季永兴[1]、2，白昆生1、2

　　(1.上海市水利工程设计研究院有限公司 上海 200061; 2. 上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心上海 200061）

　　摘  要：析滇池海口河区域地质、河口地形、工程地质等限定条件，从工程选址、水闸型式、总体布置、基础处理和节点设计等方面提出了针对性的抗震设防措施：1）选择平缓地层作为水闸闸址，并采用换填毛石混凝土进行地基处理；2）选用水下卧倒式闸门，降低结构重心高度，并满足灵活运行等其他功能要求；3）采用6孔双数并对称的总体布置，闸墩分缝并设铜片止水；4）平衡布置检修桥与闸门位置，加长桥梁搁置长度并嵌入闸墩。

　　关  键  词：滇池；海口闸；地震；抗震

　　中图分类号： TV223.2+1     文献标识码：A

　　滇池唯一天然出口海口河系普渡河上段，为长江上游金沙江右岸一级支流。滇池海口闸是海口河河口调控枢纽，既承担着昆明城市及沿湖四县（区）的防洪任务，也是“引清济滇”出口通道控制枢纽，更是近年滇池水环境和水资源调度通道的调控枢纽。由于年久失修，结构老化、设备破旧、闸门漏水、启闭不灵，难以正常运行，严重影响了昆明市及海口镇防洪与调水。因此，有关部门结合滇池水污染防治及海口河治理提出了重建滇池外海水位调控枢纽（海口闸）工程[1]。由于工程区位于小江深大断裂带及普渡河——西山断裂西侧，区域构造较复杂，属基本稳定性较差地区的相对稳定地区，地震基本烈度为Ⅷ度，所以需选择可靠的场地和可行的结构方案，使其具有一定的抗震安全性。笔者等深入分析工程场地特性，并从工程选址、水闸型式、总体布置、基础处理和节点设计等方面进行了专题研究和设计，提出了针对性抗震设防措施。

　　图1　海口河河口现状及闸址比选示意图

　　Fig.1 Status of Haikou River estuary & the location schemes

　　3

　　1工程现状与概况

　　1.1 工程现状

　　海口河河口由大小中滩（小岛）分隔为南河、中河和北河。大小中滩的形成，起自明弘治十四年（1501年）的疏浚。清道光年间，为免除每次疏挖海口河筑坝挖坝的麻烦，在3条岔河上分别修闸控制，统称“屡丰闸”。该闸修建的另一个好处是增加了蓄水功能，对保持滇池水位发挥了巨大作用，至今170多年来滇池水位一直没有大的变化。1964年开始，先后进行了18年之久的改建（1964年改造南河闸，1977年改造中河闸，1980年改造北河闸），先是将原木闸坊改装为机械闸门，后又分别在中河、北河和南河上另建新的电动手动两用平板钢闸门，并命名为“海口闸”。改建的中河闸、北河闸实际为择址重建，分别在原“屡丰闸”的下游建设，原“屡丰闸”的中河、北河闸石梁桥面更换为钢筋混凝土桥板，但桥墩仍然是清代的建构。改建后的闸运行至今，也由于年久失修，结构老化、设备破旧、闸门漏水、启闭不灵，难以正常运行。《云南省昆明市海口闸工程水闸安全鉴定报告书》评定“海口闸为四类水闸，建议择址重建” [2]。

　　1.2 工程概况

　　择址重建的海口闸位于既有闸的上游，滇池入海口河河道分叉前，河宽最窄处，河道口宽约140m，河槽底宽约120m。鉴于液压启闭水下卧倒闸门具有启闭可控制性好，可根据需要灵活控制水位和流量，同时表面可以形成溢流，去除滇池水面漂浮物，同类门型有应用实例，运行维护简单、景观条件好等优点，推荐采用水下卧倒门水闸方案。水闸总体采用6孔闸门组合布置，每孔净宽17.4m，单扇闸门宽19m，闸室总宽123.04m。每两孔设一道沉降缝，每块底板41m（垂直水流向宽）×16m。主要建筑物及设备包括：闸墩、闸门、底板、启闭机、下游消力池、海漫、上游护坦、防冲槽、检修桥及检修叠梁门等。

　　图2  海口河区域地质图

　　Fig.2 Initial geological map of the Haikou River basin

　　2场地特性

　　2.1地形地貌

　　海口河由滇池西南端的海口镇呈蛇形向北西侧延伸，分别流经里仁、中新街、桃树村、大营庄，在石龙坝处汇入螳螂川。海口河流域为一沉积盆地，地面高程1884～1895m，左岸相对较低，右岸相对较高，河床狭缓，其纵坡降约1‰左右。河床两侧普遍分布冲积阶地，阶地宽10～600m不等，阶面高程1879～1889m。在海口镇处河道内保留有河心滩和残丘，地形呈三角洲状，河心滩及残丘高程1888～1890m。由于历经多次疏挖，现海口河大部分河床基岩裸露，局部地段衬砌浆砌石挡墙，基础基本落在基岩上，两岸河堤顶部多有人工堆积土，为海口河历次疏挖的弃填土。右岸局部地段河堤与海安公路及西山坡脚相依。

