广州市南沙区大岗镇草船滘水闸工程初设报告

广州市南沙区大岗镇草船滘水闸工程初设报告工程区位于珠江三角洲河口区，属于南亚热带海洋性季风气候，气候温暖湿润，日照充足，雨量充沛，夏长冬短，多年平均气温21.9℃，极端最高气温38.7℃，极端最低气温0℃，多年平均降雨量1693mm，降雨量年内分配不均，汛期4-9月降雨量占全年总量的80%以上，多年平均相对湿度78%，多年平均风速1.9m/s，最大风速28m/s，全年受热带气旋影响次数年均2-3次，多发生在7-9月，带来强风、暴雨和风暴增水，对水闸安全运行影响较大。工程区位于珠江三角洲冲积平原，区域地势平坦开阔，地面高程一般在-0.5m~2.5m之间，区域范围内河网密布，水系发达，草船滘河是大岗镇南部连通洪奇沥水道与蕉门水道的主要横向排涝河涌，现状草船滘水闸位于草船滘河出口汇入洪奇沥水道处，水闸承担着草船滘片区防洪排涝、挡潮蓄淡的核心功能，现状水闸始建于1970年代，为浆砌石结构，经过近50年运行，水闸存在结构老化、防渗体系损坏、闸门锈蚀卡阻、启闭设备老化等问题，现状过流能力仅能满足10年一遇排涝要求，无法达到南沙区防洪排涝规划确定的20年一遇排涝标准，且挡潮标准不足50年一遇，每逢天文大潮叠加暴雨洪水，草船滘片区经常出现内涝积水，严重影响片区1.2万亩农田灌溉和3.2万居民生产生活安全，因此，实施草船滘水闸重建工程十分必要。根据《广州市南沙区防洪排涝规划（2020-2035）》《广州市大岗镇城镇发展规划》，结合片区防洪排涝需求，确定本工程的功能为：挡潮防洪，抵御洪奇沥水道高潮及洪水倒灌，保障片区防洪安全；排涝减灾，排除草船滘片区内涝积水，满足片区排涝要求；蓄淡灌溉，调节草船滘河水位，保障片区农田灌溉和生态用水需求；兼顾水系连通，改善区域水生态环境质量。本次设计确定工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级，设计洪水标准：水闸挡潮标准为50年一遇，排涝标准为20年一遇，24小时暴雨24小时排干，容许农田漫溢水位不超过田面0.2m，设计地震动参数根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.35s，对应地震基本烈度为Ⅶ度，抗震设防烈度按Ⅶ度设计。工程水文分析计算方面，洪奇沥水道是珠江入海水道主要分支之一，承泄西江洪水，设计洪水位根据珠江水利委员会《珠江流域防洪规划》及广东省水利厅公布的洪水位成果，50年一遇设计洪水位为3.85m（珠基，下同），100年一遇校核洪水位为4.20m；草船滘片区集雨面积为18.62km²，根据《广东省暴雨径流查算手册》，采用推理公式法计算设计暴雨洪水，20年一遇24小时暴雨量为285mm，径流系数为0.75，计算得到20年一遇设计排涝流量为118m³/s，通过河涌水面线推算，草船滘河闸前设计内水位为2.10m。潮汐特征方面，洪奇沥水道为不正规半日混合潮型，多年平均高潮位1.82m，多年平均低潮位-0.78m，设计高潮位50年一遇为3.70m，设计低潮位50年一遇为-1.25m，施工期设计潮位：非汛期高潮位1.90m，低潮位-0.95m。工程区上游蕉门、洪奇沥水道多年平均含沙量为0.15~0.25kg/m³，属于少沙河流，年均淤积厚度约0.03~0.05m，水闸运行期年均淤积量约300m³，每5~8年需要进行一次清淤维护。