江蘇省大套船閘工程安全性態分析研究

孟怡凱,曹邱林

(揚州大學水利科學與工程學院,江蘇 揚州225009)

0 前 言

鹽城市大套船閘位于濱海縣大套鄉境內通榆河與套坎公路相交處。工程于1995年11月開工建設,1997年6月通過省水利廳主持的水下工程驗收,1997年11月通過省水利廳主持竣工驗收,工程總投資4592.04×104元。大套船閘的功能為在通榆河渠北段與廢北段之間形成梯級水位控制,并溝通渠北段與廢北段之間的航運。主要水工建筑物為2級,其它水工建筑物為3級[2]。船閘通航等級為Ⅲ級航道標準,最大可通過 1 000 t級頂推船,設計水平年過閘通航量1 726×104t。

經過13 a時間的運行使用,大套船閘工程方面基本沒有大的問題,未發現影響安全運行的明顯缺陷。為了船閘的安全運行及更好地發揮工程經濟效益,這里主要研究了船閘的工程運行管理評價、土建結構質量評價分析、金屬結構質量評價分析、安全復核計算分析評價等。

1 工程地質條件

據大套船閘設計資料記載,大套船閘所在的通榆河中部地區成陸較晚,淡水水源缺乏,開發歷史又短,因而土壤和淺層地下水普遍含有鹽分。工程范圍內高程-9 m～-11 m之間普遍分布一層厚約2 m的粘性砂礓土層,其厚度雖不大,但較穩定,其上普遍分布較厚層的淤泥質粘土,此層為淺海或沉積相沉積物;再其上直至地表多為粉質壤土或粉質砂壤土。

根據《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2001[3]附錄A和附錄D,大套船閘所處場地地震動峰值加速度為0.05 g,相當于地震基本烈度6度。

2 工程運行管理評價

按照水利工程管理規范化、制度化、科學化、法制化、現代化的要求,大套船閘管理所依據《水閘技術管理規程》[4],結合單位實際,編制了《大套船閘技術管理實施細則》,并于2006年1月經鹽城市水利局審查批復實施。大套船閘管理所自成立以來,科學合理的調度工程運行,始終堅持依法收費、按章收費和優質文明服務,充分發揮了工程效益、經濟效益和社會效益。

嚴格按照相關的要求,每年汛前、汛后分別對大套船閘工程實施觀測,并形成分析成果,裝訂成冊,報管理處審查備案。主要工程觀測項目為:上下游航道斷面觀測、垂直位移觀測、測壓管水位觀測。

根據觀測資料分析,船閘主體工程無異常沉陷情況,最大沉降點位于下閘首底板2-1點,沉陷量為42 mm;閘基較為穩定,無異常情況;上游河床無明顯沖塘,無橫向擺動;下游河床無橫向擺動。

3 土建結構質量評價分析

土建結構質量主要從結構強度、混凝土碳化深度、混凝土保護層、結構病害等方面進行評價分析。

結構強度分別采用回彈法[5]、鉆芯法[6]對混凝土結構進行強度測定。混凝土碳化深度采用沖擊電鉆和濃度為1%的酚酞酒精溶液進行現場測定。混凝土保護層用瑞士PROCEQ公司制造的SCONLOG-B型鋼筋位置測定儀測定混凝土保護層厚度。結構病害主要是從裂縫寬度、長度、走向、位置、表面特征,混凝土是否膨脹、剝落、鋼筋是否銹蝕等幾個方面來進行檢測并綜合判斷。根據檢測結果對該工程土建質量進行評價分析,評價結論如下:

(1)下閘首工作橋大梁、下閘首交通橋面板、下閘首交通橋墩臺的混凝土強度滿足設計要求,且滿足《水工混凝土結構設計規范》(SL191-2008)[7]有關混凝土最低強度等級要求;上閘首閘墩、上閘首工作橋排架、上閘首上游翼墻、下閘首閘墩、下閘首工作橋排架、下閘首下游翼墻的混凝土強度滿足設計要求,但不滿足《水工混凝土結構設計規范》(SL191-2008)[7]有關混凝土最低強度等級要求。

(2)該工程各構件碳化深度普遍較大,其中上閘首上游右翼墻碳化深度較大,其值達44.0 mm。

(3)上閘首工作橋排架、上閘首上游翼墻、下閘首交通橋中跨右橋墩、下閘首交通橋右跨橋面板、下閘首下游翼墻實測混凝土保護層厚度大于設計值,并大于規范規定的最小保護層厚度;上閘首閘墩、下閘首左閘墩、下閘首左排架、下閘首工作橋大梁、下閘首交通橋中跨右橋墩實測混凝土保護層厚度小于設計值,并小于規范規定的最小保護層厚度;下閘首右排架實測混凝土保護層厚度小于設計值,但大于規范規定的最小保護層厚度。

(4)該工程病害較少,主要病害為翼墻接縫有一定錯位,下閘首交通橋右橋臺開裂。

4 金屬結構質量評價分析

對于金屬結構主要進行了啟閉機性能狀態檢測、閘門外觀檢查、閘門焊縫超聲波探傷、閘門涂層厚度檢測、啟閉機運行參數檢測,從而對其進行評價分析。具體評價分析如下:

