5 三义寨引黄闸改建工程布置及建筑物设计

5.1 设计依据

5.1.1 工程等别及建筑物级别

三义寨引黄闸改建工程为引黄灌溉工程，根据工程建设任务，水闸设计引水流量为141m³/s。根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）的规定，三义寨引黄闸改建工程为中型三等工程。由于工程位于黄河下游防洪大堤上，根据相关规范及《黄河下游引黄涵闸、虹吸工程设计标准的几项规定》〔黄工字（1980）第5号文颁发〕，将主要建筑物级别提高到防洪大堤级别，最终确定主要建筑物级别为1级。

5.1.2 主要技术规范及标准

（1）《水闸设计规范》（SL 265—2001）。

（2）《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）。

（3）《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077—1997）。

（4）《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203—97）。

（5）《水工混凝土结构设计规范》（SL/T 191—96）。

（6）《水电水利工程设计工程量计算规定》（SL 328—2005）。

（7）《水闸工程管理设计规范》（SL 170—96）。

（8）《灌溉与排水工程设计规范》（GB/T 50288—99）。

（9）《公路桥梁设计通用规范》（JJJD 20—2004）。

（10）《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）。

（11）《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）。

（12）《堤防工程设计规范》（GB 50286—98）。

（13）《堤防工程施工规范》（SL 260—98）。

（14）《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T 225—98）。

（15）《黄河下游引黄涵闸、虹吸工程设计标准的几项规定》（黄工字〔1980〕第5号文）。

5.1.3 洪水标准

根据《黄河下游引黄涵闸、虹吸工程设计标准的几项规定》（黄工字〔1980〕第5号文颁发），工程以防御花园口站22000m³/s的洪水为设计防洪标准。

三义寨引黄闸位于黄河大堤右岸上段桩号130+000处，其设计防洪水位为76.70m，校核防洪水位为77.70m。

5.1.4 设计基本资料

（1）流量及特征水位。

设计引水流量：141m³/s。

设计引水水位：69.96m（大河水位、黄海高程，下同）。

最高运用水位：75.09m。

设计防洪水位：76.70m。

校核防洪水位：77.70m。

（2）水文气象。闸址区多年平均气温为14℃，最大风速为15m/s。

（3）地震烈度。根据地质勘察报告，三义寨引黄闸闸址区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。

（4）主要建筑物材料特性及设计参数。根据地质报告，场区地下水对混凝土结构无腐蚀性，水闸等主体混凝土材料采用普通硅酸盐水泥。闸室段混凝土强度等级C30，上下游翼墙、边墩侧空箱挡墙、铺盖、消力池混凝土强度等级C25，无砂混凝土排水体C15，素混凝土垫层C10。交通桥、工作桥、排架混凝土无抗渗要求，其余部位混凝土抗渗标号为W6；混凝土抗冻标号均为F100。素混凝土垫层采用1级配，其余部位混凝土均采用2级配。素混凝土重度为24kN/m³，钢筋混凝土重度为25kN/m³。

（5）其他设计标准。

闸顶交通桥汽车荷载标准：公路-Ⅱ级。

两岸连接堤防：顶宽12m，路面结构参照国家三级公路标准设计。

闸室基底应力最大值与最小值之比允许值见表5.1-1，闸室基底面抗滑稳定安全系数允许值见表5.1-2。

5.2 工程总体布置

2004年1月在开封市召开了河南开封三义寨引黄闸工程安全鉴定会。与会专家听取了开封市河务局、黄委会基本建设工程质量检测中心、河南黄河勘测设计研究院的汇报，对各单位提供的有关报告文件，依据《水闸安全鉴定规定》（SL 214—98）以及《黄河下游水闸安全鉴定规定》（黄建管〔2002〕9号）逐一进行了审查，一致认为鉴定成果真实可靠，深度基本满足规范要求。与会专家根据河南开封三义寨引黄闸工程现状调查分析、现状检测成果分析及复核稳定计算成果分析，认为该闸运用指标无法达到设计标准，存在严重的安全问题，不能满足正常使用要求，评定为四类闸。应该拆除重建。

5.2.1 闸址比选

闸址选择主要考虑以下几个因素。

（1）本工程属于水闸新建工程，闸址的选择首先要考虑与原分水闸及渠系建筑物的连接问题，新闸址距离老闸址越近则连接越顺，费用越少。

（2）应结合地形条件，使枢纽布置轴线长度尽可能小，工程量尽可能小。

（3）充分考虑与原引渠顺直衔接，引水可靠，放淤顺畅等原则。

5.2.1.1 方案布置

根据现场地形，黄河南岸大堤在桩号130+000处向大河侧弯进，形成2～3km的弯道，不利于黄河大堤的防洪抢险。本次设计初步选定以下4个闸址进行比选。

方案一：原闸拆除重建方案。

方案二：在老闸和三分闸间建新闸方案。

方案三：在三分闸后建新闸（两座闸）方案，小裁弯。

方案四：在三分闸后建新闸（两座闸）方案，大裁弯。

（1）方案一工程总体布置。

方案一工程布置包括：老闸全部拆除、重建引水闸、上游引渠清淤、左右岸连接堤段、人民跃进渠护砌、放淤固堤等。

老闸全部拆除后，新建闸在老闸位居中布置，闸室横向与上游引渠水流方向垂直，闸室分三联对称布孔，中孔单孔一联，边孔2孔一联，闸体上游连接段与引渠连接，下游末段与人民跃进渠护砌段连接。水闸总长135m，闸底板高程结合老闸及上下游渠道选定为67.56m，闸顶与大堤平齐。

