陳 輝，孫潔瑩

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

水閘是一種低水頭水工建筑物,具有擋水、泄水的雙重作用,在水利工程中應(yīng)用十分廣泛。其主要作用是通過閘門的起閉控制流量和調(diào)節(jié)水位[1]。水閘的整體穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定直接關(guān)系到水閘的安全[2],在設(shè)計(jì)過程中要仔細(xì)核算,當(dāng)計(jì)算結(jié)果不能滿足規(guī)范要求時(shí),要采取合理的工程措施以保證水閘運(yùn)行安全。

1 韓腰樓節(jié)制閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算

1.1 節(jié)制閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓腰樓樞紐節(jié)制閘具備排洪和上游蓄水功能,設(shè)計(jì)排洪流量1008m3/s,閘門型式為平板鋼閘門?？紤]閘門單向擋水,節(jié)制閘閘室采用開敞式結(jié)構(gòu),共4孔,單孔凈寬15m,總凈寬60m,閘室底板兩孔一聯(lián),兩側(cè)為獨(dú)立空箱岸墻。閘室底板厚2m,底板頂高程為26m,閘墻頂高程36m,根據(jù)上部結(jié)構(gòu)交通橋、啟閉機(jī)橋和檢修便橋的布置,并考慮閘室的穩(wěn)定要求,閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度為20m,閘室上游側(cè)鋼筋混凝土鋪蓋長(zhǎng)度為20m,下游側(cè)鋼筋混凝土消力池長(zhǎng)度為28m。韓腰樓節(jié)制閘縱剖面圖如圖1所示,橫剖面圖如圖2所示。

圖1 韓腰樓節(jié)制閘縱剖面圖

圖2 韓腰樓節(jié)制閘橫剖面圖

1.2 節(jié)制閘穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)文[3],土基上的閘室穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)滿足下列要求:① 在各種計(jì)算工況下,閘室平均基底應(yīng)力小于地基允許承載力,最大基底應(yīng)力小于地基允許承載力的1.2倍。② 閘室基底應(yīng)力不均勻系數(shù)小于2。③ 閘室基底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.3。水閘計(jì)算工況由規(guī)劃設(shè)計(jì)水位確定,韓腰樓樞紐規(guī)劃設(shè)計(jì)水位如表1所列。

表1 韓腰樓節(jié)制閘規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)表

閘室基底壓應(yīng)力按式(1)計(jì)算:

(1)

其中，∑M為作用于結(jié)構(gòu)上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于底板底面形心軸的力矩，kN·m;W為基礎(chǔ)底面對(duì)底板底面形心軸的截面矩，m3。

閘室基底應(yīng)力不均勻系數(shù)按式(2)計(jì)算:

(2)

其中，η為基底應(yīng)力不均勻系數(shù)。

閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(3)計(jì)算:

(3)

其中,Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G為作用在底板以上的全部豎向荷載,kN;f為基礎(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù),取0.3;∑H為作用在建筑物上的全部水平荷載,kN。

韓腰樓節(jié)制閘閘室各工況下的整體穩(wěn)定安全計(jì)算結(jié)果如表2所列。

表2 閘室整體穩(wěn)定安全計(jì)算成果表

由以上計(jì)算結(jié)果可知,韓腰樓節(jié)制閘閘室最大基底應(yīng)力為118.23kN,小于地基承載力150kN;閘室基底應(yīng)力不均勻系數(shù)最大值為1.75,小于基底應(yīng)力不均勻系數(shù)允許值2;閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.32,大于抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)下限值1.3。綜上可知,韓腰樓節(jié)制閘在各種工況下整體穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求,可采用天然地基作為持力層,不需要進(jìn)行地基處理。

