐蝕嚴重，導致閘門運用時經(jīng)常受卡阻。 閘門原阻水木條早已脫落，漏水嚴重。

(6)啟閉系統(tǒng)磨損嚴重：啟閉系統(tǒng)經(jīng)多年運行啟閉機已殘舊不堪，離合器輪鼓和剎車皮已嚴重磨損。閘門啟閉機、鋼絲繩等傳動部分磨損嚴重。

(7)無工程觀測設施，不利于工程的管理和運用。

2 水閘穩(wěn)定復核

2.1 鋼閘門攔河閘

該水閘為攔河閘，攔河閘的特點為擋水水頭低，泄洪量大。根據(jù)本工程的任務及洪水調(diào)度原則，水閘采用平底板開敞式水閘，閘門采用平板鋼閘門。閘室為鋼筋混凝土整體式結(jié)構，長18.0 m，寬22.4 m，水閘共設3孔，單孔凈寬6.0 m，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.0 m，閘頂高程9.0 m。閘室頂部布置凈寬6 m交通橋一座，為現(xiàn)澆混凝土橋板，交通橋連通兩岸堤頂路面。啟閉房位于閘室上游側(cè)，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構，框架柱分別支承于墩墻之上。閘室兩側(cè)各布置一孔泄水涵，凈寬3.0 m，底板高程3.0 m。

2.2 閘室抗滑穩(wěn)定性

對閘室區(qū)域進行現(xiàn)場勘查，了解到閘室基礎以中粗砂為主，局部含有少量的粉質(zhì)黏土，因此閘室地基土分布不均勻，且中粗砂地基承載力特征值為80 kPa，遠低于粉質(zhì)黏土層，必然存在不均勻沉降的問題。因此本次工程采用了高壓旋噴樁對閘室地基土進行加固處理，預防了不均勻沉降帶來不良影響，消除了局部少量的粉質(zhì)黏土所帶來的風險。根據(jù)以下公式(1)計算閘室的抗滑穩(wěn)定性：

(1)

式中：Kc為沿閘室底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，kN；∑G為作用在閘室上的全部垂直荷載，kN；∑H為用在閘室上的全部水平荷載,kN。

閘室抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果如下表1。

表1 閘室抗滑穩(wěn)定計算成果

根據(jù)計算結(jié)果可知閘室抗滑穩(wěn)定滿足要求。

2.3 閘室基礎滲流穩(wěn)定性

本工程水閘閘室與鋪蓋和消力池護坦之間設止水，共同構成基底防滲體系。滲流計算時以鋪蓋、閘室、消力池前段的地下輪廓線作為依據(jù)，將內(nèi)部小水平段修正簡化修正后的地下輪廓作為滲流計算模型，閘室滲流穩(wěn)定分析計算采用《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2016)推薦的改進阻力系數(shù)法。經(jīng)計算，在正常蓄水工況下(擋水工況)水閘滲流水平段和出口段平均坡降成果如下表2。

表2 水閘基底抗?jié)B穩(wěn)定計算成果

根據(jù)滲流穩(wěn)定計算成果，水閘基底水平段及出口段抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 翼墻穩(wěn)定復核

3.1 翼墻結(jié)構布置

水閘上、下游擋土高度在6 m以上的，采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻，部分擋土高度在6 m以下的，則采用素混凝土擋土墻。

上游連接段左岸翼墻：采用扶壁式擋土墻，擋墻頂高程9.2 m，凈高6.0 m，墻厚0.5 m，扶壁厚0.6 m，扶壁凈距3.0 m，擋墻底板面高程為3.2 m，底板厚0.7 m，寬6.7 m，擋墻后回填填土至墻頂高程9.2 m。

下游連接段翼墻：采用素混凝土重力式擋土墻，擋墻頂高程7.7 m，凈高4.7 m，底板采用鋼筋混凝土，底板面高程3.0 m，底板厚0.7 m，寬4.9 m，擋墻后回填填土至墻頂高程7.7 m。

3.2 翼墻抗滑穩(wěn)定性

翼墻抗滑穩(wěn)定性計算公式見式(2)：

(2)

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為建筑物基底面與地基間的摩擦系數(shù)；∑W作用于建筑物上的全部荷載對計算滑動面的法向分量，kN；∑P作用于建筑物上的全部荷載對計算滑動面的切向分量，kN。翼墻穩(wěn)定計算結(jié)果如下表3。

表3 翼墻穩(wěn)定計算成果

根據(jù)計算結(jié)果可知翼墻抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4 基礎處理復核

4.1 地基防滲

光南水閘重建閘室地基土分布不均勻，大部分為中粗砂，為強透水層，存在砂土液化現(xiàn)象，屬抗震不利地段，局部分布了粉質(zhì)黏土，為相對隔水層，因此可能會存在閘基滲漏問題。根據(jù)閘室抗?jié)B穩(wěn)定計算，水閘基底水平段及出口段抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。但是由于地基淺層的松散中粗砂可能液化，且若閘前止水發(fā)生破壞將導致水閘發(fā)生滲透破壞，故本次設計考慮水閘地基一定范圍內(nèi)做圍封處理，在防止液化的同時兼顧延長滲徑，為水閘抗?jié)B穩(wěn)定提供一定的安全儲備。地基防滲采用高壓噴射灌漿防滲墻進行處理。