上游引渠清淤长200m，清淤至底高程68.65～67.56m，清淤宽度28m左右，清淤沿引渠主槽方向进行，保持与下游人民跃进渠设计过流断面一致。

左岸连接堤段长55m，右岸连接堤段35m，维持原堤顶高程不变，和老堤平顺衔接。人民跃进渠上游段约200m渠道按现有标准护砌。

放淤固堤段长2830m，淤区结合堤防特点分淤临或淤背两种，淤区布置随堤线走势，平顺自然。

（2）方案二工程总体布置。方案二工程内容与方案一基本相同。新建闸位于人民跃进渠上，距老闸400m，新筑大堤与跃进渠垂直，长286m，两侧与老大堤平顺连接。新建闸在跃进渠道居中布置，闸室横向与引渠水流方向垂直，闸室分3联对称布孔，中孔单孔1联，边孔2孔1联，闸体上、下游连接段与跃进渠护砌段连接。闸底板高程67.56m，闸顶与大堤平齐。

根据需要老闸仅拆除上部结构、中墩及闸门部分。上游引渠清淤长200m，清淤至底高程68.65～67.56m，清淤宽度28m左右，清淤沿引渠主槽方向进行，保持与下游人民跃进渠过流断面一致。

人民跃进渠护砌和放淤固堤同方案一不变。

（3）方案三工程总体布置。方案三内容包括引渠清淤、跃进渠护砌、原三义寨引黄闸部分拆除、三分闸部分拆除、新筑堤防、改建引水闸、淤堤加固等。

引渠清淤、跃进渠护砌同方案一，原三义寨引黄闸、三分闸拆除闸室上部结构、闸门及阻水中墩部分。

方案三堤线位置在三分闸下三义寨村庄之间，将弯进防洪大堤裁弯缩短，大堤布置尽量与水流方向平顺，同时考虑与兰杞干渠、商丘干渠、兰考干渠正交，新布堤线距三分闸500m左右，堤线长1190m。

兰杞闸位距三分闸613m，3孔，单孔净宽4.5m，闸体总长135m，上、下游浆砌石护砌面与干渠两岸连接，两侧通过空箱式挡土墙与堤防连接。兰考、商丘闸距三分闸490m，两闸合并布置，边墩间设沉降缝，上下游通过浆砌石扭面分别与已护砌渠道衔接，闸体总长135m，两闸均为3孔，商丘闸单孔净宽5m，兰考闸单孔净宽4m，两侧通过空箱式挡土墙与新筑堤防连接。

放淤固堤段长1880m，淤区结合堤防两侧特点，均为淤背布置，淤区布置随堤线走势。

（4）方案四工程总体布置。方案四将弯进大堤完全取直，恢复三义寨引黄闸修建前老大堤。大堤穿三义寨村庄，与兰杞干渠、商丘干渠、兰考干渠正交。新筑大堤长1330m，淤背固堤长1330m。两闸顺水流方向布置，闸室规模、长度与方案三相同，其余工程布置均与方案三基相同。

5.2.1.2 方案布置比较

闸址比选因素有总投资、对黄河行洪的影响、移民迁占难度、引水条件、管理及堤防加固等，主要因素是行洪和经济。从投资来看，方案一的主体建筑工程投资4192.93万元，移民迁占投资2972.68万元。方案二的主体工程投资5315.27万元，移民迁占投资3640.45万元。方案三的主体工程投资4787.16万元，移民迁占投资4239.24万元。方案四的主体工程投资4759.93万元，移民迁占投资5716.09万元。从投资上看，方案一的投资最小，其次为方案二、方案三和方案四。从是否有利黄河行洪的角度来看，方案四对黄河行洪的影响最小，其次为方案三、方案二和方案一。

从上面的分析可看出，方案一的投资比方案二少，但方案一原址拆除重建，该处黄河大堤深入河滩约1.9km，因此对黄河行洪的影响相对方案二大；同时，三义寨引黄闸自10月到第二年5月为施工期，该段时间内月最大平均流量为17.75m³/s，平均引水量8750万m³，如采用方案一，则影响到正常的取水对该区影响很大，所以初步可以排除方案一。方案四相对投资最大，可以排除。综合比较方案二、方案三，从投资因素分析，方案三相对节省，但是方案三将拆除三分闸，现有三分闸有管理机构，地方上关系协调阻力大，人员安置困难，水闸建成后后期管理遗留问题难以解决，综合考虑各种因素，方案二相对占优。

各闸址优缺点的比较见表5.2-1。

经综合比选，方案二能够满足原三义寨引黄闸的功能，投资经济合理，引水条件好，受外界因素干扰小，因此确定选用方案二。

该方案闸址位于三分闸以上150m处，如闸向上游移动，将增大放淤工程量，水闸进口水流条件变差；如闸向下游移动，将减少放淤工程量，水闸与三分闸过近，影响水闸出口水流条件，确定闸址位于三分闸以上150m位置经济合理。

5.2.2 工程总体布置

根据最终选定的方案及闸位，三义寨水闸改建工程包括老闸拆除、引渠疏浚、新建水闸以及与两岸连接堤防建设。

老闸上游引渠长约200m，老闸与新建水闸间未护砌渠道长约150m、人民跃进渠长约250m，由于长年淤积渠底高程不能满足设计引水要求，本次设计对新建水闸上游引渠进行清淤疏浚。

新建水闸位于老闸下游400m处，水闸海漫末端距三分闸约160m。由闸室段、上游连接段及下游消能防冲段组成。

新建水闸两侧修建长294.7m的堤防与原大堤连接。

5.3 主要建筑物设计

5.3.1 闸型选择

5.3.1.1 闸底高程确定

大河设计引水位（大河水位）69.96m，大河最低引水位（大河水位）69.56m。考虑老闸前200m引渠水头损失0.02m，老闸过闸水头损失0.10m，老闸与新闸400m渠道水头损失0.11m，从黄河至新建三义寨引黄闸前总水头损失为0.23m，新建三义寨水闸闸前设计引水位为69.73m，闸前最低引水位为69.33m。

