前柳林泄洪閘安全評價

柴江飛,張洪濤,王俊鵬,邢 遠,王曉東,李兆宇

(1.北京市京密引水管理處，北京 101400；2．中國水利水電科學研究院，北京 100048；3．黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

前柳林泄洪閘位于京密引水渠上，建成于1966年。閘室結構為開敞式，共計兩孔，閘門型式為平板鋼閘門，閘門寬2.5 m，高3.5 m。水閘設計流量30 m3/s，設計水位高程為50.42 m。泄洪閘閘室段長7 m，閘室底板高程47.51 m，閘室底板厚0.7 m，閘室下為分層夯實的黏性回填土。啟閉設備為2臺100 kN螺桿式啟閉機。地震基本烈度為Ⅷ度。

前柳林泄洪閘工程自投入運行以來，發揮了巨大的經濟效益和社會效益，但自投入運行至今未進行過系統的檢測與安全評估。為確保前柳林泄洪閘安全運行，消除工程安全隱患，根據《水閘安全鑒定規定》(SL 214—2015)[1]和相關文獻[2-4]，開展了安全評價，包括工程現狀調查分析、現場安全檢測(混凝土結構與金屬結構)、工程復核計算分析。

2 工程現狀調查分析

前柳林泄洪閘的工程現狀調查分析，主要包括運行管理情況和工程安全狀態現狀兩個方面。通過查閱運行管理、觀測等技術資料，結合現場工程現狀全面檢查的情況，對工程現狀進行綜合分析。工程現狀調查基本結論如下：

(1)前柳林泄洪閘由溫泉管理所負責管理運行，工程管護范圍明確可控，管理人員定崗定編明確，規章制度齊全并予以落實，能夠滿足管理要求。

(2)前柳林泄洪閘工程設施總體完好，能夠得到有效的維護。混凝土結構外觀良好，局部存在裂縫和混凝土剝蝕的現象。閘門整體狀況完好，啟閉機設備外觀狀況良好，性能狀況基本正常，閘門和啟閉機表面及零部件存在局部銹蝕現象。

(3)基于工程現狀調查分析，前柳林泄洪閘需要進一步進行混凝土結構、鋼閘門、啟閉設備的質量檢測，且需進行防洪標準、結構安全、滲流安全、抗震安全、金屬結構安全以及機電設備安全等方面的安全復核。

3 混凝土結構安全檢測

混凝土現場質量檢測的范圍主要包括混凝土閘室、上下游連接段、消力池等部位的混凝土結構等。主要針對混凝土現狀調查、混凝土強度、裂縫情況、混凝土鋼筋保護層厚度、混凝土碳化深度以及鋼筋銹蝕程度等內容開展了檢測分析。

檢測結果表明：目前前柳林泄洪閘混凝土整體外觀良好，局部出現裂縫、剝蝕等病害。采用水下機器人對水下混凝土工程進行檢查，通過拍攝照片可以判斷前柳林泄洪閘水下部分混凝土總體外觀質量良好，無明顯缺陷。無損強度檢測[5]和鉆芯法強度檢測[6]混凝土強度高于30.0MPa，滿足原設計要求；表面波檢測得混凝土內部質量均勻；碳化深度檢測表明碳化深度較淺，小于混凝土保護層厚度；關鍵位置鋼筋未見明顯銹蝕；下游左邊墩存在深度分別為27 mm和63 mm的2條裂縫，其中一條裂縫深度較深，建議采取措施進行修補。

混凝土結構安全檢測表明，前柳林泄洪閘混凝土安全檢測結果基本滿足標準要求，存在的部分質量缺陷不影響整座水閘的安全運行。

4 金屬結構安全檢測

為了解前柳林泄洪閘金屬結構存在的問題與缺陷，需對金屬結構進行檢測，旨在對其安全性進行評價，為后續金屬結構的修繕或更換提供科學依據。金屬結構安全檢測具體內容包括閘門安全檢測和啟閉機安全檢測兩部分。

4.1 閘門安全檢測

閘門的安全檢測內容主要包括閘門外觀檢測、腐蝕量檢測、材料檢測、以及焊縫無損探傷檢測。

前柳林泄洪閘兩扇工作閘門總體狀況相似，閘門整體狀況完好，主要構件未見損傷變形。綜合試樣材料化學成分分析、硬度及抗拉強度的檢測結果，確定閘門主要構件所使用的材料為碳素結構鋼Q235。泄洪閘工作閘門焊縫超聲波探傷結果表明閘門面板對接焊縫存在1處未焊透制造缺陷(缺陷當量為RL+3.2 dB)，但未焊透，深度未超過《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》(GB/T 14173—2008)[7]規定的要求，允許存在，無須處理，其余受檢焊縫均未發現有缺陷存在。閘門主要構件如主輪、側導裝置、止水裝置均存在主體輕微腐蝕，門槽導軌局部有銹坑，門槽埋件底部20cm范圍內腐蝕較重，有銹皮脫落現象。

4.2 閘門啟閉機檢測

前柳林泄洪閘配備2臺手電兩用螺桿式啟閉機，一機一門擔負2扇平面鋼閘門的啟閉任務。檢測發現，啟閉機運行控制系統控制功能設置健全，設備維護保養狀況良好，啟閉機設備狀況及運行狀況總體正常。在實測水位(49.33 m)下，對啟閉機啟閉力進行了測試，結果顯示啟閉機實測最大啟門力為30.6 kN，小于啟閉機的額定容量(100.0 kN)；閘門實測最小閉門力為-9.0 kN，閘門能依靠自重關閉。

