【正文】 詞： 水閘；改造設(shè)計(jì)；閘孔型式；防滲措施；穩(wěn)定性分析 ABSTRACT Sluice is a low head hydraulic structure, has the double functions of water, drain, is widely used in 2 hydraulic engineering. The main task of this design is the renovation design of old pump station west irrigation water outlet。 seepage control measures of geological data, choose the form and size of seepage control. The chamber floor, pier, gate and headstock gear form frame bridge machine, the size of each part are determined and draw the chamber structure drawings, indicate the size of each part and determine the Sluice Downstream wing wall structure form, size. According to the size of each part of elaboration, stability analysis and foundation chamber and wing wall stress checking calculation。 Retrofit Design。 Seepage control measures。寶坻區(qū)位于天津市北部，地處潮白河、薊運(yùn)河下游平原，處于北京、天津、唐山三市中心地帶。 西老口泵站是一座中型灌排兩用泵站，座落在青龍灣河左堤， 1966 年建站， 1989年更新改造。泵站排澇控制范圍為：引灤明渠以西，青龍灣河以北，大白渠以南，西老口排干以東，排澇總面積為 萬(wàn)畝，排澇標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇。 多年來(lái)西老口泵站在排澇、抗旱減災(zāi)等方面發(fā)揮了非常重要的作用，但泵站運(yùn)用至今已 40 多年，經(jīng)安全鑒定認(rèn)為，本站機(jī)電設(shè)備大部分屬落后淘汰產(chǎn)品且老化嚴(yán)重、效率降低；金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、變形嚴(yán)重，操作困難；水工建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，局部破損嚴(yán)重。根據(jù)天津市排澇總體規(guī)劃，對(duì)西老口泵站進(jìn)行更新改造。多年平均氣溫 ℃，極端最高氣溫℃，極端最低氣溫 ℃，一月平均氣溫 ℃，七月平均氣溫 26℃。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量614mm，其中夏 季 6~9 月為 510mm，占全年的 ％。多年平均水面蒸發(fā)量1785mm（φ 20 蒸發(fā)皿）。 3 工程區(qū)地下水均為第四系孔隙潛水，地下水動(dòng)態(tài)主要受區(qū)域地下水控制，并受河水及臨近地區(qū)地下水開(kāi)采程度影響。地下水 PH 值 ，地表水 PH 值，依據(jù)國(guó)標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》（ GB500212020,2020 年版） ～ 條款之規(guī)定，在長(zhǎng)期浸水及干濕交替條件下，本場(chǎng)地地下水、地表水對(duì)混凝土及混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具 微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。 工程區(qū)地勢(shì)基本平坦，施工條件較好，交通較為方便。 在基槽開(kāi)挖時(shí)，建議采用坑內(nèi)大口井井點(diǎn)降水及重力疏干淺部土層中的地下水，水位至少應(yīng)降至基礎(chǔ)底面以下 米，結(jié)合場(chǎng)地施工條件和地層巖性特征確定合理的施工方案，確保工程質(zhì)量和施工安全。 