水闸底板高程的确定应结合引水水位、引水量的要求，同时满足闸上游引渠和下游渠道的连接要求，还应结合闸门型式、闸孔尺寸的选择，并考虑泥沙影响和运用条件等因素综合确定。采用较低的底板高程，有利于加大过闸水深和过闸单宽流量、减小闸孔宽度，但过低则会增加水闸的工程量，并增加施工难度；而采用较高的底板高程则会加大闸孔尺寸，同时在2014年小浪底水库拦沙库容淤满前黄河水位继续下降，难以引出足够的水量，达不到工程预期的设计引水规模。

综合考虑以上因素，并考虑与老闸底板高程、人民跃进渠渠道高程衔接，确定水闸底板高程67.56m。

5.3.1.2 闸型选择

水闸底板高程67.56m，大河设计引水水位69.96m（以下简称大河水位），设计防洪水位76.70m，校核防洪水位77.70m。闸槛高程较低，挡水高度较大，最大达10.14m。根据《水闸设计规范》（SL265-2001），闸室结构选用以下两个方案进行比选。

胸墙式方案：根据水力设计及结构计算，水闸孔数为5孔，单孔净宽5.8m，总净宽29m。工作闸门采潜孔式弧形钢闸门，采用液压式启闭机操作。5孔共设一扇检修闸门，采用单轨移动式启闭机操作。水闸由上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段、海漫段及防冲槽段6部分组成，总长135.3m。闸室设缝墩，分为两个2孔联、一个1孔联共3联，闸室底板厚1.8m、边墩厚1.5m、中墩厚1.3m、缝墩厚均为1.0m，边墩两侧设挡墙。地基采用水泥土搅拌桩处理。

涵洞式方案：根据水力设计及结构计算，水闸孔数为7孔，单孔净宽4.2m，总净宽29.4m。工作闸门采潜孔式平面钢闸门，滚动支撑，上游止水，采用固定卷扬式启闭机操作。7孔共设两扇检修闸门，采用单轨移动式启闭机操作。水闸由上游连接段、铺盖段、闸室段、涵洞段、消力池段、海漫段及防冲槽段7部分组成，总长204.3m。闸室设缝墩，分为3联，边联为2孔1联，中联为3孔1联。闸室底板厚2.0m，边墩为变截面厚1.2～2.4m，中墩厚1.2m，缝墩厚1.0m；涵洞底板厚0.95m、顶板厚1.05m，边墙、中隔墙厚0.8m。地基采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）处理。

两个闸型方案主要工程量汇总见表5.3-1。

由表5.3-1可知，胸墙式方案工程量略小于涵洞式方案，主体建筑工程投资：涵洞式5315.27万元，胸墙式4800.97万元，胸墙式方案较涵洞式方案节省投资514.3万元。

水闸坐落在人民跃进渠上，渠道底宽28.4m，胸墙式方案闸室段宽35.60m，涵洞式方案闸室段宽38.2m，河道底宽为28.4m，胸墙式方案水流流态较好。工程为引黄灌溉工程，根据水闸过流能力及运行方式分析，当黄河水位较高时水闸长期处于局部开启状态，根据工程布置，胸墙式方案采用弧门，涵洞式方案采用平板门，胸墙式方案更利于水闸运行控制。胸墙式方案闸室两侧填土较高，边墩两侧需设挡墙，基底应力较大，基础处理较难；涵洞式方案闸室两侧填土较低，可直接利用边墩挡土，基底应力较小，基础处理较易，闸型方案比选见表5.3-2。

虽然涵洞式方案投资较大，但从黄河防洪、水闸管理和水闸运用方式等综合考虑本次设计推荐采用涵洞式方案。

5.3.2 工程布置

5.3.2.1 闸室布置

（1）闸孔数量及闸室尺寸。闸孔数量主要根据工程引水指标和运行情况确定。根据水力计算：水闸闸孔数为7孔，单孔净宽4.2m，总净宽29.4m。闸室长度根据稳定和应力计算成果，确定为12.0m。闸孔上部为胸墙，胸墙顶与闸墩顶齐平。底板厚2.0m、边墩厚1.2～1.4m、中墩厚1.2m、缝墩厚1.0m。闸后设80m长涵洞。

（2）闸顶高程。根据特征水位，工程水闸闸顶高程应根据挡水情况确定。挡水时，闸顶高程不应低于最高挡水位（77.70m）加波浪计算高度与相应安全超高值之和。按照《水闸设计规范》（SL 265—2001）进行波浪爬高计算。同时，闸顶高程应考虑两侧黄河大堤堤顶高程。两侧黄河大堤堤顶高程最大高程78.56m。经计算比较，本次设计闸墩顶高程为76.76m，闸室启闭机平台高程取82.76m。

5.3.2.2 两岸连接布置

水闸上游翼墙顶高程77.43～72.63m，上游翼墙渐变段后接圆弧段与上游渠道连接；水闸下游翼墙顶高程73.91m，下游翼墙直段后接圆弧段与下游铺盖连接；水闸两侧与两侧新建堤防连接。

5.3.2.3 闸后涵洞布置

水闸闸室接引水涵洞，涵洞共设8节，每节长10m，总长80m。涵洞底板顶高程67.56～67.40m，边墙及中隔墙军均厚0.8m，底板厚0.95m，顶板厚1.05m，涵洞设有7孔，单孔净高4.87m，单孔净宽4.2m。两边联为两孔联，中联为3孔联。