　　2.2 地层岩性

　　地质勘探和现场勘察揭示，海口河地区发育有下列地层：①中泥盆系（D2-3），见于海口河中段两岸的下伏基岩，为灰色厚层灰岩夹灰黄色细砂岩、钙质砂岩，厚度107～373m不等。②石炭系下统大圹阶（C1d），为灰白色厚层块状灰岩，浅黄色泥质粉砂岩，灰白色细砂岩、钙质砂，厚度80～127m。分布于里仁街～中新街、新村～沙锅村。③石炭系中统威宁组(C2w)，为浅灰、灰白色厚层、块状灰岩、豆状鲕状灰岩、局部夹煤层、砂页岩及角砾状灰岩，厚度50～100m，分布在海口河入口左岸～里仁。④二叠系下统倒石头组(P1d)，灰、黄褐色豆状、致密状铝土岩、铝土质页岩、黑色页岩、煤、砂岩夹灰岩透镜体，厚度96～170m，分布于海口河入口左岸、下坪村。⑤二叠系下统栖霞、茅口组(P1q+m)，灰～灰白色间夹灰黑色中厚层块状灰岩夹灰～灰白质灰岩、白云岩，厚125～350m。分布于海口镇、桃树村。⑥第四系全新统(Q4)。广泛分布于海口河两岸阶地、高漫滩以及残丘等处。自下而上为灰黑～红褐色含泥质砂砾石、淤泥质粘土间含少量草煤、含砾质粘土夹冲积卵石层、杂填土等，残丘地冲冲积层以中粗砂粉土为主，全层厚2.5～10m。

　　3.3 区域地质

　　本场地位于南岭东西构造、川滇南北构造与云南山字型构造交接带，历经多期构造运动的改造，形成五个各具特色的南北走向构造形迹的禄丰—易门区、桃园—昆明区；东西走向构造形迹的富民—晋宁区、金殿—呈贡区；北东走向构造形迹的白邑村—龙潭菁以东地区[3]。本场地位于南北走向构造形迹的富民—晋宁区，场地东边发育有南北向西山断层[4,5]，断层从滇池中穿过，断层北段，倾角70～80°，东盘奥陶系逆冲于西盘二叠系之上，破碎带宽约400m；断层南段，断层面倾向东，其间纵列3～4条冲断层（图2）。从断层的发育史及挽近期活动遗迹看，断层属先压后张、先逆后正的多返复断层。西山断层距本场地大于3km，工程区未发现其产生的次生断裂。本区主干断裂现今活动性并不明显，拟建场地附近无全新活动断裂，属相对稳定地区。受本区东缘小江活动断裂带影响，历史记载曾发生过多次大于或等于Ⅵ级地震（表1）。根据《中国地震动参数区划图》 （GB18306-2015），本工程区地震动峰值加速度为0.20g，动反应谱特征周期0.45s,地震基本烈度为Ⅷ度。

　　综合区域地震地质条件、构造发育情况、地震基本烈度和动参数值，工程区属基本稳定性较差地区的相对稳定地区。

　　表1   工程区周边大于或等于5级地震记录

　　Table 1 Seismic records of Ms≥5 around the project

　　3 抗震措施

　　水闸的抗震设防措施主要有两个方面：一是合理地选择场地，并进行地基处理；二是结构上采取抗震措施[6,7]。由上可知，工程区属基本稳定性较差地区的相对稳定地区，地震基本烈度为Ⅷ度。所以，海口闸的抗震措施，不仅要合理选择闸址，避免大量地基处理，增加工程投资[8]，还要在结构型式、结构布置、构造措施和基础处理等方面进行专题研究和设计，提出有针对性的抗震设防措施。

　　（a）                                                  （b）

　　（c）                                                （d）

　　（a）、（b）、（c）、（d）分别为闸址1、闸址2、闸址3、闸址4位置地质剖面示意图

　　图3  闸址位置地质剖面示意图

　　Fig.3 Geologic section of the lock location schemes

　　3.1选择稳定可靠的闸址

　　根据工程现场地形条件，经现场查勘，初步分析本工程可选择的闸址方案有四个（图1）：闸址1位于滇池入海口河河道分叉前，河宽最窄处，河道口宽约140m；闸址2位于原闸址位置，拆除重建原闸，河道口宽分别为40m（南）、40m（中）、20m（北）；闸址3位于老闸下游两叉河流上，河道口宽分别为80m（北）、40m（南）；闸址4位于三河合并后的河道上，河道口宽80m。