工程地质勘察通过布置12个钻孔，总进尺326.5m，原位测试及室内土工试验结果表明，工程区地层自上而下依次为：人工填土，层厚1.5~3.2m，主要为砂质黏土，结构松散，承载力特征值fak=100kPa，压缩模量Es=3.0MPa；第四系全新统冲积层，分为粉质黏土、中粗砂、淤泥质土三个亚层，粉质黏土层厚2.0~4.5m，fak=180kPa，Es=5.5MPa，中粗砂层厚3.0~6.8m，fak=250kPa，Es=18.0MPa，淤泥质土层厚1.2~3.5m，fak=60kPa，Es=1.8MPa，流塑状，工程性质差；第四系上更新统冲积粉质黏土层厚4.2~8.5m，硬塑状，fak=280kPa，Es=8.5MPa，工程性质良好；下伏基岩为燕山期花岗岩，全风化层厚2.1~4.8m，fak=300kPa，强风化层顶面高程-22.5~-25.8m，fak=500kPa，微风化层顶面高程-28.2~-31.6m，fak=2000kPa，饱和单轴抗压强度45MPa。工程区位于珠江三角洲沉降平原，区域稳定性较好，不存在区域性活动断裂，地质构造对工程影响较小，水文地质条件方面，场区地下水主要为第四系松散层孔隙潜水，主要受大气降水和河水补给，水位随潮汐和季节变化，地下水位埋深0.5~1.5m，地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性。根据勘察结果，水闸闸基主要位于中粗砂层和粉质黏土层，中粗砂层承载力满足要求，沉降量小，渗透变形类型为管涌，允许渗透坡降为0.12，需要做好防渗处理，左岸翼墙地基分布有淤泥质土层，厚度2.8m，承载力不足，需要进行地基处理，采用换填水泥土搅拌桩复合地基方案，满足承载力和沉降要求。工程总体布置方面，根据地形地质条件、河涌走向、挡潮排涝要求，确定本次工程为拆除现状旧水闸，在原址重建新水闸，原址重建方案可以减少征地移民，降低对现有河势的影响，减少工程投资，相比移址上游方案，原址重建过流条件更好，节省工程投资约12%，相比移址下游方案，原址重建不需要征用洪奇沥水道滩地，避免了河道管理范围内审批难度，因此确定原址重建方案。水闸总宽度根据设计过流要求进行计算，过流宽度按下式计算：B=Q/(μe√(2gΔH))，其中Q为设计排涝流量118m³/s，μ为流量系数0.85，e为闸门开启相对高度，ΔH为过闸水位差0.55m，计算得到需要总净宽42m，结合水闸结构布置，确定采用3孔一联布置，每孔净宽14m，总净宽42m，总宽度51.8m，水闸中心线与草船滘河河道中心线重合，上游河道宽45m，下游河道宽42m，河道边坡坡比1:3。水闸主要建筑物布置从上游到下游依次为：上游连接段、闸室段、下游连接段。上游连接段包括上游翼墙、铺盖、防冲槽、上游护底，上游翼墙采用钢筋混凝土悬臂式翼墙，翼墙长度15m，挡土高度4.5m，翼墙顶部高程4.5m，铺盖采用钢筋混凝土防渗铺盖，长度20m，厚度0.8m，铺盖前端设置齿墙，深度1.5m，嵌入相对不透水层，铺盖与闸室底板之间设置橡胶止水带，铺盖上游设置10m长浆砌石护底，护底前端设置防冲槽，防冲槽深度2.0m，抛填块石，块石重量不小于50kg。闸室段采用整体式钢筋混凝土底板结构，底板厚度1.8m，底板顶面高程-1.5m，底板底面高程-3.3m，闸墩厚度1.5m，中墩厚度1.5m，边墩厚度1.2m，闸墩顶部高程4.5m，闸墩顶部布置工作桥，工作桥宽度4.5m，桥面高程7.5m，满足启闭设备安装运行要求，闸室上游侧设置检修门槽，下游侧设置工作门槽，闸室底板下游端设置消力池导墙，闸室底板与铺盖之间、底板与消力池之间均设置铜片止水和橡胶止水两道止水设施，闸室顶部两岸布置交通桥，交通桥宽度6.0m，满足防汛抢险和村镇通行要求，桥面高程4.5m，设计荷载为公路-Ⅱ级。