浅谈某防洪控制闸设计

1 工程概况

某江河道宽约50m, 闸址河床地层岩性主要为中粗砂, 两岸台地岩层分两层, 上层为中粗砂, 厚约3.5m~4.0m, 下层为含砂粘土、粉质粘土、淤泥质土, 局部为粘土质砂。中粗砂层承载力为120 k Pa, 渗透系数25m/d~60m/d, 允许渗透坡降0.15~0.25m/d, 基底摩擦系数0.35~0.4, 抗冲流速1.0~1.2m/d。控制闸的基础座落在中粗砂夹淤泥地层上, 枢纽布置5孔潜孔式平底闸, 孔口尺寸8m×4m (宽×高) , 单孔宽8m, 总宽度为51.2m, 闸底板高程13.0m, 闸顶高程19.5m。控制闸左、右两端分别与两岸防洪堤相连接。

2 设计标准

控制闸是通过控制分洪时的洪峰流量, 确保上游沿岸村民和农田免遭50年一遇洪水灾害。因此, 控制闸按50年一遇洪水设计, 相应上游设计水位18.2m。工程等级为Ⅳ等, 主要建筑物为4级。控制闸最大泄流量为700m3/S, 消力池按泄流量为400m3/S设计, 相应下游水位为16.5m。

3 控制闸枢纽布置

3.1 布置原则

设计根据闸址地质条件及控制闸的运用条件确定枢纽布置应遵循以下原则:闸坝应采用轻型结构, 尽量降低闸的高度, 对称布置以减少基底压力及最大压力和最小压力之比值;堰顶高程与原河床齐平, 以保证低水位时亦能够开闸放水;闸孔应尽量布置在主河道上, 总宽度应尽量与原河道宽度一致, 使建闸后仍能维持河道的天然过流状态, 避免由于建闸使河道缩窄过多而使过闸单宽流量过大, 造成对河床及岸坡的冲刷;由于地基的渗透系数较大, 布置时应考虑基础的防渗和排水措施, 以减少基底的渗透压力及由此而产生的渗透破坏。

3.2 枢纽布置及断面设计

根据以上布置原则, 枢纽布置5孔潜孔式平底闸, 孔口尺寸为8m×4m (宽×高) , 单孔宽8m, 孔口总宽度40m, 闸坝总长51.2m, 基本与原河道宽度一致。闸坝堰顶高程为13.0m, 与原河床面齐平, 闸底板厚1.5m, 顺水流方向底板长12.8m。闸门采用平板钢闸门, 卷扬式启闭机启闭, 为降低闸门的挡水高度, 闸孔顶部设胸墙, 墙厚0.5m, 顶高程19.5m, 与闸顶高齐平。由于闸坝是建在软基上, 为避免因沉陷不均而影响闸门的正常启闭, 故分缝设在闸墩处。闸坝共分3个闸块, 中间闸块为1孔1块, 两边为2孔1块。在控制闸左、右两侧设置肋板式钢筋混凝土防渗齿墙, 齿墙伸入两岸土质防洪堤内各10m。

为增加渗径, 防止渗漏破坏, 在闸底板上游侧设置沿水流方向长3m的混凝土铺盖, 铺盖厚度0.8m, 铺盖左、右两端分别与控制闸左、右岸进口导墙底板相连接。在铺盖底下设置一道高喷防渗墙, 防渗墙左右两岸伸入防渗性能较好的粘土层, 并与两岸防洪堤基础防渗墙相连接。防渗墙深9m (含铺盖厚度) 底高程为4.0m。

闸后设消力池, 池长18.0m, 池底高程12.0m, 池深1.0m, 消力池底板厚度0.7m。消力池后设长度为33m的混凝土海漫, 从消力坎后按l∶15的坡度斜向下游, 在其末端设堆石防冲槽。为适应沉陷变形, 海漫底板分成2.5m×3m的方块, 海漫中采用无砂混凝土排水体排水。

