马滩水闸加固及水闸扩建设计方案研究.pdf

62云南水力发电YUNNAN WATER POWER第 40 卷第 3 期 *收稿日期：2023-06-12 作者简介：何鹤彬（1990-），男，广东东莞人，工程师，主要从事水工建筑设计工作。马滩水闸加固及水闸扩建设计方案研究何鹤彬（东莞市水务技术中心，广东东莞523000）摘要：通过对马滩水闸的现状进行调查和评估，发现存在混凝土结构老化、金属设备锈蚀和磨损等问题，无法满足现代水利需求。因此，本研究提出了综合的加固和扩建设计方案，包括混凝土结构的维修和防腐处理、金属设备的更换和升级，以及引入自动化控制系统。通过这些措施，旨在提升水闸的结构强度、耐久性和操作效率，满足水利工程的安全要求。关键词：马滩水闸；水闸加固；水闸扩建；设计方案中国分类号：TV698.2+2 文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)03-0062-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.03.017Research on the Reinforcement and Expansion Design Scheme of Matan SluiceHE Hebin(Dongguan Water Technology Center,Dongguan 523000,China)Abstract：Through investigation and evaluation of the current situation of Matan Sluice,it was found that there are problems such as concrete structure aging,metal equipment corrosion and wear,which cannot meet modern water conservancy needs.Therefore,this study proposes a comprehensive reinforcement and expansion design scheme,including maintenance and anti-corrosion treatment of concrete structures,replacement and upgrading of metal equipment,and the introduction of automated control systems.These measures can enhance the structural strength,durability,and operational efficiency of water gates,meeting the safety requirements of hydraulic engineering.Keywords：Matan Sluice;sluice reinforcement;sluice expansion;design scheme0引言根据马滩水闸工程的需求，主要以旧闸加固为主，不对闸址位置进行方案比选，仍采用旧闸位置，并以原有水闸布置为基础进行加固扩建。按照马滩水闸扩建应急方案，决定拆除水闸右侧溢流堤段、东深三期出水涵闸及一期泵房后，水闸的过流能力可以满足要求。因此，在本次扩建中，选择将水闸孔布置于右侧已拆除溢流堤的位置，避免增加开挖量，并且需要对右岸进行修复衔接，不再进行左右岸方案比选。1工程概况根据计算比选的结果，在满足过流要求的情况下，决定新增水闸单孔宽度维持与旧闸一致，即为 6 m。考虑节约投资的因素，比选了新增 4 孔、5 孔、6 孔方案，最终决定新建水闸总净宽为 30 m。扩建后的水闸共计有 19 孔（其中 14 孔为旧闸加固），水闸过流总净宽为 114 m（闸宽为 141 m）。