下游连接段包括消力池、海漫、防冲槽、下游翼墙、下游护岸，消力池采用挖入式消力池，消力池长度25m，深度1.2m，底板厚度1.0m，护坦顶面高程-2.7m，末端设置消力坎，消力坎高度0.8m，坎顶高程-1.9m，消力池两侧采用钢筋混凝土导墙与下游翼墙连接；海漫采用柔性海漫，总长40m，分为两段，前段15m为浆砌石海漫，厚度0.6m，后段25m为干砌石海漫，厚度0.5m，海漫底部设置0.3m厚碎石垫层，铺设土工布反滤层；海漫末端设置防冲槽，防冲槽深度2.5m，宽度5m，抛填大块石，块石重量不小于100kg；下游翼墙采用钢筋混凝土悬臂式翼墙，翼墙长度20m，末端与下游河道护岸平顺连接，下游两岸护岸长度各30m，采用现浇混凝土生态护坡，坡比1:3，厚度0.25m，底部设置C15素混凝土齿墙，深度1.0m，顶部设置C20混凝土压顶。防渗排水布置方面，闸基防渗采用铺盖+垂直防渗帷幕的组合方案，垂直防渗帷幕位于闸室底板上游侧，从铺盖底部向下钻孔灌注水泥浆，深度进入相对不透水层粉质黏土不小于3.0m，总深度12m，形成连续的防渗帷幕，闸基排水采用闸室底板下游侧铺设排水垫层，设置排水盲沟，将渗漏水引入下游消力池，通过消力池排水孔排出，排水孔直径100mm，间距2.0m，呈梅花形布置，闸基渗流计算采用改进阻力系数法，计算得到出口渗透坡降为0.11，小于允许渗透坡降0.12，满足渗透稳定要求，闸室抗滑稳定安全系数设计工况为1.42，大于规范允许值1.3，满足抗滑稳定要求，抗浮稳定安全系数为1.25，大于规范允许值1.1，满足抗浮要求。结构设计方面，闸室底板采用C30钢筋混凝土，抗渗等级W6，抗冻等级F150，底板厚度1.8m，根据结构受力计算，底板弯矩设计值最大为850kN·m/m，配置直径25mm的HRB400钢筋，间距150mm，满足强度要求，闸墩厚度1.5m，迎水面和背水面配置直径20mm钢筋，间距200mm，满足挡水受力要求，工作桥主梁为简支梁，跨度16m，截面尺寸0.6m×1.2m，配置HRB400主筋，满足启闭力和荷载要求，交通桥为装配式预应力混凝土简支空心板，宽度1.2m，高度0.8m，设计荷载公路-Ⅱ级，满足通行要求。上游翼墙和下游翼墙均采用C25钢筋混凝土悬臂式结构，悬臂高度最大4.5m，墙身厚度0.5m，底板宽度3.5m，根据土压力和水压力计算，抗滑稳定安全系数1.52，抗倾覆稳定安全系数2.35，均满足规范要求，地基应力最大175kPa，小于地基承载力特征值250kPa，满足地基承载力要求。消力池护坦采用C30钢筋混凝土，厚度1.0m，配置直径16mm构造钢筋，间距200mm，表面设置排水孔，间距2.0m，满足消能防冲要求。地基处理方面，左岸翼墙地基分布的2.8m厚淤泥质土层，采用水泥土搅拌桩复合地基，搅拌桩直径500mm，间距1.2m，正方形布置，桩长进入下层粉质黏土层不小于1.0m，复合地基承载力特征值不小于180kPa，满足要求；右岸翼墙地基分布的淤泥质土层厚度1.2m，采用换填碎石方案，换填深度1.5m，分层压实，压实度不小于93%，满足要求。闸门及启闭设备设计方面，闸门采用露顶式平面定轮钢闸门，共3扇，每扇闸门尺寸为14m（宽）×5.5m（高），闸门材质为Q355B钢板，闸门设计水头4.8m，面板厚度12mm，主梁采用焊接工字梁，定轮支承，闸门止水采用P型橡胶止水，顶止水、侧止水、底止水均采用橡胶止水，闸门经过防腐处理，喷砂除锈后涂刷富锌底漆两道，面漆两道，总干膜厚度不小于200μm，使用寿命不低于20年。启闭设备采用卷扬式启闭机，共3台，每台启闭机额定启门力为2×160kN，扬程为8.0m，启闭机采用双吊点，布置在工作桥桥面上，配备手摇机构，停电情况下可以手动启闭，启闭设备配备行程控制、过载保护、闸门开度显示等自动控制系统，实现远程监控和现地操作。