屈家店樞紐北運(yùn)河節(jié)制閘安全鑒定分析

李洪蕊 郭建琦 高 誠(chéng)

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222；2.天津龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司 天津 300270）

1 原工程概況

北運(yùn)河節(jié)制閘位于天津市北辰區(qū)永定新河和北運(yùn)河匯流處，距永定新河入海口62km。北運(yùn)河節(jié)制閘是屈家店樞紐的重要組成部分，其功能主要是向海河下泄清水，控制汛期永定河、北運(yùn)河洪水注入海河，是海河的控制性工程。本工程Ⅰ等工程，主要建筑物為1級(jí)建筑物。工程總體布置見(jiàn)圖1。

節(jié)制閘為帶胸墻式水閘，胸墻底高程為5.25m，頂高程8.5m，孔高4.45m。全閘共分6孔，單孔凈寬5.8m，閘墩厚1.8m，總凈寬34.80m，閘室總寬43.80m。閘室上游設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，下游采用兩級(jí)消力池消能，其中一級(jí)消力池長(zhǎng)13.3m，其前以1∶4的斜坡段與閘室相接，池底高程-0.5m，消力坎頂高程0.8m，為連續(xù)式梯形尾坎。二級(jí)消力池長(zhǎng)10m，池底高程由-0.5m降至-0.8m，底坡為1∶28.33，坎頂高程-0.1m。海漫長(zhǎng)34m。均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

閘室底板由五塊中墩底板和兩塊邊孔底板組成。底板長(zhǎng)21.1m，板頂高程0.8m。中墩底板為承臺(tái)結(jié)構(gòu)，1990年除險(xiǎn)加固前閘室底板基礎(chǔ)為木樁，每塊底板下有木樁117根，1990年加固時(shí)，每塊底板下增設(shè)14根灌注樁，分兩排對(duì)稱布設(shè)于靠中墩兩側(cè)。

閘墩上下游兩端分別布置檢修橋和交通橋。上游檢修橋?qū)?.90m，橋面高程8.50m，下游檢修橋橋面寬1.80m，橋面高程6.00m。交通橋位于閘室下游側(cè)，橋面凈寬7.0m，橋面高程7.30m。

工作閘門(mén)采用6扇平板定輪鋼閘門(mén)，由液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。該6孔閘門(mén)可同時(shí)操作，亦可單孔操作。

圖1 屈家店北運(yùn)河節(jié)制閘布置圖

2 水閘安全調(diào)查分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查調(diào)研情況和所收集到的資料表明，目前工程并未遇到影響正常運(yùn)行的問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量復(fù)核，主要問(wèn)題是地區(qū)沉降，閘底板頂高程由0.8m降至-0.017m，沉降量為0.817m。

與此相對(duì)應(yīng)，閘室上下游水位并沒(méi)有發(fā)生變化。水位相對(duì)水閘的上升造成了一系列影響：①水流情況發(fā)生變化，水閘的泄流與消能情況均發(fā)生變化，故需要復(fù)核其過(guò)流能力與消能防沖能力。②水閘所承受的水平荷載發(fā)生變化，必須復(fù)核樁的水平承載力。③揚(yáng)壓力發(fā)生變化，需要復(fù)核水閘的滲流穩(wěn)定。④閘頂、交通橋與檢修橋的超高是否能滿足規(guī)范要求，需要重新確認(rèn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)

3.1 混凝土檢測(cè)

（1）北運(yùn)河節(jié)制閘交通橋、檢修橋、工作門(mén)導(dǎo)向柱、閘墩、上下游翼墻和減載空箱上未發(fā)現(xiàn)裂縫，未發(fā)現(xiàn)鋼筋外露和銹蝕現(xiàn)象，上下游堤岸砌石護(hù)坡完好，沒(méi)有砌石剝落、塌陷情況。

（2）北運(yùn)河節(jié)制閘交通橋混凝土碳化深度在13.5mm～15.3mm之間；檢修橋混凝土碳化深度在10.5mm～12.5mm之間；工作門(mén)導(dǎo)向柱混凝土碳化深度在6.2mm～6.8mm之間；閘墩混凝土碳化深度在6.8mm～7.3mm之間；翼墻混凝土碳化深度在20.7mm～24.2mm之間。

