漠阳江双捷拦河闸重建工程设计方案研究

林显兵

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510000)

0 引 言

漠阳江双捷水利枢纽位于广东省阳江市江城区双捷圩北约1km，漠阳江干流上。原工程于1958年11月开始兴建，1960年3月建成，是一宗以灌溉引水为主，结合航运、发电等任务的大(2)型水利枢纽。该水利枢纽主要由拦河闸、船闸、东西总干渠道、电站等组成，其中：船闸和电站分别位于闸坝左右侧，并以江中小岛分隔；东总干渠道取水口位于闸坝左岸上游约330m处；西总干渠道与电站共用取水口，位于闸坝右岸上游约155m处。工程建成后，对当地的工农业生产发展与人民生活水平的提高，发挥了极其重要的作用。作为主体工程的拦河闸经过50多年的运行后，工程逐渐老化，安全隐患日益加剧，虽经几次应急维修，却没能从根本上解决问题。依据《水闸安全鉴定管理办法》(水建管[2008]214号)以及《水闸安全鉴定规定》( SL214-98)等，拦河闸经鉴定为四类闸[1]。为保证防洪兴利效益的正常发挥，亟需对拦河闸进行重建设计。

1 工程现状问题

根据拦河闸安全鉴定的评价报告、现状调查报告、工程地质资料、现场质量安全检测报告和工程安全复核计算报告等资料，并结合现场检查鉴定，目前拦河闸存在的主要隐患问题有：①拦河闸原设计防洪标准偏低，闸顶高程低于安全鉴定复核的设计洪水位，防洪安全不满足规范要求；②闸基防渗长度不足，水闸抗渗稳定不满足规范要求；③水闸混凝土标号偏低、碳化严重，表面破损、裂缝，钢筋暴露、锈蚀，结构强度不满足要求；④泄洪时过闸水位差偏大，泄洪运用不满足规范要求；⑤水闸全部闸门没有安全超高；⑥供电线路老化严重，闸门控制系统不满足规范要求；⑦水闸安全监测设施不完备。综合上述问题，对漠阳江双捷拦河闸重建改造迫在眉睫。

2 工程基本条件

2.1 水文气象条件

漠阳江位于粤西沿海，区域气温较高，多年平均相对湿度为86%。地区雨量分布不均，年际变化大，变幅由东部降雨高区向南部沿海和北部山区递减。区域日照时间长，蒸发量大，且台风活动极为频繁，风力大小与台风活动有关，风向一般为春冬季吹东北风，夏秋季吹东南风。

2.2 地质条件

据根地质勘察资料，闸址区地层有第四系人工堆积层(Q4s)、河流相冲积层(Qal)，下伏基岩主要由燕山三期(γ52(3))黑云母中粗粒花岗岩组成，局部残留寒武系八村群(∈bc)片麻岩顶盖和俘虏体。钻孔揭露到的基岩地层主要为全风化带，少量强风化带和弱风化带地层。闸基岩土层主要物理力学性质参数建议值见表1。

表1 闸基各岩土层主要物理力学参数建议值

3 工程重建设计

3.1 工程设计标准

拦河闸最大过闸流量>5000m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2017)及《水闸设计规范》(SL265-2016)，按拦河闸工程等级指标确定本工程等别为Ⅰ等大(1)型水闸工程[2-3]。由于工程正常蓄水位挡水水头不高，建筑物级别按降低一级设计，相应主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。主要水工建筑物包括拦河闸、左岸连接段及跨船闸工作桥，次要永久性建筑物包括翼墙、下游消能防冲结构、右岸连接路堤、护岸等，临时建筑物包括施工道路及围堰等。工程设计洪水重现期为50a，校核洪水重现期为200a。本重建工程维持枢纽原有功能，相关设计标准不变。

3.2 闸址及闸轴线比选

原枢纽工程左岸布置船闸，右岸布置电站，中间布置拦河闸，各建筑物通过左右岸两座小岛连接。为保证枢纽工程其它建筑物的功能不受影响，方便运行管理，重建工程闸址选择在原闸右岸连接小岛电站灌溉进水口及电站尾水出口之间。