检修闸门采用1扇滑动式钢闸门，利用现地移动式卷扬机启闭，尺寸14.5m×6.0m，满足单孔检修要求。金属结构设计方面，按照《水利水电工程金属结构设计标准》（SL74-2019）进行设计，闸门主梁按容许应力法计算，最大弯曲应力为145MPa，小于Q355B钢材容许应力170MPa，满足强度要求，挠度计算最大挠度为L/850，小于容许值L/600，满足刚度要求，定轮轴承采用自润滑轴承，承载力满足要求，轨道采用QU100起重机钢轨，埋件采用一期混凝土预埋，锚栓固定，轨道基础承载力满足要求，所有钢构件均进行防腐处理，在腐蚀环境下，防腐设计寿命20年，满足规范要求。消能防冲设计方面，根据水力计算，设计排涝流量下，过闸单宽流量为2.81m³/s·m，上下游水位差为1.6m，采用消力池消能，计算得到消力池深度1.2m，长度22m，实际设计取值深度1.2m，长度25m，满足要求，下游海漫长度根据经验公式计算L=10×√(q√ΔH)=10×√(2.81×√1.6)=38m，设计取值40m，满足要求，防冲槽深度2.5m，宽度5m，满足防冲要求，下游局部冲刷计算最大冲刷深度为2.1m，防冲槽深度大于最大冲刷深度，满足防冲要求。边坡稳定设计方面，上游和下游河道边坡坡比1:3，采用总应力法计算边坡稳定安全系数，正常运用条件下安全系数为1.35，非常运用条件下为1.22，均大于规范允许值1.25和1.15，满足边坡稳定要求，左岸岸坡原有地质条件较好，经过削坡处理后，采用生态混凝土护坡，既满足抗冲刷要求，又可以改善生态环境。施工组织设计方面，本工程位于大岗镇，对外交通便利，工程区距离南沙港快速路大岗出口约6km，距离广州市中心约60km，建筑材料可以从南沙区当地采购，水泥采用广州珠江水泥，钢材采用宝钢钢材，砂石料从顺德北滘砂石料场采购，运距约25km，质量满足要求，工程用电从附近10kV电网接引，铺设临时供电线路1.2km，施工用水直接从洪奇沥水道抽取，经过沉淀过滤后使用，生活用水接引当地市政供水，通信信号全覆盖，满足施工要求。本工程施工需要在干地施工，采用分期围蔽施工方案，第一期围蔽左岸半幅河道，利用右岸半幅过水，施工右半幅水闸，第二期围蔽右半幅河道，利用已经施工完成的右半幅过流，施工左半幅水闸，施工围堰采用均质土围堰，围堰顶部高程3.0m，顶部宽度5.0m，迎水面坡比1:2.5，背水面坡比1:2.0，迎水面铺设土工布和干砌石护坡，防止潮汐冲刷，围堰防渗采用高压喷射注浆防渗墙，深度进入粉质黏土层1.0m，满足防渗要求，施工期安排在10月到次年3月非汛期施工，减少汛期防洪压力，降低围堰设计标准，施工期导流标准采用5年一遇非汛期洪水，满足要求。主要施工工序：旧水闸拆除，一期围堰施工，一期基坑开挖，一期地基处理，一期混凝土浇筑，二期围堰施工，二期基坑开挖，二期地基处理，二期混凝土浇筑，闸门及启闭设备安装，上下游护岸施工，围堰拆除，河道清理，工程验收。旧水闸拆除采用液压破碎锤拆除，拆除废渣全部运出场地，运至指定的弃渣场，弃渣场位于大岗镇建筑垃圾消纳场，运距约8km，做好弃渣防护，避免污染河道。混凝土施工采用商品混凝土，搅拌运输车运输，泵车入仓，分层浇筑，每层厚度不超过0.5m，振捣密实，做好养护工作，大体积混凝土浇筑需要控制温度裂缝，采用低热水泥，降低入仓温度，布置冷却水管，做好表面保温，控制内外温差不超过25℃。本工程总工期安排为18个月，其中施工准备2个月，旧闸拆除及一期施工6个月，二期施工6个月，设备安装及收尾4个月，满足工程建设工期要求。