響水引水閘安全復核計算與分析

蔣禮瑜

(通榆河薔薇河送清水工程管理處灌河響水地涵管理所,江蘇 鹽城 224600)

1 工程概況

響水引水閘位于江蘇省鹽城市響水縣，為通榆河北延送水工程的引水建筑物，工程位于響水船閘上閘首以南約950.0 m處，距引水河口240.0 m，工程于2009年建成，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，主、次要水工建筑物分別為3級、4級。

引水閘共2孔，每孔凈寬8.0 m，閘室總寬19.1 m，閘室長15.0 m；閘底板頂高程為-1.0 m，閘頂高程5.5 m；閘上交通橋采用現澆結構，橋面寬度15.5 m；工作橋寬度5.0 m，橋面高程15.0 m，工作橋上設啟閉機房，啟閉機房寬度4.6 m，凈高3.5 m；啟閉機房北側設控制室，三層框架結構。

工作閘門采用直升式平面定輪鋼閘門，由繩鼓式啟閉機啟閉，門頂高程5.0 m，共2扇；上、下游翼墻為鋼筋混凝土扶壁或懸臂式結構，墻頂面高程分別為5.5 m、4.0 m；上游護底長40.0 m，上游護坡延長至護底外21.0 m；下游消力池長15.0 m，消力池以下為30.0 m長的漿砌石護底和6.0 m寬拋石防沖槽，下游護坡延長至防沖槽外15.0 m。

響水引水閘主要作用是向連云港市送水期間開閘引水，設計流量50 m3/s；非送水期關閘擋水，最高擋水位4.5 m。2012年4月沿線工程聯合試運行，10日內完成啟閉23次，泄放水量近3000.0萬m3;2017年為灌南縣田樓水廠試供水，歷時8 d，累計有效供水69.4萬m3。

2 安全評價與復核計算

2.1 土建檢測

響水引水閘邊墩、排架、翼墻混凝土強度分別為25.73 MPa、25.58 MPa、24.87 MPa，滿足原設計要求；各處碳化深度分布均勻，值在5.5～19.0 mm之間，表面基本完好；實測混凝土保護層厚度均大于最大碳化深度，保護層評定標度為1，對結構鋼筋耐久性的影響不顯著。

2.2 金屬電氣結構檢測

響水引水閘鋼閘門整體及主要構件無折斷、損傷；閘門軌道、滾輪正常；閘門止水完整；焊縫質量符合要求；蝕余厚度符合要求；涂層厚度符合要求。引水閘啟閉機及其附屬設施完整，運行正常；啟閉機主要零部件無損傷、裂紋、變形和缺件；電動機運行正常；聯軸器、軸承正常；控制柜標識清晰，啟動設備信號齊全；保護系統、動力系統狀態良好，運行正常；制動輪、齒輪硬度符合要求。

2.3 安全復核計算

2.3.1 防洪標準復核

防洪標準按復核要求：閘頂高程≥設計(校核)防洪水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高；風速根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[1]計算，基本組合時計算風速為27.1 m/s，特殊組合時計算風速為18.1 m/s；根據水閘工程等級，對應的波列累積頻率取5%；安全超高按《水閘設計規范》(SL 265—2016)[2]取定。計算得閘墩頂高程成果如表1所示。最大計算高程為5.2 m，工程實際高程為5.5 m，防洪標準滿足要求。

表1 閘墩頂高程計算成果表

2.3.2 滲流復核計算

響水閘滲流復核計算水位組合為：設計工況下，上游水位3.0 m、下游水位2.0 m；校核工況下，上游水位4.5 m、下游水位2.0 m；考慮Ⅵ度地震工況下，上游水位3.0 m、下游水位2.0 m。滲流計算采用上下游水位差最大時，即校核工況下的水位進行滲流計算。

閘基持力層為重黏土質淤泥，根據規范允許滲徑系數為2～3，取[C]=3。運行情況下其實際值為：L實=32.6 m，ΔH=2.5 m，則有C=L實/ΔH>[C]，因此閘基底板防滲長度滿足要求。

根據閘室地下輪廓的特點，采用改進阻力系數法計算閘室滲流，各典型段阻力系數計算公式如：

(1)進、出口段如式(1)：

(1)

式中：ζ0為進、出口段的阻力系數；S為板樁或齒坎的入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

(2)內部垂直段如式(2)：

(2)

式中：ζy為內部垂直段的阻力系數;Ln為垂直段長度，m。

(3)內部水平段如式(3)：

(3)

式中：ζx為水平段的阻力系數；Lx為水平段長度，m；S1、S2為進出口段板樁或齒墻的入土深度，m。

(4)進、出口段水頭修正，如式(4)、式(5)：

(4)

(5)

計算得各典型段末滲壓水頭成果如表2所示。

表2 各典型段末滲壓水頭修正表 m

由于持力層為重黏土質淤泥，取[J0]=0.60～0.70，[Jx]=0.30～0.40。滲流出口處平均滲透坡降J0=0.42<[J0]，水平段最大滲透坡降Jx=0.054<[Jx] 。