地震烈度 根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖 》 (GB183062020) 、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB500112020)，工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 ，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，屬抗震不利地段。在抗震設(shè)防烈度為 7 度時(shí)，擬建場(chǎng)地?zé)o地震可液化土層分布。 根據(jù)泵站安全鑒定的主要結(jié)論并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，灌溉出水閘存在的主要問(wèn)題為：①啟閉機(jī)板梁表面破損嚴(yán)重，出現(xiàn)多條裂縫，罩面砂漿大面積脫落；②護(hù)坡勾縫砂漿大片剝落，出現(xiàn)裂縫；③該建筑物總體上達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)狀態(tài)差，存在較大損壞。 西老口站排水區(qū)屬里自沽排水區(qū)的一部分，規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為 10 年一遇，本次更新改造工程仍維持其原設(shè)計(jì)規(guī)模，即設(shè)計(jì)排澇流量 。 主要材料 特性參數(shù) 4 混凝土的容重 24kN/m179。； 漿砌石容重 22kN/m179。； 鋼筋及鋼材容重 79kN/m179。 水閘總體布置 現(xiàn)狀灌溉出水閘為 2 孔涵洞式水閘，坐落于出水池左側(cè)與出水渠道相連，閘墩為漿砌石結(jié)構(gòu)，啟閉機(jī)板梁為混凝土結(jié)構(gòu)。通過(guò)箱涵與灌溉出水閘相接。涵閘上、下游水位差 。閘室設(shè)鑄鐵閘門(mén)，閘門(mén)啟閉設(shè)備采用手、電兩用螺桿啟閉機(jī)。 水力設(shè)計(jì) 水閘的水力設(shè) 計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括：閘孔總凈寬計(jì)算；消能防沖設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算；閘門(mén)控制運(yùn)用方式的擬定。其內(nèi)容應(yīng)包括：滲透壓力計(jì)算；抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算。 荷載計(jì)算及組合：作用在水閘上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載兩類(lèi)。 特殊荷載主要有下列各項(xiàng)：相應(yīng)于校核洪水位情況下水閘底板上的水重；相應(yīng)于校核洪水位情況下的靜水壓力；相應(yīng)于校核洪水位情況下的揚(yáng)壓力；相應(yīng)于校核洪水位情況下的浪壓力；地震荷載；其他出 現(xiàn)機(jī)會(huì)較少的荷載等。 岸墻、翼墻穩(wěn)定計(jì)算：取單位長(zhǎng)度或分段長(zhǎng)度的墻體作為計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算。 3 閘孔設(shè)計(jì) 上、下游水位的確定 根據(jù)任務(wù)書(shū)及水閘設(shè)計(jì)規(guī)范 SL2652020 的要求，灌溉出水涵閘設(shè)計(jì)流量為，上游出水池設(shè)計(jì)水位為 ，下游出水渠設(shè)計(jì)水位為 ，相應(yīng)上、下游水位差為 ，閘室底高程為 。寬頂堰流量系數(shù)雖然較小，但構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便。在軟弱地基上切上部荷載較大時(shí)，可采用寬頂堰箱式平底板結(jié)構(gòu)型式。設(shè)計(jì)該灌溉出水閘時(shí)，考慮其實(shí)際情況，采用寬頂堰。過(guò)閘單寬流量應(yīng)根據(jù)下游河床地 質(zhì)條件、上下游水位差、閘室總寬度、閘的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)等因素選定。 閘孔寬度的確定 閘孔尺寸的設(shè)計(jì)用以滿足進(jìn)流、排水或控制水位的要求，是主要的水力計(jì)算。 