4 基础处理

控制闸闸坝基础布置于中粗砂夹淤泥地层上, 基础较松散, 孔隙率较大, 透水性强, 渗透系数达25m/d~60m/d, 允许水力坡降0.15~0.25, 基础承载力只有100k Pa~120k Pa, 若处理不当, 不但控制闸不能正常运行, 严重时还可能危及闸的安全。因此, 基础处理工作非常重要。基础处理的原则是提高基础承载力, 上堵下排, 减少基础的渗透压力。根据基础的实际情况, 设计中采取以下基础处理措施: (1) 大部分基础开挖至建基面以下0.5m, 然后在其上铺设0.5m的碎石与砂混合料垫层, 砂含量为30%, 碎石级配为二级配, 即碎石最大粒径为40mm, 基础处理范围为闸坝底板四周向外扩大1.0m。垫层铺好后进行加水振捣碾压等措施, 使基础达到较密实状态, 提高基础承载力; (2) 沿闸轴线桩号0+080.1~0+090.1段的基础为中粗砂夹淤泥, 基础处理采用造孔灌砂卵石桩, 孔径600mm, 排距、孔距均为1.2m, 孔深3.0m; (3) 为防止基础渗漏过大而引起管涌等渗透破坏, 在闸底板上游侧设置沿水流方向宽度为3m的混凝土铺盖, 铺盖厚0.8m, 左、右岸与控制闸进口导墙底板相连接。铺盖下设置一道高喷混凝土防渗墙, 防渗墙深9m, 左、右两岸伸入粘土层, 并与两岸土堤基础防渗墙相连接。高压喷射灌浆采用摆喷形式, 灌浆孔距1.2m, 由于在枯水期大多数时间是不过水的, 河床长期处于断流状态, 河床中砂的含水量较低, 因此高喷灌浆的浆液采用纯水泥浆, 灌浆采用的有关参数为:高压水嘴直径2mm, 气嘴直径9mm, 旋转角度20°, 旋转速度10r/min, 提升速度12cm/min, 高喷水压24MPa, 水量75L/min, 气压0.4MPa, 气量76L/min, 浆压0.1~0.2MPa, 浆量80 L/min, 浆液密度1.5; (4) 为减小基底的渗透压力, 设计在海漫设置无砂混凝土排水体, 排水体平面尺寸为20cm×20cm, 间距2.5m×3m, 从运行情况看, 排水体的排水性能良好。

5 设计计算成果分析

设计计算主要是计算基底抗滑稳定、渗透稳定、基底压力及地基最终沉降量, 根据设计断面进行的计算结果表明:基底的抗滑稳定安全系数最小值为1.9, 基底最大压应力为118.99k Pa, 基底压应力最大值和最小值之比最大为1.37, 基础最大渗透坡降为0.15, 均能满足规范要求。闸坝地基最终沉降量比较小, 而且同一闸块4个边角的沉降量比较接近, 闸块基础最大沉降量出现在闸块底板形心处, 最大沉降量为13.3mm。由此看出, 闸室基础沉降较小且均匀, 不会因基础的不均匀沉降而影响控制闸的正常运行。

6 结语

控制闸是在软基 (砂基) 上兴建的一座水闸。设计根据地基条件和控制闸的运行特点, 采用轻型的平底闸结构, 对称布置, 减少了基底压应力并使基底压力均匀分布, 使闸体更加适应软基 (砂基) 的变形。闸孔布置在主河道上, 闸底板高程与河床基本持平, 闸孔总宽度与原河床宽度相差不大, 尽量维持河道的天然过流状态, 减少水流对下游河床及两岸的冲刷。闸门采用潜孔式闸门, 减少了闸门的挡水高度, 降低了启闭平台的高度, 从而减少了金属结构、启闭设备的容量及土建工程量。

摘要：本文论述了某江控制闸是建在砂基上的一座闸坝, 其枢组布置、基础处理、控制闸的抗滑稳定、渗透稳定、应力分析及沉降等设计与分析是根据砂基的特性进行的。建成几年来未出现不良现象, 说明设计是合理的, 是值得借鉴的。

关键词：防洪控制闸,布置,设计