工程占地和移民安置方面，本工程为原址重建，永久征地范围仅为水闸主体工程占地，新增永久征地2.15亩，全部为河滩地和闲置用地，不涉及农村宅基地和农田征收，临时占地主要为施工临时堆场、临时营地、临时便道，共临时占地12.5亩，施工结束后全部复垦，恢复植被，不存在移民安置问题，仅涉及少量临时用地的青苗补偿，按照广州市征地补偿标准进行补偿，补偿资金列入工程投资，工程实施过程中不会对当地居民生产生活造成长期影响，临时用地复垦后可以恢复原有用途，满足要求。环境保护设计方面，工程施工期产生的生产废水主要是基坑排水、混凝土养护废水，设置沉淀池，经过沉淀处理后回用，不外排，生活污水设置移动厕所，定期由当地环卫部门清运，不排入河道，施工期产生的生活垃圾集中收集，运至城市垃圾处理场处理，建筑垃圾运至指定消纳场，施工扬尘采用洒水降尘，物料堆放覆盖，运输车辆加盖篷布，减少扬尘污染，施工噪声采用低噪声设备，设置隔音围挡，禁止夜间施工，减少对周边居民影响，工程施工结束后，对临时占地进行植被恢复，种植乡土草本植物和灌木，改善生态环境。水闸运行期不产生污染物，对环境影响较小，原有水闸拆除后，新水闸排涝能力提高，可以减少内涝发生，改善区域水环境质量，有利于生态环境改善。水土保持设计方面，根据《中华人民共和国水土保持法》要求，本工程水土流失防治分区分为主体工程区、施工生产生活区、临时堆场区、施工便道区，分别采取水土保持措施，主体工程区土方开挖结束后及时进行主体工程浇筑，边坡及时进行护坡，减少裸露面积和裸露时间，施工生产生活区施工结束后清理场地，平整土地，复耕植草，临时堆土场堆土坡比1:2，覆盖土工布，周边设置排水沟，完工后平整复绿，施工便道完工后拆除，平整土地恢复植被，水土保持措施总投资约85万元，能够有效防治工程建设产生的水土流失，满足水土保持要求。工程管理设计方面，本工程属于广州市南沙区水务局管辖，由南沙区水利管理中心负责行业管理，大岗镇水利管理所负责日常运行管理，工程管理范围划定为：水闸上游50m，下游100m，左右岸边各20m，范围线内为管理范围，设立界桩和公告牌，明确管理范围，禁止在管理范围内进行采砂、取土、堆放杂物、建设违章建筑等危害水闸安全的活动，工程管理设施布置在水闸左岸，建设管理用房一栋，建筑面积120m²，配备值班室、工具房、卫生间，配备必要的办公设备和防汛物资，建设水情自动监测系统，监测闸上下游水位、闸门开度、渗流压力，实现远程监控，接入南沙区智慧水利平台，提高管理水平，按照水利工程管理考核标准，建立健全管理制度，定期进行安全监测和维护，保障水闸安全运行，日常运行调度按照南沙区防汛防旱防风指挥部的调度指令执行，汛期低潮时开闸排涝，高潮时关闸挡潮，旱季关闸蓄淡，保障灌溉用水。水力机械和电气设计方面，本工程启闭机用电总负荷为120kW，供电电源采用一回10kV线路供电，配备一台80kW柴油发电机组作为备用电源，保证停电情况下能够正常启闭闸门，供电系统设置高压配电柜、低压配电柜、变压器，满足用电要求，控制保护系统采用微机综合自动化保护，实现过流、过压、缺相保护，保证用电安全，照明系统分为工作照明和事故照明，工作照明采用LED灯具，事故照明采用应急电源供电，满足要求。投资估算方面，本工程按照水利工程概预算编制规定进行计算，工程静态总投资为6852.35万元，其中建筑工程费4215.68万元，金属结构设备及安装工程费826.42万元，机电设备及安装工程费185.25万元，临时工程费568.72万元，独立费用612.48万元，基本预备费215.36万元，环境保护工程费82.15万元，水土保持工程费85.29万元，征地补偿费用61.00万元。资金来源为广州市财政补助30%，南沙区财政配套70%，资金来源