工程总布置如下：拦河水闸共有19孔（旧闸14孔，新闸 5 孔），泄洪总净宽为 114 m，单孔净宽为 6 m，闸墩厚度为 1.5 m，水闸总宽度为 141 m，内部设有工作闸门和检修闸门。闸顶高程为 24.744 m，上方设有 3 m 宽的人行桥和启闭设备平台及构架，均为钢筋混凝土结构。旧闸采用开敞式实用堰，堰顶高程为 11.244 m，下游护面长为 25 m，采用C25 模袋混凝土，厚度为 0.5 m。新闸采用平底宽顶堰，闸底板面高程为 8.944 m，新闸段不设置消力池和海漫。在新旧闸连接处的上下游位置，将63何鹤彬马滩水闸加固及水闸扩建设计方案研究设置导流墙，导流墙采用 C25 钢筋混凝土悬臂式挡土墙的形式，墙底板面高程为 8.744 m，顶高程为 12.744 m，墙宽为 1.5 m，基础宽度为 4.5 m，上游段长为 15 m，下游段墙长为 25 m1。2旧闸加固设计方案2.1闸室加固方案马滩水闸的旧闸由 14 个闸孔组成，总宽为105 m（总净宽为 84 m），泄洪闸底板面高程为11.244 m。每个闸孔的单孔净宽为 6 m，闸墩厚度为 1.5 m，而闸顶高程则为 24.744 m。水闸上方设有 2 m 宽的人行桥和启闭设备平台及构架，全部采用钢筋混凝土结构。在水闸的右侧是已拆除建筑物后形成的乱掘地。水闸的基础主要由弱微风化花岗岩组成，局部地区存在较强风化的岩体，施工期间已进行灌浆或挖除回填混凝土处理。整体岩体坚硬且完整性良好，透水性较弱，不存在软弱夹层、强透水层或液化砂土，并且未发现有掏空或渗漏现象2。旧闸加固只针对 14 孔泄洪闸，结合水闸存在问题加固方案如下。1）在水闸中，闸顶高程和闸室结构不发生变化，但考虑到旧水闸上部结构、工作桥和检修平台的强度较低，配筋不足，并出现了保护层脱落、裂缝、露筋和钢筋锈蚀等问题，因此计划拆除混凝土上部结构中的工作桥和检修平台，并进行重新建设。上部结构的设计方案将沿用水闸原有的排架式结构，采用“一墩三柱”的形式。原水闸的工作闸门启闭机是固定卷扬机，检修闸门启闭机是移动卷扬机，都布置在启闭机平台上，但由于检修空间有限，不符合现行规范对启闭机检修空间的要求。因此，在本次设计方案中，将检修闸门启闭机调整为小车式电动葫芦，并设置轨道布置于启闭机平台下的横梁上，而工作闸门启闭机仍然采用固定卷扬机布置在启闭机平台上。通过这样的调整方案，增大了启闭机平台的检修空间，使其满足了现行规范的要求。由于现有闸墩的宽度为1.5 m，较为狭窄，无法在墩顶上设置缝柱，因此在本次设计中，将启闭机平台的梁板结构与排架柱设置为铰接，而启闭机平台的梁板结构将设置 2 个孔和 1 个缝，缝的宽度为 15 m。近期的启闭机层将采用露天的形式，而远期将采用仿古亭廊式的开敞结构。2）马滩水闸建于 1965 年，至今已经运行了52 a，基本达到了水工混凝土结构的设计期限。根据进行的安全鉴定结论，并通过现场查勘观测，未发现水闸闸墩混凝土在可见部位出现特别明显的开裂或钢筋锈蚀状况。根据现场钻芯法检测，闸墩混凝土的强度满足C30的设计强度等级。然而，考虑到水闸的运行时间较长，混凝土表面已经出现了一定程度的碳化现象。为了提高旧水闸保留部分混凝土结构的耐久性，并避免混凝土碳化的进一步加深，建议对旧水闸的闸墩和溢流堰表面进行打磨处理，并采用刷漆的方式进行涂层处理，以提高其结构的耐久性和使用寿命。初步推荐采用环氧树脂防腐蚀涂料，该涂料已经在潮州供水枢纽、木京水利枢纽、飞来峡水利枢纽、新丰江水利枢纽等多个大型工程中得到使用。据了解，环氧树脂防腐蚀涂料在化工大气和海洋环境下一般可使用 10 15 a。根据 SL 214-2015水闸安全评价导则和广东省水利工程安全鉴定实施细则的规定，水闸投入运用后每隔 15 20 a 应进行 1 次全面的安全鉴定。因此，建议下次对马滩水闸进行全面安全鉴定的时间为加固投入运用后的 15 a。届时，将再次对混凝土结构的强度和碳化深度进行检测，并评估混凝土的耐久性以及防腐蚀涂料的效果。这样的安全鉴定将有助于确保水闸的运行安全性和结构稳定性。通过定期的全面安全鉴定，可以及时评估水闸结构的状况，并采取必要的维护和修复措施，以确保其长期可靠运行。