2 韓腰樓節(jié)制閘防滲設(shè)計(jì)及滲流穩(wěn)定計(jì)算

2.1 節(jié)制閘滲流穩(wěn)定計(jì)算

韓腰樓節(jié)制閘閘基防滲體系主要由閘室底板、上游鋼筋混凝土鋪蓋和下游鋼筋混凝土消力池不透水段組成。其中閘室底板長(zhǎng)20m,上游側(cè)鋼筋混凝土鋪蓋長(zhǎng)20m,下游側(cè)鋼筋混凝土消力池水平投影不透水段長(zhǎng)14.3m。滲流計(jì)算采用河海大學(xué)土木工程學(xué)院開發(fā)的“Autobank7.0滲流穩(wěn)定計(jì)算程序”[4]。

閘基以下土層主要為③ 層輕粉質(zhì)壤土、沙壤土,透水性強(qiáng),層厚12m～15m;其下為④ 層重粉質(zhì)壤土,透水性較弱,層厚6m～10m。各土層滲透系數(shù)及允許比降均采用地質(zhì)報(bào)告中的建議值,如表3所列。

表3 韓腰樓節(jié)制閘閘址區(qū)各土層滲透系數(shù)建議值

根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)條件表可知,韓腰樓節(jié)制閘在惡劣放水工況上下游水頭差最大,此時(shí)最有可能發(fā)生滲透破壞,選取惡劣放水工況為計(jì)算工況,計(jì)算出口段的滲流坡降。計(jì)算模型及結(jié)果如圖3所示。

圖3 韓腰樓節(jié)制閘滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖

由以上結(jié)果可知,在惡劣放水工況下,閘基下游出口段滲流坡降為0.161,大于地質(zhì)報(bào)告給出的允許滲流坡降0.15,不滿足規(guī)范要求,需采取工程防滲措施。

2.2 韓腰樓節(jié)制閘工程防滲措施

按照上堵下排的原則,在上游鋪蓋下設(shè)置1道塑性混凝土截滲墻,墻體厚度0.4m,深入相對(duì)不透水層厚度為1.0m。增設(shè)塑性混凝土截滲墻后,繼續(xù)采用“Autobank7.0滲流穩(wěn)定計(jì)算程序”進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算模型及結(jié)果如圖4所示。

圖4 韓腰樓節(jié)制閘滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)圖(布置截滲設(shè)施后)

由計(jì)算結(jié)果可知,在惡劣放水工況下,閘基下游出口段滲流坡降為0.0291,小于地質(zhì)報(bào)告給出的允許比降0.15,滿足規(guī)范要求。

根據(jù)本閘土層條件,結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果,確定采用水平防滲和垂直防滲組合布置型式,截滲墻深入重粉質(zhì)壤土層1m,平均深度15.5m,墻厚0.4m,長(zhǎng)度232m,截滲墻兩側(cè)與兩岸堤防相接。塑性混凝土截滲墻漿液配合比可參照以往工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：水泥摻量125kg/m3左右,粘土摻量為水泥重的2～2.5倍,膨潤(rùn)土摻量為粘土重的10%～20%,砂率40%～50%,水膠比0.9～1.1。為防止閘基底部接觸滲流問題,沿滲徑范圍底板下設(shè)置0.8m厚10%水泥土墊層,換填后水泥顆粒會(huì)吸收土體中水分并迅速凝結(jié),形成硬化骨架包裹內(nèi)部土體顆粒,提高土體允許滲透坡降[5]。通過水泥土換填和垂直截滲墻兩道工藝,保證工程在運(yùn)行期各種不利工況下均能滿足滲流安全要求。

3 結(jié)束語

穩(wěn)定和滲流安全是影響節(jié)制閘安全的兩大重要因素,砂性土地基承載力普遍較高,一般可以滿足水閘整體穩(wěn)定要求,但是砂性土透水性較強(qiáng),易發(fā)生管涌破壞,經(jīng)常需要進(jìn)行防滲處理。塑性混凝土截滲墻具有一定的柔性,比鋼筋混凝土截滲墻能更好的適應(yīng)地基土體變形,是軟土地基一種行之有效的防滲措施。在實(shí)際工程中,閘底板與地基接觸面以及截滲墻與上游鋪蓋接觸面,都是易發(fā)生滲流破壞的薄弱點(diǎn),可結(jié)合水泥土換填等工程措施,以保證水閘的滲流安全。