城市防洪水闸重建设计与渗流稳定计算分析研究

江 高

(江门市新会区水利水电勘测设计有限公司，广东 江门 529100)

1 概述

下浅水闸位于江门市新会区会城街道江门水道右岸距虎坑口0.85km，虎坑河是西江连通崖门水道的重要支流，从睦洲流入，向西南流经会城街道，由虎坑口出银洲湖从崖门出海，流域面积40km2，干流全长15km，平均坡降0.5‰。本地区主要受到银州湖水道暴潮的袭击，堤内暴雨径流主要由于自身集雨面积产生。该区受台风暴雨袭击频繁，强热带风暴和台风形成的风暴潮破坏力大，且台风来时一般又伴随区内暴雨，因此堤内又产生涝灾，造成巨大洪涝灾害。

下浅水闸原有一孔，原净宽4m，底板高程-1.6m。水闸承担排洪挡潮与引水灌溉任务。下浅水闸现有启闭架混凝土剥落，钢筋外露，闸门及滑轮组等金属结构部分锈蚀，且桥面宽度不满足交通需求，现以重建工程展开详细设计和稳定性分析研究。

2 工程水文地质条件

2.1 水文地质条件

根据临近工程资料，工程所在地地下水属潜水类型，赋存于第四系地层中，主要受地表河水及大气降水补给，向河道排泄，水位变化明显受地表河水变化的影响，地下水位一般洪水期上升，旱季下降，水位变化幅度约为0.5～1.5m。

研究项目所在地区的地下水中碳酸根离子比重大，因此会对混凝土结构有一定的弱腐蚀性，在周边环境出现干湿反复的情况下导致钢筋混凝土结构中的钢筋产生弱腐蚀，同时也对钢结构具有弱腐蚀性；项目区内的地表河水对混凝土没有腐蚀性，仅仅对钢结构有一定的弱腐蚀性。

2.2 工程地质条件

所在区域地层主要为人工填土层、第四系海陆交互相沉积层、第四系残积层及基岩，其中基岩地表出露很少，仅在小山头有零星出露。按时代从新到老将工程区内主要地层分述如下：

人工填土层(Q4ml)，素填土：黄、灰色的素填土，主要成分为粘土，粉砂含量高，稍压密，稍湿，成分较纯，人工填筑而成，湿可塑，稍压实。主要分布于堤围区域。层厚3.3～4.60m。

第四系海陆交互相沉积层(Q4mc)，①淤泥：深灰色，流塑，以粘粒为主，其次为粉粒、粉砂、腐殖质和贝壳碎屑，具有层理，夹薄层粉砂。该层在场地内普遍分布，层厚9.40～10.30m。②粘土：红褐色、浅灰白色、浅黄色，可塑-硬塑，以粘粒为主，局部石英质粗砂含量高。该层在场地内普遍分布，层厚9.4～10.30m。

第四系残积层(Q4el)，主要为粘土或粉质粘土，属花岗岩风化残积物，含有风化碎块及砂粒。

燕山三期花岗岩层(γ52/3)，灰色、深灰色，片麻状，条纹状构造，成分以长石、石英、云母为主，常与下古界变质岩混杂呈过渡状。

3 设计初步方案

3.1 防洪排涝标准

本工程建设的主要任务是防洪(潮)、排涝和引水灌溉，兼顾交通功能。根据GB 50201—94《防洪标准》、GB 50286—98《堤防工程设计规范》确定水闸所在外河涌堤防级别为Ⅳ等，防洪(潮)标准按20年一遇设计，以历史最高洪(潮)水位校核[1]。考虑到本地区未来的经济发展，本次采用10年一遇24h暴雨所产生的径流量1天排干设计。

3.2 闸室规模计算

闸室规模具体选定原则如下：①满足挡洪潮、排涝和灌溉的要求；②以对现状排水影响小、建设经济为原则；③水闸在汛期有抢排涝的任务，闸孔净宽应满足及时排除闸前设计来水量的要求[2].