4.2 地基加固

由于水閘閘室、擋墻天然地基中的中粗砂地基承載力特征值過小，地基土橫向分布不均，基底必然存在沉降不均勻的問題，通過地基加固處理，可以防止閘室產(chǎn)生不均勻沉降，提高了地基承載力，也消除了局部分布的粉質(zhì)黏土帶來的潛在風險。本工程采用高壓旋噴樁復合地基處理方式，閘室地基高壓旋噴樁以1.5 m的間距均勻布置，擋墻地基高壓旋噴樁以1.2 m的間距均勻布置，樁頂設0.5 m厚中粗砂墊層作為褥墊層，處理后的地基為復合地基。根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)有關計算公式進行計算，見式(3)與式(4)：

(3)

(4)

式中：fs p k為復合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；m為樁土面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁的截面面積,m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fs k為處理后樁間土承載力特征值，kPa；d為樁身平均直徑,m；de為一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑,m。地基處理計算成果如下表4。

表4 地基處理計算成果

根據(jù)計算，處理后的復合地基承載力高，不易產(chǎn)生不均勻沉降，對本工程的安全和穩(wěn)定十分有利。

5 水閘工程管理

5.1 工程管理和保護范圍

根據(jù)光南水閘重建后的具體情況，水閘工程管理范圍主要有：上下游連接段、閘室和兩岸連接建筑物等主體工程覆蓋范圍；結(jié)合原堤防管理范圍統(tǒng)籌確立的管理范圍；管理單位辦公、生產(chǎn)、生活設施等建設占地范圍。

(1)工程管理范圍。本工程為小(2)型水閘，管理范圍包括水閘工程各組成部分(上下游連接段、閘室和兩岸連接建筑物等)的覆蓋范圍以及水閘上、下游各50 m、兩側(cè)的寬度各30 m。管理范圍邊界布設界樁。在工程管理范圍內(nèi)禁止進行爆破、取土等威脅水工建筑物安全的活動，不準在工程管理范圍內(nèi)捕魚、游泳、傾倒垃圾等。

(2)工程保護范圍。水閘管理范圍以外兩側(cè)各100 m，上、下游各200 m的范圍。在工程保護范圍內(nèi)進行土建施工、取土時應征得工程管理單位的同意，并報上級行政主管部門批準后方可進行。

5.2 工程管理設施

(1)交通工具。為滿足工程運行管理和抗洪搶險的需要，光南水閘應具有良好的交通設施，并結(jié)合施工的需要，根據(jù)水閘的級別、規(guī)模，管理機構擬配備防汛指揮越野車1輛，職工交通車1輛，載重汽車1輛。

(2)監(jiān)測設施。結(jié)合本工程的特點，采用搪瓷水尺和遙測水位計自動化監(jiān)測水閘的水文、水力變化，利用游標卡尺對閘室與上下游翼墻之間的永久縫變形進行測量，以監(jiān)測永久縫地張開和發(fā)展情況，結(jié)合GPS 定位儀和超聲波測深儀監(jiān)測河床淤積情況，采用視準線法和水準法監(jiān)測水閘的變形位移，采用滲壓計閘基揚壓力進行監(jiān)測。

(3)通信設施。管理單位應并網(wǎng)光南溪抗洪搶險、防洪服務的專用通信網(wǎng)絡，需建設與防汛哨站相連通訊線，與上游光南溪管理單位建立直線式通信網(wǎng)絡，獲取水閘調(diào)度信息。需配置固定式無線電講機4臺、手持對講機4臺，固定電話4臺，傳真機1臺。配備必要的辦公設備：電腦4臺，打印機1臺，復印機1臺。通訊系統(tǒng)采用專用蓄電池供電[7-9]。

5.3 工程運行管理

施工前，施工單位按每一分項制定相關的施工規(guī)章制度。施工時，施工單位和管理單位嚴格按照制度對工程建設進行監(jiān)督和檢驗復核，時刻掌握施工動態(tài)。施工完成后，定期對水閘進行檢查維修，保持水閘工程的運行狀態(tài)良好，在汛期做好防護工作，圍護工程安全，減少危害，消除隱患。

6 結(jié) 語

光南水閘工程重建后，水閘主要建筑物、機電機械設施及工程管理設施等工程設施的安全隱患問題得到了解決，針對工程重建前原有閘室基礎抗?jié)B不穩(wěn)定，上下游翼墻抗滑不穩(wěn)定等穩(wěn)定性問題，對重建后的建筑物穩(wěn)定性進行復核計算，計算結(jié)果表明重建工程解決了原有的穩(wěn)定性問題，使得工程穩(wěn)定性滿足了相關規(guī)定和規(guī)范的要求，建設目標順利完成，水閘功能得到了最大程度的發(fā)揮。通過對水閘重建，提高了水閘行洪能力，保障區(qū)域灌溉用水需要，減輕或避免洪澇災害，使保護區(qū)內(nèi)社會環(huán)境和生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，保證了水閘灌溉和水景觀功能的完善并發(fā)揮了巨大的工程效益。在工程建成后應該加強對水閘的管理和維護，嚴格按照制定的管理標準，規(guī)范操作，確保水閘灌溉和水景觀兩個方面的功能得到最大化的發(fā)揮。