综合现状工程布置情况以及船闸及电站的用地限制，闸轴线仅适合布置在原闸轴线至上游约90m及下游140m的范围内。闸轴线有三个布置方案可供比选：①上闸轴线方案，即在原闸轴线上游73m处布置闸线，闸线左右岸连接小岛间河道宽度约415.5m；②中闸轴线方案，即在原闸轴线处布置闸线，闸线左右岸连接小岛间河道宽度约418.8m；③下闸轴线方案，即在原闸轴线下游90m处布置闸线，闸线左右岸连接小岛间河道宽度约424.3m。针对各闸轴线方案在地质条件、水流条件、施工条件、运行管理、征占地条件、工程量及投资等方面进行综合比较，推荐中闸轴线方案作为闸轴线布置方案。

闸轴线确定后，枢纽总布置从左至右依次为：左岸连接段长度95.4m(与左岸防护堤及原村道相连)，左岸跨船闸工作桥总跨度14.6m，拦河闸总宽度413.06m，右岸连接道路长度100m(与原管护中心道路平顺连接)。其中拦河闸自左向右布置有：节制冲砂闸闸坝段Ⅱ区(2孔节制冲砂闸)、泄洪闸闸坝段Ⅱ区(6孔泄洪闸)、节制闸闸坝段(12孔节制闸)、泄洪闸闸坝段Ⅰ区(6孔泄洪闸)、节制冲砂闸闸坝段Ⅰ区(2孔节制冲砂闸)。右岸小岛在闸上下游设2座码头，右岸小岛布置管理楼、柴油发电机房及变压器、配电柜室、防汛物资仓库等。

3.3 闸顶高程计算

拦河闸闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况计算确定。挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位(或最高挡水位)加波浪计算高度与相应安全超高值之和；泄水时，闸顶高程不应低于设计洪水位(或校核洪水位)与相应安全超高值之和。同时，还要考虑交通桥等梁底应高出最高洪水位0.5m以上，综合考虑后闸顶高程取10.256m。

3.4 水闸泄流能力计算

水闸在满足正常运行情况下应维持正常蓄水位为6.30m，当来流量大于灌溉供水、发电和生态流量时，需开闸泄洪。其调度原则是：①当上游来流量<124.70m3/s(设计灌溉流量23.20m3/s、设计发电流量101.50m3/s)时，关闭闸门，从上游渠道引水，优先满足灌溉流量，再满足发电流量；②当上游来流量>124.70m3/s，<2540m3/s时，通过闸门控泄，来多少泄多少，保持正常蓄水位6.3m运行；③上游来流量超过2540m3/s时，闸门全开敞泄，河道恢复天然状态，水位升高，当水位回落至正常蓄水位时恢复控泄，保持正常蓄水位6.3m运行；④当枯水期来流量小于灌溉流量，上游水位低于正常蓄水位时，应动用拦河闸调节库容优先满足灌溉流量，停止发电。

根据水闸运行调度要求，当水闸宣泄洪水时闸门打开，全部来水由水闸下泄，此时过闸水流为堰流。水闸泄流能力根据《水闸设计规范》(SL265-2016)计算，公式如下：

(1)

式中：σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数，取0.385；B0为闸孔总净宽，m；H0为计入行近流速的堰上水头，m；Q为过堰流量，m3/s。

以现状的水位流量关系曲线作为闸下游水位的计算依据，在各种泄洪频率下，水闸的泄流能力计算成果见表2。在相同频率洪水下，重建拦河闸与原拦河闸泄流能力计算成果对比见表3。经分析知：在各种泄洪频率下，上、下游水头差均控制在0.3m内，水闸的泄流能力满足规范要求。重建后拦河闸泄流能力较原闸大，重建闸上游水位均较原闸降低5-6cm。

表2 水闸泄流能力计算成果表

表3 同频率洪水重建拦河闸与原拦河闸泄流能力对比表

3.5 闸室渗流稳定计算及防渗处理

根据地质勘察资料，拦河闸左岸基础(桩号闸坝纵0+074.140-0+413.06)主要为含砾中粗砂层，右岸基础(桩号闸坝纵0+000-0+074.140)为中细砂层，均为强透水或较强透水层，允许渗透坡降均为0.35。拦河闸闸室水平段及出口段均为含砾中粗砂层或中细砂层，则闸室水平段、出口段允许渗透坡降为[J]=0.35。