綜上水平坡降、出口坡降均滿足規范要求。

2.3.3 穩定復核計算

閘室抗滑穩定安全系數按式(6)計算：

(6)

式中:Kc為抗滑穩定安全系數；∑G為作用于閘底面以上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用于閘室上的全部水平向荷載,kN；f為閘室底板底面與地基之間的摩擦系數，取0.25。

地基應力按式(7)計算：

(7)

式中:pmax(min)為閘室基礎底面應力的最大值或最小值, kPa；∑M為作用于閘室的全部豎向和水平荷載對于基礎底面垂直水流向的形心軸的力矩, kN·m；W為閘室基礎底面對于該底面垂直水流向的形心軸的截面矩, m3；A為閘底板底面與地基接觸面積,m2。在各計算工況下響水引水閘的抗滑穩定安全系數、地基應力及其地基應力不均勻系數的計算成果如表3所示。

表3 響水引水閘閘室穩定復核計算成果表

可以得出，響水引水閘在各工況下的抗滑穩定安全系數、地基應力不均勻系數在各工況下均滿足規范要求。同理計算上下游翼墻抗滑穩定性，在各工況上下游翼墻抗滑穩定安全系數和地基應力不均勻系數均滿足規范要求。

2.3.4 結構復核計算

采用三維有限元方法分析引水閘結構，根據該工程的結構特征和受力特點，將閘室、地基一起建模，并考慮相互作用，各種結構離散成四面體單元等參單元，荷載按有關規范進行處理。響水引水閘工程整體三維有限元模型如圖1所示。

圖1 引水閘整體三維有限元模型圖

按照上述計算模型和參數，對響水引水閘閘室結構的各工況進行了空間有限元計算。求出了各種工況下閘室結構在荷載作用下的各點位移、應力[3-4]。

計算得閘室結構最大沉降位移發生在校核水位工況，最大沉降量為8.81 mm，最大沉降差為1.33 mm，滿足規范要求；水平方向位移均較小，最大值發生在校核水位工況，為0.425 mm，整體結構的空間位移均較小，整體結構的穩定性較好。各工況下閘室結構最大主應力主要分布在閘墩及底板銜接處，閘身混凝土結構最大主應力≤1.25 MPa，閘墩最大主應力≤1.13 MPa，結構抗拉強度滿足要求。

2.3.5 過流能力復核計算

過流能力采用式(8)計算：

(8)

當堰流處于高淹沒度(hs/H0≥0.9)時采用式(9)計算：

(9)

式中：Q為過閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計入行進流速水頭的堰上水深，m；m為堰流流量系數；ε為堰流側收縮系數；σ為堰流淹沒系數；hs為堰頂起算的水深，m;μ0為淹沒堰流的綜合流量系數。

計算得響水引水閘過流流量為68 m3/s，各種工況下均滿足要求。

2.3.6 鋼閘門安全復核計算

校核工況下閘門受到的總水壓力最大，對閘門的結構進行復核計算。

閘門面板厚取9.46 mm選擇5號梁進行復核計算，l0=1352 mm，b=900 mm，l0/b=1.502，ξ1=0.581。面板兼做主梁翼緣的有效寬度B=ξ1b=523 mm，B≤60δ+b1=568 mm。因此B取523 mm。σ1=111.83 kN/m<0.9[σ]=144 N/mm2，σ2=92.74 kN/m<0.9[σ]=144 N/mm2，閘門主梁強度滿足要求。

主梁撓度計算可將主梁視為在計算跨度內受均布水壓力，其最大撓度按下式計算：fmax=9.4 mm<[f]=10.83 mm，主梁剛度滿足要求。

閘門面板長邊中點應力較大，選取該區來驗算其長邊中點的折算應力，面板的邊長比b/a=1.88>1.5，驗算面板的折算應力41.54 N/mm2，σzh=123.08 N/mm2<1.1α[σ]=264 N/mm2，鋼閘門蝕余厚度符合要求，面板強度滿足要求。

經計算：閉門力FW=-12.37 kN，可依靠自重關閉閘門；啟門力FQ=193.63 kN，選用QP2×160 kN雙吊點卷揚式啟閉機滿足要求。

綜上響水閘工程閘門結構滿足標準要求。

3 結 語

響水引水閘建成運行以來，嚴格遵守工程調度運用原則，健全了管理制度和操作規程；工程設施完好，維修養護及時，安全管理評價為A級；響水引水閘邊墩、排架、翼墻表面基本完好，檢測結果均滿足標準要求，運行中未發現質量缺陷，工程質量評定為A級；經檢測分析，啟閉機性能狀態符合要求；閘門總體性能符合要求；金屬結構總體性能符合要求，所檢金屬結構質量為A級，機電設備質量為A級；防洪標準安全評定為A級，滲流安全評定為A級；結構安全滿足標準要求，評定為A級。經綜合分析評價，工程質量、運用指標基本達到設計標準，無影響正常運行的缺陷，按常規維修養護即可保證正常運行，響水引水閘工程安全類別為一類閘。