判別出流方式 閘孔出流與堰流這兩種水流現(xiàn)象，主要是從過(guò)閘水面是否受閘門(mén)或胸墻的影響來(lái)區(qū)分。這兩種流態(tài)相互過(guò)渡的條件，除和閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度 eH （ e 為 閘 門(mén) 開(kāi) 度 ， H 為 閘 前 水 位）有關(guān)外，還和底 6 坎形式、上游來(lái)水形式有關(guān)。當(dāng)閘底坎為曲線形堰時(shí)， eH ≤ 時(shí)，為閘孔出流； eH ＞ 時(shí)，為堰流。 上游水深 H=,閘底坎為平底堰， e/ H=1/,即出流方式為閘孔出流。此時(shí)，過(guò)閘水流為孔流形態(tài)，其過(guò)閘能力按下式計(jì)算： 02sQ be gH??? （ 2） 式中： e—— 孔口高度， m； μ—— 閘孔出流的流量系數(shù)； s? —— 淹沒(méi)系數(shù)； b—— 閘孔總凈寬， m； H0—— 計(jì)入行近流速水頭的堰上水深， m； Q—— 出流流量， m3/s。 4 閘室整體布置 閘室結(jié)構(gòu)布置包括底板、閘墩、閘門(mén)、 剛架和機(jī)架橋等分部結(jié)構(gòu)的布置和尺寸的初步擬定。水閘由上游連接段、閘室、下游連接段三部分組成。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范 SL2652020 的要求，水閘的底板結(jié)構(gòu)形式根據(jù)地基、泄流條件等，可選用平底板、低堰底板或折線型底板。 底板長(zhǎng)度的確定 7 閘室底板長(zhǎng)度 。 底板厚度的確定 閘室底板的厚度 ，齒墻深擬采用 。閘室底板具體尺寸見(jiàn)圖 1。墩長(zhǎng)須滿足布置機(jī)架橋的需要，閘墩厚度應(yīng)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定的要求。 由于本設(shè)計(jì)的水閘為小型水閘，故可利用胸墻擋水，胸墻頂高程按照公式（ 3）計(jì)算，最終墩高采用 ，墩頂高程 。 墩長(zhǎng)：墩長(zhǎng) ，墩后與鋼筋混凝土箱涵連接。 合計(jì) ，與底板順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度相同，滿 足規(guī)范要求。 圖 1 底板尺寸圖 8 閘門(mén)結(jié)構(gòu)尺寸及啟閉機(jī)的選擇 工作閘門(mén)選用 鑄鐵閘門(mén)，置于下游處距閘底板前趾 處。 閉門(mén)力 wF 的計(jì)算： ()w T z d z s G tF n T T n G P? ? ? ? （ 4） 持住力 TF 的計(jì)算： 39。()Q T z d z s x G j sF n T T P n G G W? ? ? ? ? ? （ 6） 式中： Tn —— 摩阻力的安全系數(shù)，一般取 ； Gn —— 計(jì)算閉門(mén)力用的閘門(mén)自重修正系數(shù)，可采用 ~； 39。 經(jīng)計(jì)算，得出啟門(mén)力為 120kN，選用 手電兩用 螺桿啟閉機(jī)兩臺(tái)。 閘室胸墻結(jié)構(gòu)可根據(jù)閘孔孔徑大小和泄水要求選用板式或板梁式。該閘閘門(mén)孔徑為 ，采用板式胸墻。為便于檢修和安裝閘門(mén)，機(jī)架橋采用鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)、整體式布置型式。 = +h + h??閘 門(mén)機(jī) 架 橋 底 高 程 墩 頂 式中：▽墩頂 —— 閘墩頂高程為 ； h閘門(mén) —— 閘門(mén)高度為 ； h? —— 安全超高，取 1m； 經(jīng)計(jì)算，機(jī)架橋底高程為 。本設(shè)計(jì)墩頂高程為 ，計(jì)算的機(jī)架橋底高程為 ，須 設(shè)排架。 剛架由立柱和橫梁組成。 剛架的尺寸見(jiàn)圖 4。 圖 5 機(jī)架橋截面尺寸 上、下游兩岸連接段結(jié)構(gòu)尺寸確定 上游段與涵洞相連接，下游翼墻采用八字形重力式翼墻，使水流平穩(wěn)而均勻地進(jìn)出閘孔。其順?biāo)髁飨虻耐队伴L(zhǎng)度應(yīng)大于或等于鋪蓋長(zhǎng)度。漿砌石護(hù)底厚 ，下設(shè) 厚碎石墊層和土工布（ 300g/m2）。 擋土墻斷面尺寸如圖 6 所示： 圖 4 剛架尺寸圖 11 5 防滲排水設(shè)計(jì)及閘基滲流計(jì)算 防滲設(shè)施的設(shè)計(jì) 鋪蓋主要用來(lái)延長(zhǎng)滲徑，應(yīng)具有相對(duì)的不透水性；為適應(yīng)地基變形，也要有一定的柔性。