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（河南省山水水利工程有限公司，河南 鄭州 475000）

1 工程概況

該工程設(shè)計(jì)根據(jù)該河道具體比降及灘地高程確定蓄水建筑物位置，設(shè)計(jì)擬在河道上新建2 座鋼壩閘，分別為建設(shè)路橋閘（衛(wèi)河樁號(hào)40+050）、毛樓閘（衛(wèi)河樁號(hào)46+700）。鋼壩閘中心線與河道中心線平行布置，2座鋼壩閘設(shè)計(jì)擋水高度為4.30 m、4 m，結(jié)構(gòu)形式基本一致，由上游連接段、鋪蓋段、閘室及消力池段、海漫段、防沖槽、下游連接段組成。

2 鋼壩閘閘門設(shè)計(jì)要點(diǎn)

該工程設(shè)計(jì)2座鋼壩閘均采用專業(yè)成品底軸驅(qū)動(dòng)下臥式翻板鋼壩。擬建設(shè)路閘閘門尺寸4 m×16 m，毛樓閘閘門尺寸3.70 m×25.00 m。閘門門體厚度不小于450 mm，門頁(yè)面板采用Q235B材質(zhì)，門葉設(shè)前、后面板，面板厚度不小于10 mm。

鋼壩閘門底軸要求采用Q345B直縫焊接鋼管，鋼管直徑不小于800 mm，鋼管壁厚不小于55 mm，底軸支鉸采用半封閉鉸座，底軸上要設(shè)置不銹鋼軸套，軸套壁厚不小于10 mm，底軸啟閉機(jī)控制室穿墻套管采用鑲銅軸套，軸套壁厚不小于20 mm。

門葉及埋件外露部分（不銹鋼除外）防腐采用噴鋅防腐，噴砂除銹達(dá)到Sa2.5 級(jí)，表面粗糙度Ry60～100 μm，噴鋅厚度160 μm，底漆為環(huán)氧云鐵漆1道，干膜厚度為80 μm，面漆為氯化橡膠漆，干膜厚度為80 μm，埋件與混凝土接觸部分涂苛性鈉水泥漿。

3 鋼壩閘布置

3.1 上游連接段

上游連接段設(shè)計(jì)全長(zhǎng)10 m，設(shè)計(jì)底寬18～22 m，兩岸邊坡1.00∶2.50。岸坡采用現(xiàn)澆C25混凝土護(hù)砌，厚0.30 m。護(hù)坡下設(shè)反濾土工布。底板及岸坡每10 m分一道伸縮縫，縫寬20 mm，內(nèi)填聚乙烯閉孔泡沫板。上游連接段混凝土抗?jié)B等級(jí)W4，抗凍等級(jí)F150。

3.2 防滲鋪蓋段

鋪蓋段設(shè)計(jì)全長(zhǎng)20 m，寬22 m（16 m、25 m），采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.40 m，下設(shè)0.10 m 厚C15混凝土墊層。兩岸采用圓弧翼墻與岸坡連接。翼墻采用現(xiàn)澆C25 混凝土重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻頂高程按正常蓄水位+0.50 m確定。翼墻墻高4.50 m，頂寬0.60 m，背坡1.00∶0.50；基礎(chǔ)厚0.80 m，底寬3.75 m，前趾長(zhǎng)0.50 m，后踵長(zhǎng)0.40 m，下設(shè)0.10 m厚C15混凝土墊層。鋪蓋段底板及翼墻每10 m，分1道伸縮縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)設(shè)橡膠帶止水。翼墻墻后填筑原狀土，壓實(shí)度不小于0.91。鋪蓋段混凝土抗?jié)B等級(jí)W4，抗凍等級(jí)F150。

3.3 閘室及消力池段

蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計(jì)閘室及消力池底板采用一體化設(shè)計(jì)，全長(zhǎng)16 m，寬22 m，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘底板上游端高出河道底高程0.30 m，采用1∶4 斜坡與上游鋪蓋連接。閘室段底板厚1.20 m，下設(shè)0.10 m厚C15混凝土墊層。消力池末端底板厚0.80 m，下設(shè)粗砂、碎石墊層，各厚0.20 m；表層設(shè)置φ75PVC排水孔，間距1 m，呈梅花型布置。