(1)大套船閘工程上閘首、下閘首的啟閉機及其附屬設施完整,功能滿足要求;啟閉機主要零部件無損傷、裂紋、變形,存在輕微銹蝕;啟閉機的外觀形態無銹蝕和損傷;傳動部件無嚴重磨損、損傷,潤滑情況正常。

(2)大套船閘工程上閘首人字鋼閘門、下閘首人字鋼閘門焊縫探傷符合要求,防腐涂層厚度符合要求;鋼閘門整體及主要構件無折斷、損傷,門體基本沒有銹蝕,其主要構件輕微銹蝕,其中上閘首人字門上頂部銹蝕較重;門體局部變形量超標,閘門的導輪、壓板、軌道等零部件存在不同程度的銹蝕,銹蝕總構件數遠小于30%;止水橡皮部分老化,存在滲漏水現象。

5 安全復核計算分析評價

5.1 安全復核計算內容

本次安全復核計算主要是滲流計算、穩定計算、結構計算。

依據規范滲流計算主要是驗算防滲長度,并且采用改進阻力系數法計算滲流出口坡降和水平坡降。

穩定計算主要是對上、下閘首進行穩定計算,穩定計算考慮的荷載為結構自重、水重、水壓力、揚壓力等[8]。

結構計算主要包括上、下閘首的閘墩、底板強度,計算時采用河海大學水工結構有限元[9～11]計算軟件進行計算。計算模型見圖1。

圖1 上、下閘首結構內力計算模型

5.2 安全復核計算結果

(1)滲流計算采用最大水位差時的水位組合,分別對上、下閘首進行滲流計算。計算成果見表1。

表1 滲流計算成果

滲流計算成果表明上、下閘首的滲流穩定滿足設計規范的要求。

(2)穩定計算的工況主要有設計、校核、檢修工況。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)[3]大套船閘所處場地的地震動峰值加速度為0.05 g,相當于地震基本烈度6度。根據《水工建筑物抗震設計規范》SL203-97[12],本次復核不考慮地震荷載作用。穩定計算成果見表2。

穩定計算成果表明大套船閘[13]上、下閘首的不均勻系數、抗滑穩定安全系數、抗浮穩定安全系數均滿足設計規范的要求。

表2 穩定計算成果

(3)大套船閘上、下閘首均為整體塢式結構,閘首兩側設機房控制樓。閘門采用人字門配備油壓啟閉機。經過簡化后利用有限元軟件建模,考慮的荷載主要有自重、水重、水壓力、揚壓力、土壓力、不平衡剪力等,通過軟件可算出閘墩、底板的彎矩并進行結構強度復核計算。由計算結果可得出上、下閘首閘墩、底板的結構強度均滿足要求。

6 結論與建議

(1)大套船閘各建筑物混凝土強度滿足設計要求,但不滿足現行規范有關混凝土最低強度等級要求,各構件碳化深度較大,保護層滿足設計要求,工程病害較少。

(2)大套船閘上、下閘首的啟閉機及其附屬設施齊全,外觀形態無損傷和銹蝕,運行狀況良好。上、下閘首的閘門焊縫探傷及防腐涂層厚度滿足要求。鋼閘門主要構件完好,輕微銹蝕。

(3)通過復核計算,大套船閘上、下閘首的滲流及穩定滿足規范要求。

(4)結合有限元軟件計算可知上、下閘首的閘墩、底板強度滿足要求。運用有限元軟件來計算主要建筑物的結構強度,既滿足了工程的設計要求又提高了設計的質量和效率。

(5)大套船閘工程主要設計指標均能滿足要求,按照《水閘安全鑒定規定》(SL214-98)第 6.0.2條[1]大套船閘安全類別擬定為一類閘。

鑒于以上結論建議對該工程進一步加強維護。

[1] SL214-98.水閘安全鑒定規定[S].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2] SL252-2000.水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].北京:中國水利水電出版社,2000.

[3] GB18306-2001.中國地震動參數區劃圖[S].北京:中國標準出版社,2001.

[4] SL75-94.水閘技術管理規程[S].北京:中國水利水電出版社,1994.

[5] JGJ/T23-2001.回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程[S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[6] SL352-2006.水工混凝土試驗規程[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[7] SL191-2008.水工混凝土結構設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2008.

[8] 陳寶華,張世儒.水閘[M].北京:中國水利水電出版社,2003.

[9] 王元漢,李麗娟,李銀平.有限元法基礎與程序設計[M].廣州:華南理工大學出版社,2001.

[10] 雷曉燕.有限元法[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[11] 傅永華.有限元分析基礎[M].武漢:武漢大學出版社,2003.

[12] SL203-97.水工建筑物抗震設計規范[S].北京:水利電力出版社,1998.

[13] JTJ307-2001.船閘水工建筑物設計規范[S].北京:人民交通出版社,2002.