拦河闸闸室渗透稳定计算采用改进阻力系数法。选取节制闸地质断面作为典型断面进行计算，闸坝基础为含砾中粗砂层，厚度约5.5m。计算工况为：上游正常蓄水位为6.30m，下游最低水位为-1.244m，上、下游水头差为7.544m，防渗长度为28.9m。经计算知：水平段渗透坡降为0.184，出口段渗透坡降为0.426。因此，水平段渗透坡降满足要求，但出口段渗透坡降大于允许值，需进行基础防渗处理。

经方案技术、经济比选，闸室基础防渗处理采用垂直的柔性混凝土防渗墙，墙身厚0.6m，墙底深入全风化层以下1.0m，防渗墙平均深度约10.1m。防渗墙与闸坝中心线平行布置，布置范围：自右岸闸坝纵0-020.00开始，穿过右岸施工纵向围堰高喷防渗帷幕，再穿过左岸施工纵向围堰高喷防渗帷幕和船闸闸室至左岸防护堤堤后，至闸坝纵0+523.06止。防渗墙中心线设置在闸坝横0-013.650处，与上游齿槽相连接。经防渗处理后，最不利工况下计算求得底板水平段渗透坡降为0.065，出口段的渗透坡降为0.329，均小于允许渗透坡降值，可满足渗透稳定要求。

3.6 闸室结构稳定计算

闸室采用两孔一联的整体结构，结构稳定根据《水闸设计规范》(SL265-2016)计算，主要包括整体抗滑稳定、基底应力计算等，计算公式如下：

抗滑稳定：

(2)

基底应力计算：

(3)

式中：Kc为沿闸室底面的抗滑稳定安全系数；f为闸基底面与地基间的摩擦系数；∑G为作用在闸室上的全部垂直荷载，kN；∑H为作用在闸室上的全部水平荷载，kN；Pmax/min为闸室基底应力的最大值或最小值，kPa；∑Ms、∑My分别为作用于闸室底板上全部荷载对计算截面形心轴X、Y的力矩之和，kN·m；Wx、Wy分别为计算截面对形心轴X、Y的截面矩；A为闸室基底面积，m2。

工况选择、计算结果见表4。计算表明：闸室抗滑稳定满足规范要求，基底应力值较小且分布比较均匀，闸基上下游应力均小于闸基允许承载力，无拉应力产生，闸室布置比较合理[4]。

表4 拦河闸闸室结构稳定计算成果表

3.7 地基加固处理

本工程在原水闸闸址基础上拆除重建，原水闸已运行多年，基础沉降已趋于稳定，基础密实度相对较好，可采用天然基础，故无需进行基础加固处理。但右岸闸室基础(桩号闸坝纵0+000-0+059.42)为中细砂层，该地层在地震时易产生砂土液化现象，不宜直接作为建筑物基础持力层，需进行防砂土液化处理。根据类似工程经验，基础防砂土液化处理考虑采用基础换填、水泥搅拌桩及振冲碎石桩三种基础处理方案进行比较，各方案投资对比详见表5。

表5 拦河闸基础加固方案投资对比表

经对比分析可知，采用水泥搅拌桩的基础处理方案具有投资少，施工简易、方便的优点，因此，基础处理推荐采用水泥搅拌桩方案，即将右岸节制冲砂闸闸室底板下游齿槽及左右两侧缝墩采用桩径为0.5m、间距为0.4m的连体水泥搅拌桩对中细砂层进行围封，桩底深入砂砾层1m；内部采用桩距为1.2×1.2m的水泥搅拌桩，桩底深入砂砾层1m。水泥搅拌桩平均长度5m，总长度约为1500m。

4 结 语

文章在系统梳理漠阳江双捷拦河闸现状问题的基础上，结合工程实际，制定了科学合理的水闸重建设计方案，方案重点探讨了闸址及闸轴线比选、水闸泄流能力计算、渗流稳定计算及防渗处理、闸室结构稳定计算和地基加固处理。该方案可保证水闸防洪兴利效益的正常发挥，有助于优化工期，节省投资成本。本重建方案对于同类型的拦河闸除险加固工程具有一定的现实参考意义。