鄧鎮(zhèn)寧

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 5110635)

1 工程概況

大涌河水閘位于西江干堤大涌河出口處，屬珠江流域西江干流的一級(jí)支流，地處廣東省云浮市云安區(qū)都楊鎮(zhèn)。該涵閘始建于1957年，至今已運(yùn)行50多年，是一座以防洪、排澇、灌溉為主的水閘樞紐工程?，F(xiàn)狀涵閘段長50 m，3個(gè)涵孔，單孔寬3.0 m，高3.3 m，洞身為鋼筋混凝土城門洞形結(jié)構(gòu)，側(cè)墻高2.6 m，涵底進(jìn)口高程4.0 m，出口高程3.74 m，出口設(shè)有三扇單掩鋼閘門，設(shè)計(jì)過閘流量為100 m3/s，除西江干堤 1.95 km接近 50 年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)外，大涌河內(nèi)堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)均低于 10 年一遇，校核過閘流量為595.13 m3/s，是自排涵閘原設(shè)計(jì)流量的6倍，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)低。

2 工程基本條件

2.1 水文氣象條件

大涌河水閘所在流域?yàn)橹榻饔?，位于廣東省中西部都楊鎮(zhèn)境內(nèi)，主流發(fā)源于云安區(qū)都騎鎮(zhèn)大旗頂東南麓，海拔479 m。從東南向西北流，經(jīng)洞坑、六合三合至都騎墟?zhèn)扰越饎偵侥_出口注入西江。大涌河干流全長19.29 km，流域集雨面積84.29 km2，河床屬沙質(zhì)河床，兩岸地勢(shì)中游平坦，下游地勢(shì)較低洼。工程區(qū)域氣候溫和，常年東北風(fēng)和西南風(fēng)；區(qū)內(nèi)降雨量年內(nèi)分配不均，4—9月份占全年降雨量的80%以上。多年平均降雨量為1556 mm，最大年降雨量為1981年的2069 mm，最小年降雨量為1977年的951 mm，最大24 h暴雨255.3 mm，水面蒸發(fā)量為1505.7 mm，干旱指數(shù)為0.93。

2.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)三面環(huán)山，為中低山丘陵地形，一面臨水的沖積階地上，地勢(shì)南高北低，周圍地勢(shì)如“簸箕狀”。其東面山頂高程一般300～500 m，最高山峰為南高頂，高程為567 m；南面山頂高程一般100～400 m；西面山頂高程一般400～600 m，最高山峰為白石頸，高程為670.1 m。工程地震基本烈度為Ⅵ度，場區(qū)為中硬場地，區(qū)域穩(wěn)定性較好。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及工程場區(qū)地質(zhì)鉆探結(jié)果，工程區(qū)大部分為第四系地層覆蓋，表層第四系地層有：①人工填土(Qs)、②沖積層(Qal)、③坡積層Qdl)；下伏地層有燕山五期石英斑巖(Oπ53(2))、奧陶系下統(tǒng)回龍群(O1 hl)砂巖，按風(fēng)化程度劃分為全風(fēng)化帶(Ⅴ)、強(qiáng)風(fēng)化帶(Ⅳ)和弱風(fēng)化帶(Ⅲ)[1]。閘基巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3 工程重建設(shè)計(jì)

3.1 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

大涌河水閘設(shè)計(jì)過閘流量為595.13 m3/s，依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)相關(guān)規(guī)定，大涌河工程為Ⅲ等中型水閘。由于大涌河水閘位于西江干堤上，西江干堤工程級(jí)別為 2 級(jí)，按照“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”的規(guī)定，大涌河水閘重建工程主要建筑物級(jí)別按 2 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為 3 級(jí)設(shè)計(jì)。主要建筑物包括閘室、上游連接段、下游連接段擋土墻以及消能防沖結(jié)構(gòu)等，工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇。

3.2 閘址與閘軸線確定

考慮到大涌河水閘處于西江干堤大涌河出口處，水閘出口與西江相接。為了方便水閘后期的運(yùn)行管理，經(jīng)主管部門審查同意，重建工程的閘址維持原址拆除重建[2]。