根据水位资料、内河涌地形地势及围内田面高程情况，综合确定下浅水闸内、外特征水位见表1。

表1 特征水位表1

3.2.1水闸总净宽复核计算

同样的过水能力，闸底高程较低则要求闸宽较小，水闸的闸底高程应尽可能与河底齐平。由于重建排涝水闸属小(1)型水闸，规模不大，考虑河涌的地形地质情况及现有水闸闸底高程，先选定水闸闸底高程，根据水闸现状规模拟定闸孔净宽，验算水闸过流能力是否满足要求[3]。

对于平底闸而言，参照SL 265—2001《水闸设计规范》中的规定，在堰流位于高淹没度(hs/H0≥0.9)情况[4]，可按如下公式计算水闸过流能力：

式中,B—闸孔总净宽,m；μ0—淹没堰流的综合流量系数；hs—由堰顶算起的下游水深,m；Q—过闸流量,m3/s；H0—堰上水深,m；g—重力加速度，g=9.8m/s2。

采用以上计算方法对下浅水闸根据设计流量确定所需的宽度，若计算宽度小于原有宽度，则原则上维持原有闸宽[5]。下浅水闸所需宽度规模详见表2。

表2 下浅水闸设计成果表

3.2.2闸顶高层复核验算

水闸闸顶高程不应低于正常水位(或最高挡水位)加波浪计算高度与相应安全超高之和；位于防洪(挡潮)堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪(挡潮)堤顶高程[6]。故下浅水闸闸顶高程计算分设计挡潮和校核挡潮两种工况。设计挡潮工况下潮水位取闸外设计水位2.51m，设计风速采用相应年最高潮位日的最大风速平均值15m/s的1.5倍，即v0=22.5m/s；校核挡潮工况的潮水位取闸外历史最高潮位计算，历史最高洪潮水位为2.73m，风速采用相应年最高潮位日的最大风速平均值15m/s。

根据SL 265—2001《水闸设计规范》中的规定计算闸顶高程，计算公式如下式：

Z=h0+h10%+hz+A

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Hz—超计算水位的波浪中心线的高度，m；h0—计算潮水位，m；A—安全超高，m；hm—平均浪高，m；v0—计算风速，m/s；Hm—风区内的平均深度，m；Tm—平均波周期，s；Lm—平均波长，m；D—风区长度，m；Z—水闸顶部的高程，m；H—水闸前的水深，m；H10%—相应于波列累积频率10%的波高，m。

根据上述公式计算，结果见表3。闸顶高程应取以上两种工况计算的大值，即3.17m，考虑水闸两边堤防的以后可能加固的高程及原有闸顶高程，本次综合确定下浅水闸设计闸顶高程为3.20m。

表3 闸顶高层计算成果表

根据排涝计算成果，综合考虑水闸原规模及地形、地势、现状河道宽度等多方面因素，确定下浅水闸的重建规模[6]，选址上选定原址，规模选定成果见表4。

表4 下浅水闸重建规模表

3.3 闸室结构设计

依据中华人民共和国行业标准SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》和SL 265—2001《水闸设计规范》等[7]。主要参数取值如下：

①结构所处环境类别：水闸环境类别的划分参照SL 265—2001条文说明第7.1.2条进行划分，取多年平均低潮位-0.66m以下闸墩及底板为三类环境；多年平均低潮位-0.66m以上结构部分及其他露天结构为二类环境。