本設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土鋪蓋，厚 ，在與底板連接處加厚至 ，并用沉降縫分開(kāi)，縫中設(shè)止水。止水設(shè)備選用紫銅止水片，厚度為 2mm。 鋪蓋的具體尺寸如圖 7。 滲流計(jì)算方法采 用直線比例法，即 圖 6 擋土墻斷面尺寸 圖 7 鋪蓋斷面尺寸 12 x HLxh ?? （ 8） 其中： L—— 地下輪廓線長(zhǎng)度，包括全部水平與垂直滲徑長(zhǎng)度； H? —— 水閘承受的最大水位差。 6 穩(wěn)定分析 水閘竣工時(shí)，地基所受的壓力最大，沉降也較大。當(dāng)?shù)鼗惺芎奢d過(guò)大，超過(guò)其容許承載力時(shí)，將使地基整體發(fā) 生破壞。因此，必須分別驗(yàn)算水閘在剛建成、運(yùn)行、檢修以及施工期等不同工作情況下的穩(wěn)定性。 閘室穩(wěn)定分析 針對(duì)本設(shè)計(jì)的情況，選取整個(gè)閘室作為驗(yàn)算單元。 驗(yàn)算閘室基底壓力 當(dāng)結(jié)構(gòu)布置及受力情況對(duì)稱(chēng)時(shí)，按下式計(jì)算： maxmin WMA AB? ???? （ 9） 式中： maxmin? —— 地基應(yīng)力的最大值和最小值， 2/kNm ； W? —— 鉛直荷載的總和， kN； A—— 底板底面的面積， m? ； M? —— 作用在閘室的全部荷載對(duì)基底面垂直水流流向形心軸的力矩，kNm? ； B—— 閘室底板的長(zhǎng)度， m 。 壓力分布不均勻系數(shù)要求 ? ?maxmin?????? （ 10） 式中： ?—— 壓力分布不均勻系數(shù)； 13 ??? —— 允許的壓力分布不均勻系數(shù)。 驗(yàn)算閘室的抗滑穩(wěn)定 土基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應(yīng)按公式 11 或公式 12 計(jì)算： c fWK P?? ? （ 11） 00tanc W c AK P? ??? ? （ 12） 式中： Kc—— 沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f—— 閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，可按規(guī)范規(guī)定采用； ∑ P—— 作用在閘室上的全部水平荷載的總和 (kN)； 0? —— 閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角，度； c0 —— 閘室基底面與土質(zhì)地基之間的粘結(jié)力， kPa。用正常運(yùn)行期計(jì)算抗滑穩(wěn)定 Kc=，滿足抗滑穩(wěn)定安全要求。 2，適用于地震情況。針對(duì)擋土墻可 能出現(xiàn)的破壞形式，穩(wěn)定性計(jì)算一般包括下列幾個(gè)方面：抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算、抗滑穩(wěn)定性計(jì)算、地基承載力驗(yàn)算、地基深層滑動(dòng)穩(wěn)定性的驗(yàn)算。 穩(wěn)定計(jì)算的方法為：根據(jù)閘室的布置圖及選用的各種不同計(jì)算情況，分別計(jì)算荷載代入相應(yīng)的計(jì)算公式，各種有關(guān)數(shù)據(jù)可在任務(wù)書(shū)中查找，對(duì)相應(yīng)計(jì)算結(jié)果均應(yīng)滿足規(guī)定要求。 要求 ? ???? ， ??? 為容許的地基應(yīng)力，根據(jù)資料 ??? =110kPa。 抗滑穩(wěn)定計(jì)算 擋土墻的抗滑穩(wěn)定計(jì)算與閘室的抗滑穩(wěn)定計(jì)算基本相同，本設(shè)計(jì)采用公式（ 12），地基土質(zhì)的基本數(shù)據(jù)同閘室抗滑穩(wěn)定。 抗傾穩(wěn)定計(jì)算 抗傾穩(wěn)定性按下式計(jì)算：（假定墻趾處為 b 點(diǎn)） 1 2 239。bM? —— 傾覆力矩之和，這里指對(duì) b 點(diǎn)的傾覆力矩的代數(shù)和， kNm? ； G—— 墻體自重， kN ； YE —— 主動(dòng)土壓力垂直分力， kN ； XE —— 主動(dòng)土