按照大涌河流域防洪體系，西江干堤(大涌河口段)是外擋西江洪水的防線，當(dāng)西江水位高于大涌河水位時(shí)關(guān)閘抵擋外江洪水，啟動(dòng)大涌河泵站抽排內(nèi)河澇水，低于大涌河水位時(shí)開閘排洪。為了有效抵擋西江洪水，大涌河水閘宜布置在西江干堤上，從現(xiàn)狀地形看若水閘往大涌河上游或下游布置均會(huì)增加西江干堤的長度，水閘布置在現(xiàn)有的西江干堤上最為合適，因此本階段大涌河重建水閘閘軸線選擇在大涌河口西江干堤上。

3.3 建筑物選型

3.3.1 閘室結(jié)構(gòu)型式選擇

考慮到水閘和泵站的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行工況，大涌河水閘采用涵洞式結(jié)構(gòu)，為此，閘室堰型和閘門型式的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，具體如下：

(1)堰型選擇。由于大涌河水閘是一個(gè)以排泄洪水為主的中型水閘，在西江水位高于大涌河水位時(shí)可以通過關(guān)閉水閘阻擋洪水。為此，在選擇閘室堰型時(shí)，首先要考慮水閘在運(yùn)用時(shí)操作靈活、安全可靠、泄流能力穩(wěn)定、施工方便，有利于排沙防淤；其次還要根據(jù)大涌河水閘擋水及泄水特點(diǎn)和運(yùn)用要求，結(jié)合水閘地形、地質(zhì)等實(shí)際情況，大涌河水閘的堰型選為泄洪能力大的涵洞式平底寬頂堰，堰頂高程與原大涌河涵閘同高，基本與現(xiàn)河底高程齊平。

(2)閘門型式選擇。閘門型式一般分為弧形鋼閘門與平面鋼閘門兩種?；⌒伍l門具有重量輕、受力條件好、啟閉靈活、不需設(shè)門槽、過閘水流流暢等優(yōu)點(diǎn)，但該閘門安裝工期緊、施工難度大，特別是閘門布置需較長的閘墩，且閘墩順?biāo)飨虻拈L度比平面鋼閘門還長，這也進(jìn)一步增加了土建費(fèi)用；而平面鋼閘門的安裝在檢修平臺(tái)便可進(jìn)行，施工難度相對(duì)較低。根據(jù)本水閘的運(yùn)用要求，綜合以上因素，水閘的閘門確定選用平面鋼閘門。

3.3.2 上下游連接段結(jié)構(gòu)型式選擇

水閘上下游連接段作為水閘重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)型式選擇關(guān)系到整個(gè)水閘的安全運(yùn)行。由于水閘上下游翼墻高度較大，為此，在選擇時(shí)，上游連接段可采用混凝土扶壁式擋墻或者懸臂式擋墻，下游河岸可采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡。

3.4 樞紐布置

為了能夠充分發(fā)揮水閘樞紐工程的作用，在確定重建水閘的閘軸線后，還需要合理布置水閘樞紐建筑物位置。由于重建水閘是在原閘址的基礎(chǔ)上重建，為此，本次水閘樞紐總布置從左到右依次為上游連接段，河道長度 121.6 m，與大涌河平順連接，采用矩形斷面，河寬 9.5 m，河底高程 3.0 m，兩岸為直立式鋼筋混凝土擋墻護(hù)岸，墻頂高程 9.5 m；中間是閘室段，閘墩長度 20 m，水閘底檻高程為 4.0 m，閘室進(jìn)出口設(shè)直立式擋墻結(jié)合混凝土護(hù)坡與下游河岸平順相接，閘室底板上游為混凝土鋪蓋。右邊是下游連接段，與消力池相接，其后為海漫，海漫末段設(shè)置拋石防沖槽；在下游側(cè)布置閘門啟閉機(jī)室，并在下游側(cè)預(yù)留檢修門槽一道。合理布置水閘與樞紐建筑物，確保水閘樞紐工程的作用得到充分發(fā)揮。

3.5 主要建筑物設(shè)計(jì)