5.3.2.4 防渗排水布置

水闸防渗排水布置应根据闸基地质条件和水闸上、下游水位差等因素，结合闸室、消能防冲和两岸连接布置进行综合分析确定。

（1）防渗布置。水闸底板坐落在第③-SL砂壤土层上，渗透系数k=6.54×10^-6cm/s，为微透水土层。根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）中的渗径系数法，闸基防渗轮廓线长度（防渗部分水平段和垂直段长度总和）等于上下游水位差与渗径系数的乘积，即L=cΔH，砂壤土类地基的允许渗径系数c值取9～5。闸上、下游水位差ΔH如表5.3-3。

闸室段前设计有混凝土防渗铺盖，闸室前齿下设有垂直防渗体，从铺盖前端至海漫，使地下轮廓线防渗段长度大于需要值，闸基防渗布置见表5.3-4。

同时，为了防止水闸侧向绕渗引起的渗透破坏，水闸闸前混凝土铺盖与上游翼墙设水平止水，上游翼墙与闸室边墩设竖直止水带。闸室两侧新建连接堤防迎水面设复合土工膜防渗体。三义寨引黄闸防渗布置为水平防渗和垂直防渗，渗径总长为水平、垂直防渗长度的总和，其中，水平防渗长度134m，计算防渗长度102.15m，故防渗布置满足要求。

（2）排水布置。为了增加底板的抗浮稳定性，浆砌石海漫段设置无砂混凝土排水体竖向排水。排水体梅花形布置，间距2.5m，底部平铺两层无纺土工布。

5.3.2.5 消能防冲布置

消能防冲设施由消力池、海漫组成，海漫末端设置防冲槽。消力池采用钢筋混凝土结构，海漫由浆砌石海漫和干砌石海漫组成。消能防冲各部位尺寸根据水力计算确定，消能防冲布置见表5.3-5。

5.3.3 水力设计

5.3.3.1 闸室总净宽计算

根据《黄河下游引黄涵闸、虹吸工程设计标准的几项规定》〔黄工字（1980）第5号文〕，本次水闸设计引水水头差采用0.3m以节约工程投资，据此确定水闸闸室总净宽。闸前引渠水位为设计引水位69.73m时，下游水位为69.43m，上游水深H=2.17m，下游水深h_s=1.87m，胸墙底至闸底板高度为3.87m，下游涵洞净空高度为2m，净空面积占涵洞总面积51.68%，闸室出流为无压出流，闸门开启高度e与上游水深H比值为1.78，即=1.60&gt；0.65，且=1.87/（2.17+0.25）=0.77&lt；0.90，判断闸室出流为堰流。根据以上分析及水闸设计规范，涵洞式水闸方案闸室总净宽计算采用宽顶堰流公式：

式中 B₀——闸孔总净宽，m；

Q——过闸流量，m³/s；

H₀——计入行近流速水头的堰上水深，m；

g——重力加速度，可采用9.81，m/s²；

m——堰流流量系数，采用0.385；

ε——堰流侧收缩系数；

σ——堰流淹没系数。

水闸总净宽计算成果见表5.3-6。

涵洞段设计底坡分析，设计底坡i=1/500，当水闸过流流量达到设计流量141m³/s时，依据水力学计算公式：

式中 n——糙率系数，取n=0.014；

R——水力半径；

C_c——谢才系数；

g——重力加速度，可采用9.81，m/s²；

i_c——临界坡度。

计算得临界底坡i_c=1/632，设计底坡大于临界底坡，水闸出口涵洞段底坡为陡坡，涵洞段不影响水闸泄流能力。

当上游水位达到最高引水水位75.09m时，初定闸门开启高度e=0.5m时，=0.207&lt；0.65，水闸水流为闸孔出流，根据闸孔出流计算公式，计算闸门开启高度e=0.5m时，水闸过流流量为144.86m³/s，满足设计引水流量。

5.3.3.2 过流能力计算

水闸下游现有渠道人民跃进渠，设计渠底高程67.56m，渠宽28.4m，两侧边坡均为1：3，纵坡1/4500。考虑其过流能力对水闸过流的影响，经计算，设计引水水位69.96m（大河水位，黄海高程）下，水闸实际引水流量为77.98m³/s，此时渠道过流与水闸引水达到平衡。

小浪底水库拦沙库容淤满前，下游河道将继续发生冲刷，黄河水位继续下降，到2020年前后河槽下切可达到最大值。经计算，2020年夹河滩流量为500m³/s时，闸前黄河水位为69.56m，闸前最低引水位69.33m。当水闸上、下游水头差为0.3m时，水闸过流为54.21m³/s，基本满足下游抗旱灌溉和生活用水需求；考虑人民跃进渠过流能力影响，水闸实际引水流量为24.71m³/s。因此，建议在此期间改建人民跃进渠，提高其过流能力。水闸过流能力计算成果见表5.3-7。

5.3.3.3 消能防冲计算

消能防冲采用《水闸设计规范》（SL 265—2001）附录B中方法进行计算，消能方式采用底流消能，取各种水位运行条件下最不利的计算成果并结合工程实际经验确定消能防冲设施各部位尺寸。

计算结果表明，当闸前为最高引水水位76.30m、水闸局部开启时，控制消能防冲设施的尺寸。计算工况选取见表5.3-8，计算成果见表5.3-9。

比较表5.3-8和表5.3-9，消能防冲设施布置尺寸满足设计要求。

5.3.4 渗流稳定计算

根据地质报告及地质剖面图，水闸底板及消力池坐落在第③层砂壤土层上、消力池出口坐落在第③-Sx细砂层上。水闸闸基渗流稳定采用《水闸设计规范》（SL 265—2001）附录C中改进阻力系数法进行计算。