　　仅从地质上分析，闸址2、闸址3、闸址4方案地质结构复杂，覆盖层厚，地基土承载力及强度低，存在闸基变形、不均匀沉陷、抗震、抗渗、抗冲、抗滑不稳定等问题，处理难度大，而闸址1方案覆盖层薄，基岩埋深浅，闸基可置于岩基上（图3），故从地质角度考虑闸址1方案较优。另外，闸址1与闸址2、闸址3工程规模相当，但保护范围较两个大，动拆迁量最小；虽然，闸址1较闸址4规模大，但其保护范围大。所以，综合各方面因素，推荐闸址1作为本工程建设闸址方案。

　　3.2选择重心低的闸型

　　一般闸（坝）根据开启位置可分水上、水中和水下三种类型。一方面推荐闸（坝）址位于海口镇，河口较宽，景观要求高，最好没有高耸突出物，另一方面从抗震角度，也要求尽量减低建筑物的重心。因此，根据闸址、规模及功能要求，经过反复研究，能够被接受的水下类比较适宜，选择水下卧倒门水闸、扇形门水闸、橡胶坝等三种型式比选。

　　水下卧倒门水闸采用多跨水下卧倒闸门（图4），每扇闸门设两个底铰与底板相连，闸门两侧分别设置液压启闭机控制闸门，根据需要控制下泄流量。闸门上下游设检修门槽，上部设置检修桥。扇形门水闸采用两扇扇形门，门库位于两岸缩窄的河道内。两扇挡水门体内分别设两扇直径约80cm的小门，根据需要开启小门，满足小流量需求。闸门挡水结构呈弧形，由桁架式支撑臂传力至定位受力柱（或球铰）。考虑本工程下游水位较低，闸门下设轨道与底板连接，通过门体内的涡轮推动水力驱动闸门启闭。橡胶坝方案则采用多跨橡胶坝，每两跨设一条沉降缝，上下游设检修门槽，上部设置检修桥（也可以考虑不设）。

　　图4  水下卧倒门方案及平面布置图

　　Fig.4 Underwater plain gate and its layout

　　三种主要建筑物型式各有优缺点（表2）。水下卧倒门启闭灵活、可控制性好，可根据需要控制水位和流量，同时表面可以形成溢流，去除滇池水面漂浮物，形成瀑布景观，同类门型有应用实例，运行维护简单；缺点是机械制作精度要求高。扇形门方案整体景观效果好，可以满足水闸各流量需求，同类门型有应用实例；缺点是支撑柱（或球铰）受力大，分析设计难度大，机械制作精度要求高，维护检修期难以控制滇池水位，同时泄洪初期可能会引起闸门振动，需专题研究。橡胶坝方案投资省，表面可以形成溢流，去除滇池水面漂浮物，同类门型有应用实例，运行维护简单；缺点是橡胶坝袋易老化灵活控制水位和流量较难，同时抗震性能差。综合分析比较，推荐采用水下卧倒门水闸方案作为本工程建设方案。

　　表2 主要建筑物方案比选

　　Table 2 Main constructions comparison and selection

　　3.3结构布置与构造

　　（1）对称的总体布置

　　在推荐闸址位置，若仅为满足规划泄洪要求，可以采用较小宽度闸孔加坝方案即水闸设在中间，两侧采用土石坝(溢流坝)与两岸连接，或在中间设溢流坝，两侧设闸。但是，由于采用土石坝与闸相连接后，会在河道中部或两侧形成不同程度的淤积，影响河口形态，因此推荐采用具有水流条件好、水头损失小、对行洪有利、对冲淤变化影响小、景观效果好、投资增加不多的全闸方案。

　　全闸方案的孔数与孔径对闸门结构、启闭设备及建筑物结构影响较大。闸孔孔数多，闸门跨径小，设计简单，但启闭设备多，启闭力小；闸孔孔数少，闸门跨径大，门体厚，设计复杂，启闭设备相对少，启闭力大。因此，闸孔选择需根据工程规模、地基条件、运用要求、闸门型式、启闭机容量、景观效果等因素综合确定。

　　水闸单孔净宽主要受闸门门体厚度和结构受力、启闭容量影响。适宜的闸孔净宽不但可以满足不同流量的需要，结构受力适中，同时也便于运行管理，节省投资。由于本工程水深浅，平常情况下水位差相对较大，所以大跨度（孔径）闸门，门体厚度大，长宽比大，所需闸底板厚，同时闸门两侧液压启闭机同步控制要求高，所需启闭机容量大，所以本工程条件下闸孔宽度不宜过大。经初步研究，闸门宽度宜小于20m。但是，闸孔净宽也不宜过小，否则闸孔孔数较多，由于推荐采用水下卧倒门，每扇闸门需要2台液压设备启闭，则启闭设备数量多。因此，本工程适宜的闸孔孔数选择6~8孔为宜。