（3）采用回彈法和鉆芯法進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。節(jié)制閘交通橋、檢修橋、工作門(mén)導(dǎo)向柱回彈法檢測(cè)強(qiáng)度推定值在25.3MPa～28.6MPa之間，鉆芯法檢測(cè)強(qiáng)度值在27.8MPa～30.2MPa之間，均滿足C25的設(shè)計(jì)要求；閘墩和翼墻回彈法檢測(cè)強(qiáng)度推定值在22.7MPa～29.9MPa之間，鉆芯法檢測(cè)強(qiáng)度值在26.6MPa～32.5MPa之間，均滿足C20的設(shè)計(jì)要求；閘底板混凝土鉆芯法檢測(cè)強(qiáng)度值為41.7MPa，滿足C20的設(shè)計(jì)要求。

表1 過(guò)流400m3 /s所需閘門(mén)開(kāi)度

表2 滲流穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 消能防沖計(jì)算成果表

圖2 消力池縱剖面圖

3.2 金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)

北運(yùn)河節(jié)制閘與閘門(mén)和啟閉機(jī)相關(guān)的水力學(xué)條件、水工建筑物無(wú)異常跡象，附屬設(shè)施完善、有效。北運(yùn)河節(jié)制閘整體及主要構(gòu)件無(wú)折斷、損傷和局部明顯變形，閘門(mén)和啟閉機(jī)的零部件也無(wú)損傷、變形、脫落情況，閘門(mén)止水裝置完好，閘門(mén)表面涂層完好，未見(jiàn)銹蝕現(xiàn)象。

4 水閘安全復(fù)核計(jì)算

4.1 泄流能力復(fù)核

設(shè)計(jì)洪水位為5.75m，控制泄流量為400m3/s，相應(yīng)下游水位為5.19m；校核洪水位為6.5m，控制泄流量400m3/s，相應(yīng)下游水位為5.19m。

節(jié)制閘為平底胸墻式水閘。計(jì)算工況下，水流流態(tài)為孔流。根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，控制泄流400m3/s所需閘門(mén)開(kāi)度見(jiàn)表1。

從表1可知，設(shè)計(jì)水閘過(guò)流能力可以滿足控泄400m3/s的要求，并且有一定的富裕度。

4.2 閘頂高程復(fù)核

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，擋水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高之和；泄水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)小于設(shè)計(jì)洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高值之和。北運(yùn)河節(jié)制閘以泄水為主，擋水不起控制作用。北運(yùn)河節(jié)制閘級(jí)別為1級(jí)，相應(yīng)的水閘安全超高下限值分別為1.5m（設(shè)計(jì)洪水位）和1.0m（校核洪水位）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定節(jié)制閘的閘頂高程應(yīng)為7.5m。閘頂現(xiàn)狀高程為7.683m，滿足規(guī)范要求。

4.3 滲流穩(wěn)定復(fù)核

采用規(guī)范推薦的改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)三種工況進(jìn)行計(jì)算：①上游水位5.75m，下游水位0.68 m；②上游水位5.75m，下游水位5.19m；③上游水位6.5m，下游水位5.19m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

復(fù)核結(jié)果表明：北運(yùn)河節(jié)制閘水平段允許滲流坡降，出口段允許滲流坡降。三種工況下，閘底的水力坡降均小于允許滲流坡降，閘室滲流穩(wěn)定滿足要求。

4.4 閘室穩(wěn)定復(fù)核

原設(shè)計(jì)閘室基礎(chǔ)穩(wěn)定由木樁和灌注樁共同承擔(dān)，其樁徑和樁數(shù)由水平荷載來(lái)確定，故本次復(fù)核仍以水平荷載復(fù)核其閘室的穩(wěn)定。

本工程，地震工況為最危險(xiǎn)工況，故選取地震工況對(duì)閘室受力進(jìn)行復(fù)核。據(jù)1∶400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306-2001），工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相當(dāng)于地震烈度Ⅶ度。