该次设计水闸为1级水工建筑物，水闸防洪标准同下游黄河大堤，下游黄河大堤防洪标准为抵御花园口22000m³/s流量。据此，水闸渗流稳定需满足抵御花园口22000m³/s流量。计算工况及水位组合见表5.3-10，计算成果见表5.3-11。

由表5.3-11可知，水闸渗流坡降计算值小于闸基土允许渗流坡降值，闸基防渗布置满足设计要求。

5.3.5 结构设计

水闸结构设计包括闸室稳定计算、岸墙、翼墙稳定计算、结构应力分析等。

5.3.5.1 闸室稳定计算

根据闸址处工程地质条件及水闸基底面高程，闸室稳定计算参数见表5.3-12。

根据闸室布置情况，分别取2孔联、3孔联整体闸室作为计算单元进行抗滑稳定计算。

（1）计算工况及荷载组合。根据水闸运用方式，选取水位最不利组合进行闸室稳定计算，工况选取及水位组合如下：

工况1：正常引水情况，上游设计引水水位69.73m、下游渠道设计水位69.66m。

工况2：设计洪水位情况，上游设计防洪水位76.70m、下游无水。

工况3：完建情况，上游无水、下游无水。

工况4：地震情况，正常引水情况+地震。

工况5：校核洪水位情况：上游校核防洪水位77.70m、下游无水。

荷载组合见表5.3-13。

（2）荷载计算

1）闸室自重：闸室自重包括闸体结构自重、永久设备自重以及闸体范围内的水重。

2）静水压力：按相应计算工况下的浑水容重及上下游水位计算。浑水容重采用12.50kN/m³。

3）扬压力：扬压力为浮托力及渗透压力之和，根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）附录C.2改进阻力系数法计算各工况渗透压力。地下水容重取10.00kN/m³。

4）浪压力：根据水闸规范，设计取风区长取5倍闸前水面宽，取200m，设计风速为15m/s。浪压力根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）附录E公式进行计算。

5）地震力：地震动峰值加速度0.10g，地震基本烈度为7度。采用拟静力法计算地震作用效应。

水平向地震惯性力：沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值按《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203—97）中公式（4.5.9）计算。其中水平向设计地震加速度代表值取0.10g，地震作用的效应折减系数取0.25。

地震动水压力：单位宽度的总地震动水压力作用在水面以下0.54H₀处，计算时分别考虑闸室上下游地震动水压力，其代表值F₀按SL 203—97中公式（6.1.9-2）计算。

地震主动动土压力代表值F_E按下式计算：

式中 F_E——地震主动动土压力代表值；

q₀——土表面单位长度的荷载；

φ₁——挡土墙面与垂直面夹角；

φ₂——土表面与水平面夹角；

H——土的高度；

γ——土重度的标准值；

ξ——计算系数。

6）淤沙压力。

水平淤沙压力：根据《水工建筑物荷载设计规范》（DL 5077—1997），作用在水闸等挡水建筑物单位长度上的水平淤沙压力标准值按下式计算：

式中 P_sk——淤沙压力标准值，kN/m；

γ_sb——淤沙的浮容重，计算取为8.4，kN/m³；

h_s——挡水建筑物前泥沙淤积厚度，m（设计引水情况下可不计）；

φ_s——淤沙的内摩擦角，计算取为10，（°）。

竖向淤沙压力：计算作用在闸室上的淤沙重量。

（3）闸室稳定计算。闸室抗滑稳定安全系数见表5.1-2。在各种计算情况下，闸室平均基底应力不应大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍，最大值与最小值之比的允许值见表5.1-1。闸室稳定计算成果见表5.3-14和表5.3-15。

由表5.3-14和表5.3-15可知，闸室平均基底应力大于地基允许承载力，地基需进行加固处理。

5.3.5.2 上、下游翼墙稳定计算

根据水闸布置，上游翼墙挡土高度为6.07～9.87m、下游翼墙挡土高度为9.51m。由于挡土高度较高，上下游挡墙采用悬臂式挡墙。

挡墙稳定计算采用极限平衡法，包括挡墙外部稳定性验算及筋材内部稳定验算。挡墙外部稳定计算采用重力式挡墙的稳定验算方法验算墙体的抗水平滑动、抗深层滑动稳定性和地基承载力。墙背土压力按库仑土压力理论计算。加筋土内部稳定性验算包括筋材强度验算和抗拔稳定性验算，采用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T 225—98）附录K中式（K.3.1-1）、式（K.3.2）进行验算。

（1）上游翼墙稳定计算。上游翼墙采用悬臂式挡墙，墙后采用加筋土回填。墙厚0.5～1.5m、高6.07～9.87m，底板厚1.0m、宽7.0～10.9m。

选取最大挡土断面进行外部稳定验算。主要荷载包括土重、侧向土压力、水平水压力、水重、扬压力、结构自重等，侧向土压力按主动土压力计算。计算工况选取不利水位组合，工况选取如下。