　　为避免不对称水流问题，《水闸设计规范》认为闸孔孔数少于8孔时，宜采用单数孔。但是，从抗震角度，对称布置的结构有利于抗震。由于本水闸位于的河面较宽，闸孔跨度较大，不对称水流影响较小；同时闸孔跨度较大必涉及底板及闸墩分缝问题，若采用单孔（如7孔）则不便于结构分缝，也不利于抗震。因此，确定闸孔孔数量为6孔，闸孔净宽6×17.4m，闸总宽123.04m，采用两台液压启闭机启闭（图4）。

　　图5 水闸蓄水实景照

　　Fig.5 Scene photograph of the Haikou Lock

　　（2）检修桥嵌入式搁置

　　卧倒式闸门通过2个底铰与闸底板固定，并通过两侧液压油缸与闸墩联结，所以闸门的抗震稳定性依赖于闸底板与闸墩的抗震稳定性。水闸对称布置并经分缝后的主体结构为整体混凝土坞式结构，垂直水流向的抗震稳定性较好。在顺水流向，闸门挡水，重心不均，为平衡重心位置，检修桥就起了平衡水闸整体顺水流向的重心的作用。检修桥也存在抗震稳定性，为保证其抗震稳定性，一方面保证检修桥在闸墩上搁置长度，保证垂直水流向的抗震稳定性；另一方面在闸墩上采用嵌入式搁置，即桥面板嵌入闸墩10cm，防止受顺水流向地震水平力时的侧向滑移（图4）。

　　3.4地基处理

　　经布置，水闸闸底板面高程1885.00m，厚1.8m(局部0.8m)，底板底高程1883.2m，座落在②层粘土层上，粘土层下是②1层钙质胶结螺壳，两层共厚约2.2m。由于采用低重心五上部结构的闸型，水闸稳定分析最大地基应力为55kN/m2，而第②层的地基承载力120kN/m2，可以满足受力要求。但是，为保证抗震稳定性，同时考虑层厚较小，挖除工程量不大，提出采用挖除并回填毛石混凝土方案进行处理。

　　4 结语

　　海口闸作为滇池外海唯一出口的口门控制建筑物，对滇池泄洪除涝安全、水资源综合利用、水环境综合治理及下游生产生活生态需水等非常重要 [1,9]，同时由于水闸位于Ⅷ度地震区，所以择址重建后的水闸结构安全可靠性是各方面关注的重点。

　　经深入分析工程场地特性和各闸址的工程地质条件，推荐覆盖层薄、基岩埋深浅的闸址方案，并采用清基换填毛石混凝土的地基处理方式，使闸基直接置于岩基上，可有效保证地基抗震稳定性。从景观要求和抗震稳定性方面，选择景观好、重心低的水下类的液压驱动水下卧倒式闸门作为水闸主体结构，并采用对称式总体布置，可有效保证结构抗震稳定性。2015年6月，水闸下闸蓄水（图5）至今，一直保证正常运行状态。

　　参 考 文 献

1. 季永兴,陈志伟,蔡跃军. 论滇池海口闸择址重建的必要性及闸址比选[J]. 环境科学导刊,2010,29(01):45-48.

2. 昆明市水利勘测设计研究院.云南省昆明市海口闸工程水闸安全评价报告[R],2009,3.

3. 胡毅力,温一波,段继平等. 滇池盆地东缘白邑-横冲断裂南段的浅层地震勘探研究[J]. 震灾防御技术,2010,5(04):451-460.

4. 于希贤.滇池历史地理初步研究[J],云南地理环境研究,1999,11(01):7-15

5. 钟华邦. 地质素描——云南昆明滇池断陷湖[J]. 地质学刊,2011,35(01):49.

6. 季永兴,张燎军,卢永金. 潮汐河口特大跨度水闸抗震标准及设防措施[J]. 水电能源科学,2012,30(01):110-113

7. 任久明,胡永胜. 岷江上游覆盖层地基上的闸坝设计与震后思考[A].汶川大地震工程震害调查分析与研究[C],2009,6:531-536.

8. 李贵平. 三峡船闸北1号竖井断层综合处理技术[J]. 人民长江,2003,29(09):8-10.

9. 徐天宝,马巍,黄伟. 牛栏江-滇池补水工程改善滇池水环境效果预测[J]. 人民长江,2013,44(12):11-13+40.

　　[1] 作者简介：季永兴(1970-)，男，江苏南通人，教授级高级工程师，主要从事水利工程设计与研究，jiyx@sh163.net。