特别是对于马滩水闸这样已经运行了 52 a 的老旧水闸，对混凝土结构的强度和碳化深度进行定期检测至关重要。通过检测结果，可以了解混凝土的健康状况和耐久性，并对防腐蚀涂料的效果进行评价3。在未来的安全鉴定中，除了对混凝土结构进行检测外，还应重点关注旧水闸的其他部分，如上部结构、工作桥和检修平台等。这些部分往往因运行时间较长而出现强度偏低、裂缝、钢筋锈蚀等问题。为了确保水闸的安全运行，拆除并重新建设这些部分是必要的。64云南水力发电2024 年第 3 期对于马滩水闸这样的老旧水闸，定期进行全面安全鉴定至关重要。通过检测混凝土结构的强度和碳化深度，评估混凝土的耐久性，并进行防腐蚀涂料的处理，可以提高水闸的结构耐久性和使用寿命。同时，对于其他部分的重新建设和维护也是确保水闸运行安全的关键。3）旧水闸的工作桥设计中，原有的桥面宽度为 2 m，这样的宽度对于工程维护和管理存在一定的不便。因此，在当前阶段，计划采用悬挑结构的设计方案，将工作桥的桥面宽度从 2 m 增加至 3 m，这样的改进可以部分提升水闸的日常维护和管理的需求。然而，这个宽度仍然无法满足载重运输车辆通行的要求。同时，在本次设计中，通过对上部结构的重建，调整了柱位的位置，可以在检修门槽顶部设置格栅钢盖板，从而新增 2.5 m 宽的工作通道空间。这样的改变可以局部改善旧水闸在日常维护和管理方面所面临的困难局面。通过将工作桥的宽度由 2 m 加宽至 3 m，并在上部结构重建时进行柱位调整，并设置格栅钢盖板来扩展工作通道空间，可以在一定程度上改善旧水闸的日常维护和管理情况。然而，仍需要进一步的考虑和规划，以满足载重运输车辆通行的要求，确保水闸的正常运行和维护的顺利进行。4）水闸增设水平位移、水位、流量观测设施。5）发现大部分金属结构设备存在严重的锈蚀和磨损问题。闸门面板和主梁腹板都受到了严重的锈蚀侵蚀，出现了密集成片的锈坑。门槽的主轨和反轨也遭受了广泛的锈蚀和磨损。启闭机的零部件也受到了严重的锈蚀和磨损，机械和电器设备已无法满足现行规范的要求。基于以上情况，决定对水闸的金属结构和启闭设备进行全面更换，并按照现行规范重新设计。同时，还将引入自动化控制系统，以适应现代水利的需求。这一系列的更改和更新将有助于解决水闸金属结构和设备所存在的问题。通过对水闸金属结构的更换，包括闸门面板、主梁腹板和门槽主、反轨等部分的替换，可以消除锈蚀和磨损带来的安全隐患，并确保水闸的正常运行和可靠性。同时，启闭机的更换和升级将解决现有设备无法满足规范要求的问题。为了实现更高水平的管理和控制，引入自动化控制系统将为水闸提供远程监控、智能化操作和数据管理等功能。这样的系统将提高水闸的自动化水平，提升运行效率4。通过对马滩水闸的金属结构和启闭设备进行全面更换和升级，并引入自动化控制系统，可以解决现有锈蚀、磨损和设备不符合规范的问题，提升水闸的可靠性、安全性和运行效率。2.2下游冲坑加固方案根据测量的水下地形资料，泄洪闸 6 号 13号闸孔由于位于主河槽经常泄流，下游出现了最深达 3 m 左右的冲坑，虽然水闸闸基为花岗岩岩石地基、满足抗冲刷要求，但冲坑边已经到了水闸闸室结构下游边线位置，进一步扩大将危及水闸安全。本次加固方案考虑对冲坑进行回填，并对旧闸部分进行模袋混凝土护面，护面厚 0.5 m。3新建水闸设计方案为便于运行调度，并考虑新旧水闸养护维修方便和外部景观的统一，新建水闸结构与旧闸基本一致，根据 2011 年 6 月东莞市石马河流域综合整治规划总报告（报批稿）中马滩水闸上下游规划河底清淤高程（上游9.004 m，下游8.744 m）并结合旧水闸溢流堰出口高程（8.944 m），新建水闸闸底板面高程确定为 8.944 m，闸室净宽 6 m，闸墩厚 1.5 m，堰型选用平底宽顶堰。新增水闸单孔宽度维持与旧闸一致 6 m，经计算比选新增 4 孔、5 孔、6 孔方案，在考虑满足过流要求的情况下从节约投资出发，新建水闸总净宽 30 m。闸室采用分离式，分缝设在底板中部，共设分缝 3 条，分缝分块宽度 15 m。上部启闭机层采用仿古亭廊式开敞结构。