工况1：正常运行情况，墙前水闸设计引水水位、墙后地下水位。

工况2：完建情况，墙前无水、墙后无水。

工况3：检修情况，墙后地下水位、墙前无水。

工况4：地震情况，正常运行情况+地震。

上游翼墙稳定计算成果见表5.3-16。

经计算翼墙稳定安全系数及基底应力不均匀系数均满足设计要求。

（2）下游翼墙稳定计算。下游翼墙采用悬臂式挡墙，墙后采用加筋土回填。墙厚0.5～1.5m、高9.87m，底板厚1.0m、宽10.5m。

外部稳定验算主要荷载包括土重、侧向土压力、水平水压力、水重、扬压力、结构自重等，侧向土压力按主动土压力计算。计算工况选取不利水位组合，工况选取如下。

工况1：正常运行情况，墙前消力池内水位、墙后地下水位。

工况2：完建情况，墙前无水、墙后无水。

工况3：检修情况，墙前无水、墙后地下水位。

工况4：地震情况，正常运行情况+地震。

下游翼墙稳定计算成果见表5.3-17。

经计算翼墙稳定安全系数及基底应力不均匀系数均满足设计要求。

5.3.5.3 闸室结构计算

因中联和边联分缝，中联两侧不受外力，只受上部结构传递的竖直荷载，故闸室结构分析选取两孔的边联进行计算，根据闸室布置，按垂直水流方向截取单宽进行计算。涵洞的边联和中联分缝，中联两侧不受外力，只受上部填土传递的垂直土压力，故涵洞结构分析选取两孔的边联进行计算，根据涵洞布置，按垂直水流方向截取单宽进行计算。闸室、涵洞结构尺寸闸室结构计算见图5.3-1，涵洞式结构计算见图5.3-2。

根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），闸室结构计算采用弹性地基梁法，计算采用《水利水电工程设计计算程序集》G14—带斜杆带弹性地基梁的平面框架内力及配筋计算。根据水闸、涵洞运行方式及止水布置，计算工况选取及荷载组合见表5.3-18，计算成果见表5.3-19和表5.3-20。

按正截面纯弯构件对闸室底板、边墩、中墩和涵洞顶板、底板、边墙、中墙进行配筋计算，闸室底板、边墩受拉钢筋选配28＠150，中墩受拉钢筋选配25＠150，涵洞顶板、底板受拉钢筋选配28＠200，边墙、中墙受拉钢筋选配28＠200。

本次结构设计同时考虑门槽部位因其颈部受闸门传来的水压力而可能受拉，验算门槽应力。经计算，最大拉应力（校核防洪水位77.70m时）为1.32N/mm²，未超过混凝土轴心抗拉强度设计值1.50N/mm²。

5.3.5.4 胸墙结构计算

胸墙是闸室顶部的挡水结构，布置在弧门门槽的上游，采用平板结构，顺水流向厚度为0.6m。为使水流平顺通过孔口，减小阻力，增大泄流能力，胸墙上游底部为圆弧形，半径0.6m。胸墙两端固结在闸墩上，按两端固结板进行结构计算，计算工况选取水闸挡校核防洪水位77.70m。经计算，胸墙跨中最大弯矩为116.06kN·m、固端最大弯矩为232.12kN·m，受拉钢筋选配20＠200，满足要求。

5.3.6 地基计算及处理设计

5.3.6.1 地基处理设计

由结构设计可知，天然地基允许承载力不满足设计要求，本次设计需进行基础处理。根据地质报告，场区第⑤层土存在轻微液化可能。据《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203—97）中表1.0.5划分，工程抗震设防类别为乙类，本次设计采用水泥土搅拌桩对闸基基础进行围封处理消除液化沉陷，并采用振冲CFG桩提高地基基础承载力。

场区地基土层岩性为砂土、砂壤土等，地质报告中建议采用复合地基，以碎石桩或水泥土搅拌桩等工程措施对地基进行加固处理。经综合比选，本次设计确定采用水泥粉煤灰碎石桩复合地基，地基处理的任务主要是解决地基变形问题，即地基是在满足强度基础上以变形进行控制的，因此CFG桩的桩长是通过变形计算确定。

（1）CFG桩复合地基单桩竖向承载力特征值R_a计算。当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2。

当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算：

式中 u_p——桩的周长，m；

n——桩长范围内所划分的土层数；

q_si、q_p——桩周第i层土的侧阻力、桩端阻力特征值，kPa，可按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定确定；

l_i——第i层土的厚度，m。

（2）CFG桩复合地基承载力计算。CFG桩复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时可采用下式估算：

式中 f_spk——复合地基承载力特征值，kPa；

m——面积置换率；

A_p——桩的截面积，m²；

f_sk——桩间土天然地基承载力特征值；

β——桩间土承载力折减系数，由于桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值，依据规范建议值，取0.25；

R_a——单桩竖向承载力特征值。

（3）CFG桩复合地基变形计算。地基处理厚的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的ζ倍，ζ值可按下式确定：

式中 f_sk——基础底面下天然地基承载力特征值，kPa。

本次设计水泥粉煤灰碎石桩桩径d=600mm，正方形布置。在各种计算情况下，闸室、挡墙平均基底应力均小于复合地基允许承载力，最大基底应力均小于复合地基允许承载力的1.2倍。据《水闸设计规范》（SL 265—2001），地基基础处理满足规范要求。水闸地基处理设计成果见表5.3-21。

由表5.3-21可知，处理后的复合地基承载力满足设计要求。

消力池底板底高程65.56m，坐落在③-Cl黏土层上，根据地质报告，该层为软弱层，天然地基承载力为85kPa。经计算，消力池最大基底应力为97.5kPa，天然地基承载力不满足设计要求。考虑消力池底板下③-Cl黏土层较薄，仅为0.52～0.27m，设计采用换填法进行基础处理。E_spp_z1将消力池底板下该层土全部挖除换填碎石，换填厚度为0.6m。