3.5.1 閘室段

考慮到重建水閘是采用平底寬頂堰型，堰頂高程為 4.0 m，基本與原河床齊平。閘孔數(shù)為 2 孔，單孔凈寬 4 m，閘室基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)土。為了保證閘室結(jié)構(gòu)具有較高整體性、對(duì)地基不均勻沉降有較好的適應(yīng)性，閘室段采用 2孔一聯(lián)整體式結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求，選閘底板厚 1.5 m，邊墩厚 1.5 m、中墩厚 1.5 m。閘室底板順?biāo)鞣较蜷L為 20 m，上、下游均設(shè)齒槽，槽底高程 1.5 m。閘室內(nèi)設(shè)有工作閘門。工作閘門采用平面定輪鋼閘門，共 2扇，由啟閉室工作平臺(tái)固定卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行操作。下游側(cè)不設(shè)置檢修門，僅預(yù)留檢修門槽一道。水閘頂高程 20 m，墩頂設(shè)閘架及啟閉室。啟閉機(jī)室寬度為 5.4 m，室內(nèi)地面高程為 30 m，屋面高程為 34.5 m。上游側(cè)采用鋼筋混凝土箱涵穿過堤身，上部堤身寬度與兩側(cè)堤防保持一致，取為 7.0 m，堤頂路面汽車荷載按公路Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)。

3.5.2 上游連接段

閘室上游連接段采用鋼筋混凝土箱涵穿過堤身，與上游河道連接，箱涵長52.5 m，規(guī)模為2孔，單孔凈寬4.4 m。箱涵進(jìn)口連接段河道長度 121.6 m，與大涌河平順連接，采用矩形斷面，河底寬 9.5 m，河底高程 3.0 m，兩岸為鋼筋混凝土擋墻護(hù)岸，墻頂高程 9.5 m。

3.5.3 下游連接段擋墻設(shè)計(jì)

水閘下游連接段的主要作用是引導(dǎo)過閘水流均勻擴(kuò)散，調(diào)整流速分布和減緩流速?？紤]到下游連接段出口與西江相接，兩岸為混凝土護(hù)坡，且閘室出口設(shè)直立式擋墻結(jié)合混凝土護(hù)坡與下游河岸平順相接，為此，在設(shè)計(jì)下游段擋墻時(shí)，其長度應(yīng)為146.1 m，底板高程為2.5～4.0 m，墻頂高程為 12.0～12.8 m方能滿足防滲排水要求。

3.5.4 水閘及消能防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮閘室水流流態(tài)、下游水流銜接條件及對(duì)相鄰建筑物運(yùn)行的影響，根據(jù)重建水閘實(shí)際情況，本工程采用底流消能方式。但由于過閘流速較大，為了確保水閘安全，按常規(guī)設(shè)置消力池，消力池池深1.0 m，池底高程2.5 m，連接段坡度采用1∶4，其水平投影長6.0 m，水平段池長19 m，總長度(順?biāo)鞣较?為 25 m，底板厚0.8 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在消力池水平段設(shè)置梅花型布置的φ50 排水管，排距及孔距均為2 m。消力池下游布置海漫，海漫長 107 m，首段為水平段海漫，高程3.5 m，長20.0 m，厚0.5 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下游緊接斜坡段海漫常采用混凝土、混凝土框格梁漿砌石和格賓石籠等結(jié)構(gòu)，綜合考慮各種結(jié)構(gòu)的抗沖能力、糙率、消能效果、耐久性和經(jīng)濟(jì)性等因素，本工程采用混凝土框格梁漿砌石結(jié)構(gòu)，厚0.4 m，坡度1∶34.8，其水平投影長度為87 m，末端高程為1.0 m。設(shè)置漿砌石護(hù)底，同時(shí)設(shè)置梅花型布置的φ50排水孔，間距2 m。海漫末端設(shè)深2.5 m的拋石防沖槽，長度12 m。

3.6 水閘穩(wěn)定計(jì)算分析

3.6.1 抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算

重建水閘防滲排水布置主要是結(jié)合水閘基礎(chǔ)地質(zhì)條件以及上下游段水位差等因素來確定，為此，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)相關(guān)規(guī)定，本工程滲流計(jì)算采用勃萊法，即考慮水平滲透和垂直滲透的效果一樣，如式(1)：