3.4 海漫段

消力池下游設(shè)置海漫，共長(zhǎng)20 m，其中上游為M7.5 漿砌石海漫，長(zhǎng)10 m，厚0.50 m，下設(shè)粗砂、碎石墊層，各厚0.15 m，表層設(shè)置φ75PVC排水孔，間距1 m，呈梅花形布置；下游側(cè)為干砌石海漫，長(zhǎng)10 m，厚0.50 m，下設(shè)粗砂、碎石墊層，各厚0.15 m。防沖槽位于海漫末端，底寬2 m，深1 m，上游邊坡1∶2，下游邊坡1∶3，內(nèi)填拋石。翼墻及護(hù)坡設(shè)置Φ75 mmPVC排水孔，行距2 m，排距3 m。兩岸護(hù)坡、翼墻及漿砌石底板每10 m設(shè)道伸縮縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)充填聚乙烯閉孔泡沫板。混凝土抗凍等級(jí)F150，抗?jié)B等級(jí)W4。

3.5 下游連接段

下游連接段設(shè)計(jì)全長(zhǎng)10 m，設(shè)計(jì)底寬22 m～18 m（11 m、19 m），兩岸邊坡1.00∶2.50。岸坡采用現(xiàn)澆C25 混凝土護(hù)砌，厚0.30 m。護(hù)坡下設(shè)反濾土工布。底板及岸坡每10 m 分一道伸縮縫，縫寬20 mm，內(nèi)填聚乙烯閉孔泡沫板。下游連接段混凝土抗?jié)B等級(jí)W4，抗凍等級(jí)F150。

3.6 閘室平臺(tái)

結(jié)合上下游圓弧翼墻布置，設(shè)計(jì)在鋼壩閘兩側(cè)設(shè)平臺(tái)，平臺(tái)寬11.55 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)56 m；平臺(tái)頂高程同上下游翼墻頂高程，表層采用C25無(wú)砂透水混凝土硬化，厚0.30 m，下設(shè)0.10 m厚碎石墊層；兩岸閘墩及翼墻頂部設(shè)仿石混凝土欄桿。平臺(tái)上下游設(shè)C25混凝土踏步。

4 鋼壩閘工程水力計(jì)算

4.1 閘孔凈寬計(jì)算

該蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計(jì)4 座蓄水建筑物均為敞開(kāi)式寬頂堰結(jié)構(gòu)。閘孔凈寬按淹沒(méi)堰流計(jì)算，采用高淹沒(méi)度（hs/H0≥0.90）公式：

式中：Q—過(guò)閘流量；B0——閘孔的總凈寬，m；H0—計(jì)入行近流速的堰上水深，H0＝H+V02/2 g；H—堰上靜水深，m；V0—行洪流速，m/s；hs—由堰頂算起的下游水深，m；μ0—淹沒(méi)堰流的綜合流量系數(shù)。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，“一般情況下，平原區(qū)水閘的過(guò)閘水位差可采用0.10～0.30 m”。衛(wèi)河建設(shè)路橋閘閘室總凈寬取16 m，毛樓閘閘室總凈寬取25 m，設(shè)計(jì)流量和排澇流量工況下，上下游水位差均滿足規(guī)范要求。

4.2 消能防沖計(jì)算

消能防沖計(jì)算的主要目的是確定水閘的消力池深度、長(zhǎng)度及底板厚度，同時(shí)確定下游海漫的長(zhǎng)度及沖刷深度，確保水閘在各種運(yùn)行工況下的安全。

按照鋼壩閘的任務(wù)，在汛期來(lái)臨之際或發(fā)生異常情況時(shí)，其上游正產(chǎn)蓄水位時(shí)、下游無(wú)水時(shí)開(kāi)啟泄水，作為控制消能設(shè)計(jì)的水力條件。按河道天然水位流量關(guān)系曲線，閘門逐漸降低，進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。消力池計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B公式，先判斷是否需要設(shè)消力池，然后采用試算方法確定消力池深度及長(zhǎng)度。

4.3 滲流計(jì)算

水閘的滲流計(jì)算應(yīng)根據(jù)閘基的地質(zhì)情況、閘基和兩側(cè)輪廓線的布置及上下游水位條件進(jìn)行，主要內(nèi)容包括滲透壓力計(jì)算和抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算。初擬鋪蓋長(zhǎng)度20 m，閘室長(zhǎng)度16 m。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘基滲透壓力采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算。