5.3.6.2 地基沉降计算

CFG桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形s₁与桩端下未加固土层的压缩变形s₂。

CFG桩复合土层的压缩变形s₁按下式计算：

E_sp=mE_p+（1-m）E_s

式中 p_z——CFG桩复合土层顶面的附加压力值，kPa；

p_z1——CFG桩复合土层底面的附加压力值，kPa；

E_sp——CFG桩复合土层的压缩模量，kPa；

E_p——CFG桩的压缩模量，kPa；

E_s——桩间土的压缩模量，kPa。

桩端以下未加固土层的压缩变形s₂按下式计算：

式中 n——未加固土层计算深度内的土层数；

e_1i——加固土层以下第i层土在平均自重应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；

e_2i——加固土层以下第i层土在平均自重应力加平均附加应力作用下，由压缩曲线

查得的相应孔隙比；

h_i——加固土层以下第i层土的厚度；

m——地基沉降量修正系数，该次计算取1.2。

闸室地基沉降计算成果见表5.3-22。

由表5.3-22可知，闸室地基最终沉降量均小于150mm，相邻部位的最大沉降差也均小于50mm，闸室地基沉降量满足规范要求。

5.4 老闸拆除及引渠疏浚

5.4.1 老闸拆除

三义寨引黄闸系1958年建成的大型开敞式水闸，属1级水工建筑物。结构型式为钢筋混凝土结构，共分3联6孔，每2孔为1联，单孔宽12m，边墩厚1.5m、中墩厚1.6m、缝墩厚1.2m，总宽84.6m，底板高程66.50m。

该闸在运用期间存在诸多问题，于1974年、1990年进行两次加固改建，改建后：中联弧形闸门改建成四孔平板钢闸门，中联增建两个闸墩，闸底板加高至68.5m；边联4孔1次改建底板加高至69.0m，两次改建修建钢筋混凝土挡水墙封堵。

由于小浪底水库的运用，近年来下游黄河河底不断下切，目前老闸过流不能满足新建水闸引水需求，需将老闸部分或全部拆除。本次设计老闸拆除充分考虑以下两点：①水闸过流满足新建水闸引水需求；②尽量减小过老闸的水头损失。据此，将老闸中联2孔底板高程68.50m以上部分闸墩拆除，边联保留两边孔封堵，其余两孔底板69.00m以上闸墩拆除，同时将交通桥及上部结构全部拆除。拆除后老闸过水断面宽54.4m，过流能力满足新建水闸引水需求。

5.4.2 引渠疏浚

引渠包括老闸上游引渠及老闸与新闸间的渠道。

老闸上游引渠长200m，宽40～50m。由于常年淤积现状渠底高程较高，不能满足设计引水需求，本次设计需对老闸上游引渠进行清淤，清淤厚度约2.5m。

老闸与新闸间的渠道长400m，包括150m长的未护砌渠道及250m长的已护砌的人民跃进渠。未护砌渠道宽50.5～84.5m，由于常年淤积，现状淤积面高程69.56～70.80m；人民跃进渠设计渠底高程68.47m，设计底宽28.4m，设计纵比降1/4500，现状淤积面高程69.56～69.93m。老闸拆除后底板高程69.00m，新建水闸设计底板高程67.56m，为了保证新建水闸能够顺利引水，本次设计需对渠道进行清淤。未护砌渠道清淤后渠底高程69.00～67.56m，人民跃进渠清淤至原设计渠底高程。未护砌渠道渠坡采用厚0.3m浆砌石护砌，浆砌石下铺设厚0.15m砂砾石垫层。同时，由于场区地下水埋深较浅，砂砾石垫层下铺设两层无纺土工布进行反滤。

5.5 两岸连接堤防设计

5.5.1 工程等级及建筑物级别

黄河下游堤防是保证黄淮海平原防洪安全的第一道屏障，干流堤防设防洪水相应为洪水重现期大于100年，按照《堤防工程设计规范》（GB 50286—98）和《黄河下游防洪“九五”可行性研究报告》报告的审查结论，临黄大堤属1级堤防。

5.5.2 大堤断面设计

5.5.2.1 设计堤顶高程

根据《堤防工程设计规范》（GB 50268—98）的规定，设计堤顶高程为设计洪水位加超高。本次新建大堤将原弯向黄河的大堤后移约400m，设计取新建大堤堤顶高程同两侧老堤，为81.20～80.33m。

5.5.2.2 设计堤顶宽度

堤顶宽度主要应满足堤身稳定要求，还应满足防汛抢险交通、工程机械化抢险及工程正常运行管理的需要，本次设计新建大堤堤顶宽度为12m。

5.5.2.3 设计边坡系数

堤防边坡的设计原则：首先满足渗流稳定和整体抗滑稳定要求，同时，还要兼顾施工条件，并便于工程的正常运行管理。

根据已建工程的实践经验以及《堤防工程设计规范》（GB 50286—98）的相关规定，本次设计新建大堤临背河边坡均采用1：3。

5.5.2.4 堤坡防护

为了防止水流冲刷破坏堤身，新建大堤迎水面采用浆砌块石，浆砌石厚0.5m，下铺厚0.15m的砂砾石垫层。同时，为了防止渗透破坏以及侧向绕渗影响水闸安全，砂砾石垫层下铺设一层复合土工膜。新建大堤背水面采用植草防护。

5.5.2.5 堤基处理

堤基处理包括新建大堤基础清理以及新建大堤与老堤连接处老堤堤坡清理，其边界应超出设计边线0.3～0.5m。基础清基深度为0.3m，堤坡清理水平厚度为0.3m。

5.5.2.6 填筑土料

填筑土料应符合《堤防工程设计规范》（GB 50286—98）中第6.2.1条之规定“均质土堤宜选用亚黏土，黏粒含量为15%～30%，塑性指数宜为10～20，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂物；填筑土料含水率与最优含水率允许偏差为±3%”。填筑土料的压实度不小于0.94。

黄河有史以来就是多泥沙河流，大河挟沙顺流而下，在不同的水流状态和边界条件下，形成不同的淤积区，根据多年的观测试验，其多数为粉砂和砂性土，只有少数为黏性土，且分布不均匀。根据料场勘察的实际情况，料场土料平均黏粒含量为11.4%，基本满足设计要求。