L=C×ΔH

(1)

式中：L為基底防滲長度，即基底輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和，m；C為允許滲徑系數(shù)，水閘基底均為淤泥質(zhì)黏土層，取4；ΔH為上、下游水位差，m。

本次計(jì)算工況主要針對(duì)下列兩種工況進(jìn)行分析：

防洪工況：內(nèi)江設(shè)計(jì)水位11.67 m，外江最高防洪水位18.02 m。

排澇工況：內(nèi)江設(shè)計(jì)水位11.67 m，外江低水位3.50 m。

經(jīng)計(jì)算，水閘設(shè)計(jì)滲徑長度大于需要的抗?jié)B滲徑長度，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.6.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

重建水閘閘室段采用的是2孔一聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性根據(jù)規(guī)范SL 265—2016進(jìn)行計(jì)算，本次計(jì)算主要針對(duì)閘室基底應(yīng)力、整體抗滑穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 閘室基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從上表計(jì)算結(jié)果可知，大涌河重建水閘基底應(yīng)力分布均勻，且上下游最大應(yīng)力值均小于基礎(chǔ)加固后的承載力；閘室抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算值滿足規(guī)范要求，故重建水閘閘室布置合理。

3.6.3 消能防沖計(jì)算

大涌河重建水閘消能防沖按照規(guī)范SL 265—2016附錄B提供的消能防沖計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。 本次計(jì)算采用《理正巖土工程計(jì)算分析軟件》中的消能工水力計(jì)算程序，采用理正水力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，水閘自由水躍長度最大值為12.48 m，此時(shí)需要的消能工長度為9.36 m，小于消能工的實(shí)際長度18.0 m。因此，大涌河水閘外江出口消力池消能防沖安全滿足要求。

3.7 地基加固處理

根據(jù)工程現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料得知，重建水閘閘基下的地基土由上而下依次為黏土層、淤泥質(zhì)黏土層、黏土層及全風(fēng)化石英斑巖，其中淤泥質(zhì)黏土層下限高程為-9.8～-2.4 m。水閘的建基面高程為 2.4 m，閘室底板直接位于淤泥質(zhì)黏土層。由于該土層厚達(dá) 4.8～12.2 m，且其承載力特征值僅為70～100 kPa，低于水閘計(jì)算所需的地基承載力，另外通過沉降計(jì)算最大沉降量達(dá) 135 mm，故必須對(duì)其進(jìn)行地基處理。結(jié)合本工程地質(zhì)條件，水閘地基采用水泥攪拌樁進(jìn)行處理。

首先為了增強(qiáng)抵抗不均勻沉降的能力，將底板進(jìn)口及出口齒墻下的一排 φ600 水泥攪拌樁和邊墩及中墩下的一排φ600水泥攪拌樁相鄰樁體搭接成為格柵狀布置，閘室底板下其余部位采用直徑φ600的水泥攪拌樁，縱橫間距1.0 m；其次，為了改善閘室和兩側(cè)回填土沉降變形協(xié)調(diào)性，地基處理范圍向閘室兩側(cè)各延伸2排，樁底深入黏土層1.5 m。經(jīng)計(jì)算，置換率m=0.212，復(fù)合地基承載力fspk=170 kPa，最大沉降量為 48 mm，可滿足規(guī)范要求[3]。

4 結(jié) 論

大涌河水閘受早期建設(shè)條件限制的影響，其防洪標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差，經(jīng)過50多年的運(yùn)行，已存在較多嚴(yán)重的安全隱患，需報(bào)廢重建。根據(jù)水閘現(xiàn)場地質(zhì)水文勘察資料，制定了大涌河重建水閘設(shè)計(jì)方案，該方案主要分析了水閘閘軸線的確定、樞紐工程的布置、主要建筑物設(shè)計(jì)以及地基加固處理等內(nèi)容。水閘經(jīng)過改造建成后，其防洪、排洪能力提高，運(yùn)行安全可靠，這對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，提升當(dāng)?shù)鼐用裆钏蕉季哂惺种匾囊饬x。