確定地基有效深度：由于Lo/So=5.90＞5.00 則按公式Te=0.50Lo計(jì)算地基有效深度式中：Lo—地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度（m）；So—地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度（m）；Te—水閘的地基有效深度（m）。經(jīng)計(jì)算地基有效深度為18 m。

計(jì)算分段阻力系數(shù)：將實(shí)際的地下輪廓進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之成為垂直的和水平的兩個(gè)主要部分，再根據(jù)簡(jiǎn)化了的地下輪廓不透水部分各角點(diǎn)的等勢(shì)線，將地基分段。

5 鋼壩閘工程穩(wěn)定計(jì)算

5.1 閘室穩(wěn)定計(jì)算

5.1.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，衛(wèi)河水環(huán)境綜合治理蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計(jì)2座鋼壩閘，閘室基礎(chǔ)均位于第③單元地基土中，地基允許承載力特征值為130 kPa；閘室與基礎(chǔ)綜合摩擦系數(shù)f=0.30。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，抗震計(jì)算采用擬靜力法。

5.1.2 計(jì)算工況

根據(jù)閘室結(jié)構(gòu)，蓄水建筑物鋼壩閘工程對(duì)閘室按基本荷載組合和特殊荷載組合分別進(jìn)行計(jì)算。按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，土基上閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比的允許值，中等堅(jiān)實(shí)地基上，基本組合η=2.00，特殊組合η=2.50。閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表1。

由計(jì)算結(jié)果可知，閘室基礎(chǔ)以③單元重粉質(zhì)壤土為持力層可滿足承載力求。

5.2 擋土墻穩(wěn)定計(jì)算

閘室上下游翼墻采用重力式擋土墻，蓄水建筑物鋼壩閘工程擋土墻穩(wěn)定計(jì)算選擇閘前鋪蓋擋土墻斷面進(jìn)行典型穩(wěn)定分析。閘墩采用空箱式擋土墻形式，衛(wèi)河水環(huán)境綜合治理蓄水建筑物鋼壩閘工程對(duì)閘墩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

5.2.1 擋土墻計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，兩岸翼墻及閘墩基礎(chǔ)位于第③單元地基土中，地基允許承載力特征值為130 kPa；擋土墻與地基綜合摩擦系數(shù)f=0.30?？够€(wěn)定安全系數(shù)，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，3 級(jí)建筑物基本組合k＝1.25，特殊組合Ⅱk＝1.05；在各種計(jì)算工況下，基底應(yīng)力的最大值與最小值之比即不均勻系數(shù)允許值，堅(jiān)實(shí)土基的基本組合η＝2.00，特殊組合η＝2.50。

5.2.2 擋土墻計(jì)算工況

各斷面均按基本荷載組合和特殊荷載組合進(jìn)行計(jì)算?；窘M合完建期：自重+土壓力+土重基本組合；設(shè)計(jì)蓄水位工況：自重+水重+水壓力+土重+土壓力+揚(yáng)壓力；特殊組合：地震工況。

表1 閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果表

5.2.3 擋土墻計(jì)算方法

抗滑穩(wěn)定計(jì)算按抗剪強(qiáng)度公式：

閘墩及翼墻擋土墻穩(wěn)定計(jì)算由計(jì)算結(jié)果可知，擋土墻計(jì)算斷面在各種工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算均滿足規(guī)范要求，計(jì)算基底應(yīng)力均小于第③單元地基允許承載力。

6 結(jié)語(yǔ)

該水環(huán)境綜合治理蓄水建筑物鋼壩閘工程設(shè)計(jì)充分利用該段河道內(nèi)灘地優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建設(shè)蓄水建筑物，抬高河道水位，建設(shè)人工濕地，改善水環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)水生態(tài)；同時(shí)在濕地內(nèi)修建生態(tài)步道，增加游覽的趣味性，發(fā)展周邊旅游經(jīng)濟(jì)；另外，對(duì)現(xiàn)狀岸坡進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸改造，保障水安全的同時(shí)美化造景、維護(hù)河道生態(tài)環(huán)境。