5.5.3 堤顶道路设计

5.5.3.1 堤顶道路标准

该次新建大堤堤顶道路设计标准参考平原微丘三级公路标准。

5.5.3.2 路面设计

路面设计根据公路等级、使用要求、性质及自然条件等并结合当地实际经验进行综合考虑，路面由面层和基层组成。

面层采用热拌沥青碎石混合料。根据现场查勘，两侧老堤堤顶沥青道路宽7.6m。据此，本次设计新建大堤堤顶道路面层取为7.6m。面层总厚5cm，由4层组成，分别为：厚4cm的沥青碎石层、封层、黏层、透层。面层施工时应随基层形成2%的双向排水横坡。

基层选用混合基层，即水泥石灰碎石土基层和水泥石灰土底基层。水泥石灰碎石土基层宽8.1m、厚15cm，水泥石灰土底基层宽8.4m、厚15cm。基层、底基层的压实度（重型击实）应分别达到97%、95%，7天浸水无侧向抗压强度应分别达到0.80MPa、0.50MPa。

5.5.3.3 路肩

行车道两侧的黏土路肩宽均为0.75m（含10cm宽的路缘石），压实度不小于93%。路肩应与路面平顺连接，并形成3%的横向排水坡。

在行车道两侧埋设路缘石，路缘石顶面与行车道齐平，采用50cm×35cm×10cm的C20混凝土预制块。路缘石应在面路基层碾压完成后再开槽埋入，并将其孔隙填土倒实，确保稳定。在路面、路肩施工时，应保证与路缘石能紧密结合。

5.5.3.4 堤顶培土

在两侧路肩外沿至大堤顶边沿需用符合要求的土料进行堤顶培土，把路肩与堤顶的高差填平压实，培土顶面要与路肩形成3%的平顺排水横坡，压实度应不低于92%。

5.5.3.5 路面排水

水闸两侧新建大堤长度较短，本次设计堤坡不设排水沟，路肩两侧各设0.5m宽的草皮带。

5.6 主要工程量

三义寨引黄闸改建工程量汇总见表5.6-1。

5.7 安全监测设计

5.7.1 安全监测系统

5.7.1.1 设计原则

（1）以监测水闸底板扬压力的分布、水闸与大堤结合部的渗透压力以及闸室的不均匀沉陷为主。

（2）所选择的观测设备应长期稳定、可靠，具有大量的工程实践考验。同时便于实现自动化观测。

5.7.1.2 设计依据

（1）《引黄涵闸远程监控系统技术规程》（试行）（SZHH01—2002）。

（2）《黄河堤防工程管理设计规定》黄建管〔2005〕44号。

（3）《土石坝安全监测技术规范》（SL 60—94）。

（4）《水闸设计规范》（SL 265—2001）。

（5）《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》（SL 268—2001）。

（6）《大坝安全监测自动化技术规范》（DL/T 5211—2005）。

5.7.2 监测项目及测点设置

根据上述设计原则，结合建筑物本身的具体情况，其仪器布设情况如下：

（1）底板扬压力观测。为监测水闸底板扬压力分布情况，沿铺盖、闸室，涵洞2号、4号、6号、8号管节底板、消力池段底板中部各布设1支渗压计。

（2）闸堤结合部渗透压力观测。为监测水闸与大堤结合部的渗透压力分布情况，沿铺盖、闸室，涵洞2号、4号、6号、8号管节底板、消力池段底板左右侧与黄河大堤结合部各布设1支渗压计

（3）闸室不均匀沉陷观测。闸室的不均匀沉陷不仅影响闸室的运行而且会危及涵闸安全。为监测闸室不均匀沉陷，在每联水闸的四角闸墩上分别安装4个普通水准测点。

（4）涵洞管节不均匀沉陷观测。为监测涵洞管节不均匀沉陷，在闸室与涵洞结合处、各涵洞管节结合处、涵洞与消力池结合处及下游翼墙顶部布设水准测点，其中闸室与涵洞结合处布设12个深式水准测点，涵洞2号、3号管节，3号、4号管节结合处各布设12个深式水准测点；涵洞4号、5号管节，5号、6号管节，6号、7号管节，7号、8号管节结合处各布设12个普通水准测点；涵洞与消力池结合处布设4个普通水准测点；下游翼墙顶部布设6个普通水准测点。

（5）堤顶沉陷观测。为监测水闸顶部黄河大堤沉陷情况，在堤顶布设6个普通水准标点。

（6）上下游水位观测。在上游闸室进水口右翼墙布设1支水位计，在下游消力池下游右翼墙布设1支水位计，以监测上下游水位。为了便于现场直观观察到水位的变化情况，同时考虑到观测系统遭到破坏时，还能通过人工观测采集到水闸上下游水位情况，特在其上下游侧墙上安装一根水尺。

（7）温度观测。外部环境温度的变化是影响仪器测值的主要因素之一，也是观测资料分析的必备参数，为此在管理房附近布设1支温度计（含百叶窗），以监测环境温度的变化。

5.7.3 监测设备选型

目前，应用于水利水电工程安全监测的设备类型很多，如振弦式、差动电阻式、电容式、压阻式等。除振弦式仪器外，其他仪器均存在长期稳定性差、对电缆要求苛刻、传感器本身信号弱、受外界干扰大的缺点。振弦式仪器是测量频率信号，具有信号传输距离长（可以达到2～3km），长期稳定性好，对电缆绝缘度要求低，便于实现自动化等优点，并且每支仪器都可以自带温度传感器测量温度，同时，每支传感器均带有雷击保护装置，防止雷击对仪器造成损坏。

根据安全监测设计原则以及各种类型仪器的优缺点，建议该工程中应用的渗压计、测缝计采用振弦式。

5.7.4 监测工程量

监测工程量见表5.7-1。