由于樁基礎(chǔ)的物理性質(zhì)與力學(xué)參數(shù)均未發(fā)生變化，因此仍沿用原設(shè)計(jì)的樁的承載能力。木樁的水平承載力為7kN，灌注樁的水平允許承載力為206kN。

中墩底板為承臺(tái)結(jié)構(gòu)，1990年除險(xiǎn)加固前閘室底板基礎(chǔ)為木樁，每塊底板下有木樁117根，1990年加固時(shí)，每塊底板下增設(shè)14根灌注樁，分兩排對(duì)稱布設(shè)于靠中墩兩側(cè)。增設(shè)灌注樁后，每根灌注樁周邊的3根木樁不能充分發(fā)揮作用，設(shè)計(jì)中為安全計(jì)不考慮其水平承載力。另外，每孔閘下有11根木樁不在計(jì)算范圍之內(nèi)，故每孔閘只有64根木樁能充分發(fā)揮作用。

由荷載計(jì)算可知，地震工況下，承臺(tái)承受的水平荷載為3323.3kN。

每根木樁的水平承載力為7kN，每根灌注樁的水平承載力為206kN，故樁基總體的承載力為：

故樁基承載力滿足水平承載力要求。

4.5 消能防沖復(fù)核

本工程消能工為綜合式消力池，消力池平縱剖面見(jiàn)圖2。

在控制泄量400m3/s的情況下，水流沖擊最大，消能情況最不利。故分設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位兩種工況，根據(jù)水閘計(jì)算規(guī)范，分別計(jì)算最大泄量下的消能情況。計(jì)算成果詳見(jiàn)表3。

由表3可知：消力池內(nèi)可達(dá)到淹沒(méi)出流，滿足消能要求；海漫長(zhǎng)度為34m，大于計(jì)算值，滿足消能要求。故節(jié)制閘消能工可以良好解決下泄水流消能問(wèn)題。

4.6 閘門(mén)及啟閉機(jī)復(fù)核

經(jīng)金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)單位對(duì)閘門(mén)檢測(cè)，閘門(mén)表面涂層基本完好。在設(shè)計(jì)水位下，工作閘門(mén)面板、主梁、次梁、吊耳、主輪及主軌強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求。啟閉機(jī)容量滿足要求。檢修閘門(mén)及啟閉設(shè)備滿足要求。

4.7 機(jī)電設(shè)備復(fù)核

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，目前北運(yùn)河節(jié)制閘用電負(fù)荷及設(shè)備項(xiàng)目沒(méi)有發(fā)生變化，且經(jīng)每年例行的檢修和維護(hù)，目前電氣設(shè)備運(yùn)行良好，未遇到問(wèn)題，滿足規(guī)范和運(yùn)行要求。

5 北運(yùn)河節(jié)制閘安全評(píng)價(jià)

根據(jù)對(duì)北運(yùn)河節(jié)制閘的現(xiàn)狀調(diào)查、安全檢測(cè)和工程計(jì)算復(fù)核成果的分析，北運(yùn)河節(jié)制閘運(yùn)用指標(biāo)能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)影響正常運(yùn)行的缺陷，按常規(guī)維修養(yǎng)護(hù)即可保證正常運(yùn)行。本次安全鑒定將北運(yùn)河節(jié)制閘評(píng)定為一類閘。

節(jié)制閘在汛期運(yùn)用中，小開(kāi)度泄洪情況較多，由于閘控樓與閘室的位置基本在一軸線上，在操作中對(duì)開(kāi)度控制很困難，建議增設(shè)閘門(mén)開(kāi)度顯示裝置。

水閘安全鑒定是確保水閘安全運(yùn)行的重要措施，也是實(shí)施水閘除險(xiǎn)加固的重要的前期工作，為確保工程的安全運(yùn)行，充分發(fā)揮工程效益，提供必要可靠的依據(jù)。通過(guò)此次水閘安全鑒定，可直觀了解北運(yùn)河節(jié)制閘的安全狀態(tài)，有利于防汛調(diào)度和運(yùn)行管理，并為今后類似除險(xiǎn)加固工程的安全鑒定提供參考和借鑒。陜西水利