②建筑物级别：4级

③荷载分项系数(γG)：1.05

④可变荷载分项系数(γQ)：1.20

⑤受力钢筋最小配筋率：0.15%

⑥钢筋砼结构构件最大裂缝宽度允许值：根据SL 265—2001第7.1.2.2条，二类环境最大裂缝宽度计算值不应超过0.20mm，三类环境不应超过0.15mm。

使用计算软件箱涵结构计算程序1.2，计算结果如下图1。

图1 结构计算结构图

4 稳定性计算

4.1 渗流稳定性计算

4.1.1计算方法

计算水闸的渗流稳定性方法，选取SL 265—2001中的建议方法，根据规定的改进阻力系数法进行计算[7]，采用公式如下：

①地基有效深度：当L0/S0≥5时，Te=0.5L0

式中,Te—地基的有效长度,m；L0—地下轮廓的水平投影长度,m。

②进、出口段：

(5)

式中,ξ0—进出口段的阻力系数。

③内部垂直段：

(6)

式中,ξy—内部垂直段的阻力系数。

④水平段：

(7)

式中,ξx—水平段的阻力系数。

⑤各分段水头损失值：

(8)

式中,hi—各分段水头损失值,m；ξi—各分段的阻力系数；n—总分段数。

⑥进、出口段修正后的水头损失值公式

(9)

(10)

(11)

Δh=(1-β′)h0

(12)

⑦进出口齿墙不规则部位水头损失修正公式

当hx<Δh，且hx+hy<Δh时，hy′=2hy，hcd′=hcd+Δh-(hx+hy)。

4.1.2下浅水闸渗流计算

下浅水闸基础防渗轮廓主要由刺墙、底板、齿墙组成，防渗轮廓总长22.85m。计算结果见表5。

表5 水闸渗流计算结果表

根据《新会区会城街道迴兰桥电排站新建工程工程地质勘察报告》，淤泥质土允许渗流坡降值水平段为0.32，出口段为0.55；由计算结果可知，在选定工况下渗透坡降均小于地勘规定值，水闸渗流稳定满足要求。

4.2 闸底应力分析及稳定验算

按照SL 265—2001，根据下浅水闸的实际运行情况，采用不同荷载组合，进行抗滑稳定计算、闸室基底应力计算。根据SL 265—2001计算下浅水闸稳定和应力时的荷载组合分为基本组合和特殊组合[8]。基本组合采用完建期、设计运用期2种工况计算。特殊组合采用正常运用期遭遇7度地震工况计算。

4.2.1计算方法

根据SL 265—2001，抗滑稳定可采用以下公式计算[7]：

(13)

式中,Kc—抗滑移稳定安全性系数；∑G—闸室上所有竖向作用荷载；∑H—闸室上所有水作用荷载；f—闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.21。

水闸闸室的基础底部应力计算方法：

(14)

4.2.2稳定性验算结果

本工程基础坐落在淤泥层，其承载力约为50kPa。通过上述计算方法对水闸稳定性进行验算成果见表6。

表6 下浅水闸稳定计算成果表

由成果表可知，在上述计算工况下水闸在荷载组合下的都能够满足稳定性要求。同时基底应力不均匀系数均满足规范允许值要求，最大基底平均应力48.26Pa，也满足地基承载力(50kPa)要求[9]，最大基底应力57.52kPa满足1.2倍地基承载力(60kPa)要求。仍需对本工程进行基础处理，结合新会地区多宗水闸施工、运行、管理经验，本次水闸基础采用尾径不小于100mm松桩处理[10]，松桩单根长4m，间距400mm×400mm布置。

5 结语

近些年极端气候的频发和城镇建设不断发展带来的防洪排涝压力的增大，给许多老旧水闸带来了极大的压力，本文通过江门下浅水闸的重建规划选址设计，对水闸规划选址，根据新防洪排涝标准重新复核验算规模，设计结构并进行渗流稳定性和闸底稳定分析计算，满足了重建的要求，提供了一套合理的设计经验依据，满足了重建水闸担负会城街道大滘村防洪防潮功能，兼负排涝、引水灌溉任务和交通要求。

水闸设计重建时，对地基的处理往往非常重要，特别是在特殊地质条件下的水闸地基处理。对水工结构的安全稳定运营非常重要，本文由于篇幅所限，在这方面上研究较少，这也是水闸设计的重要研究方向。