这样水闸扩建后，基本维持旧闸原风貌，使水闸在发挥其功能同时，成为历史见证。马滩水闸扩建后，共 19 孔，单孔净宽 6 m，总净宽 114 m，闸顶高程 24.744 m，上设 2 m 宽人行桥，由于马滩水闸新闸扩建部分和旧闸采用同样建筑风格和结构，以下主要建筑物论证和计算统一描述5。65何鹤彬马滩水闸加固及水闸扩建设计方案研究4计算高程与净宽4.1堰型、堰顶高程及闸室底板高程根据马滩水闸原设计，堰面曲线见图 1。图 1旧闸堰面曲线图根据 SL 265-2016水闸设计规范的第 4.2.7条，需要考虑水下地形的改变。因此，在设计水闸时，应综合考虑以上因素，包括各点的位置和坐标，并根据具体情况进行合理的设计和决策。这些坐标点的位置和数值可以帮助进行水闸设计中的地形分析和调整，以确保设计的水闸能够满足预期的功能和要求6。4.2闸孔数及水闸总净宽马滩水闸由 14 个闸孔组成，在设计和校核工况时，新建水闸将沿用旧闸的闸孔宽度（6 m）。为了进行过流能力的计算，水闸的所有闸门将全部打开，并采用堰流公式计算水闸的过流能力。计算结果见表 2。表 2水闸过流能力计算结果表P位置闸底板高程H/m闸上水位/m闸下水位/m过流能力/（m3/s）流量/（cm3/s）2%旧闸 14 孔11.2440.1418.2718.131 7652 625新闸 5 孔8.9440.1418.2718.138600.5%旧闸 14 孔11.2440.1320.0019.872 344.83 425新闸 5 孔8.9440.1320.0019.871 080.6经计算，当水闸的闸孔数量大于等于 19 孔时，可以满足 SL 265-2016水闸设计规范中对过闸水位差的要求，要求的过闸水位差范围为0.10.3 m。为了解决这个问题，决定对水闸进行扩建，增加 6 个闸孔。然而，如果将水闸扩建到 20 孔，会导致右岸出现大量的挖掘工程和处理高边坡的问题。为了节约投资并考虑右岸的宽度限制，最终决定本次改扩建工程中水闸将扩建到 19 孔，每个孔的宽度为 6 m，总过流净宽度为 114 m。4.3闸顶高程该工程为 2 级大（2）型工程，根据水闸设计规范第 4.2.4 条的规定，水闸的级别为 2级。根据挡水和泄水两种情况，确定水闸的闸顶高程。1）在挡水情况下，闸顶高程应不低于水闸的正常蓄水位（或最高挡水位）加上波浪计算高度和相应的安全超高值之和。安全超高下限值在正常蓄水位时为 0.5 m，在最高挡水位时为 0.4 m。2）在泄水情况下，闸顶高程应不低于设计洪水位（或校核洪水位）加上相应的安全超高值之和。安全超高下限值在设计洪水位时为 1.0 m，校核洪水位时为 0.7 m。此外，闸顶上的交通桥梁底高程应高出最高洪水位 0.5 m。闸顶高程计算结果见表 3。可以得知，在泄水情况下，根据表中给出的数据，校核洪水位（P=0.5%）加上相应的安全超高值，最不利工况下的闸顶高程为 21.477 m。而旧闸的现有闸顶高程为 24.744 m，高于所需的闸顶高程 21.477 m。表 3水闸闸顶高程计算表 m参数挡水情况泄水情况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位闸前水位 Z16.24418.2720.0波浪高度 h0.2760.2760.177水闸安全超高下限值 A0.51.00.7交通桥的梁高0.60.60.6水闸闸顶高程17.6220.14621.4775结束语研究的成果为马滩水闸的加固和扩建提供了可行的设计方案，为水利工程的可持续发展和安全运行做出了积极贡献。然而，需要注意的是，具体实施过程中还需要考虑施工技术、成本效益以及环境保护等因素，进一步完善设计方案，并制定详细的实施计划。66云南水力发电2024 年第 3 期参考文献：1 邱乾勇，蔡慧娟，姜一楠.板桥河闸加固扩建工程技术难点及解决方案J.水利规划与设计，2017，（5）：146-149.2 俞宏.红崖山水库加高扩建工程泄洪闸地基地震液化处理措施 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