現場檢測也發現了啟閉機設備存在的一些問題：啟閉機無過負荷保護裝置和螺桿抗壓安全保護裝置；兩臺啟閉機螺桿普遍存在壓彎變形現象；螺桿上閘門吊點至螺紋終止線之間的光桿部分銹蝕現象明顯。

5 安全復核分析

基于現場安全檢測結果，依據現行設計標準，根據水閘最新的規劃流量和設計指標，對水閘進行安全復核分析，以綜合評估水閘的安全狀況。主要安全復核分析內容包括：防洪標準復核、結構安全復核、滲流安全復核、抗震安全復核以及金屬結構安全復核。

5.1 防洪標準復核

設計水位高程為50.42 m時，前柳林泄洪閘處于非高淹沒度，按照非高淹沒度公式進行復核計算。水閘設計流量為30 m3/s，上下游水深分別為2.91 m和2.70 m，計算得閘孔總凈寬為4.54 m，目前閘孔總凈寬為5.00 m，因此在設計洪水位工況下閘孔凈寬滿足過流能力要求。

根據閘頂高程復核計算結果(見表 1)，在設計水位下，閘頂高程應不低于51.12 m，現狀前柳林泄洪閘閘頂高程為51.22 m，大于防洪高程，因此閘頂高程滿足防洪要求。

5.2 抗滲安全復核

采用改進阻力系數法對閘基滲透穩定進行復核計算，復核計算得水平段滲流坡降為0.088，出口段滲流坡降為0.267。閘基范圍內基礎為回填黏土，根據規范GB/T 14173—2008要求，出口段允許的滲流坡降值為0.6～0.7，水平段允許的滲流坡降值為0.3～0.4。根據滲流穩定復核結果，前柳林泄洪閘在設計洪水位工況下水平段和出口段的滲流坡降分別小于規定值，滿足規范要求。

表1 閘頂高程復核計算結果 m

5.3 結構安全復核計算

水閘結構安全復核計算包括閘室穩定復核、啟閉機工作橋大梁復核和消能防沖安全復核，對工程結構在目前運行工況下的穩定性進行復核分析。

5.3.1 閘室穩定計算

閘室穩定計算取相鄰順水流向永久縫之間的閘段作為計算單元，在設計水位工況下，前柳林泄洪閘在設計工況閘室基底應力最大值為33.67 kPa，小于地基承載力標準值210 kPa；基底應力的最大值與最小值之比未超過規范規定值2.0，滿足規范要求；閘室抗滑穩定安全系數為2.55，滿足規范要求。綜上，前柳林泄洪閘的閘室穩定滿足規范要求，能夠保證建筑物安全運行。

表2 閘室結構穩定計算結果

5.3.2 工作橋大梁復核計算

5.3.3 消能防沖安全復核

消能防沖安全復核計算依據規范《水閘設計規范》(SL 265—2016)[8]中附錄B的規定開展。經復核，設計流量下消力池的深度應不小于0.35 m，長度應不小于10.4 m，厚度應不小于0.9 m，現行條件下消力池的實際深度為0.90 m，實際長度為15.0 m，始端和末端的厚度分別為1.3 m和0.9 m，因此消力池的深度、長度和底板厚度均能滿足規范中對消力池消能防沖的要求。

5.4 抗震穩定

前柳林泄洪閘工程區地震動峰值加速度為0.2 g，地震動反應特征譜周期為0.35 s，根據規范GB/T 14173—2008的要求，采用擬靜力法進行復核計算，采用0.2 g的地震動峰值加速度代表值對水閘設計水位工況下地震情況的抗滑穩定和壩基面應力進行了復核計算，計算結果表明在Ⅷ度地震情況下，閘室基底應力最大值為36.54 kPa，小于地基承載力標準值210.00 kPa；基底應力的最大值與最小值之比為1.22，未超過規范規定值2.0，能滿足規范要求；閘室抗滑穩定安全系數為1.72，滿足規范要求。因此水閘的抗滑穩定和建基面應力均滿足規范要求，抗震措施有效。地震工況下閘室結構穩定計算結果如表 3所示。

表3 地震工況下閘室結構穩定計算結果

5.5 金屬結構安全復核

閘門構件材料為Q235鋼。閘門構件的厚度均小于等于20 mm，屬于鋼材尺寸分組中的第2組，考慮閘門使用年限，取容許應力的修正系數k=0.95×0.95=0.9025，可得閘門金屬材料的抗拉、抗壓和抗彎容許應力[σ]為135.37 MPa，抗剪容許應力[τ]為81.22 MPa。

考慮閘門靜力壓力水頭為3.50 m的工況，對閘門上、下主橫梁按實腹式梁進行復核計算，將小橫梁按連續梁進行內力計算，將邊柱按簡支梁進行內力計算，根據各橫梁邊柱的截面特性，分別計算橫梁和邊柱的截面應力。截面最大應力計算結果如表 4所示，橫梁和邊柱的最大正應力σmax和剪應力τmax均小于容許應力[σ]和[τ]，因此泄洪閘金屬結構滿足標準要求。

表4 金屬結構最大應力計算結果

6 結 論

以工程現狀調查為基礎，對前柳林泄洪閘開展了現場混凝土及金屬結構檢測，同時對防洪標準、結構安全、滲流安全、抗震安全、金屬結構安全以及機電設備安全等方面進行了安全復核，評價結果可為前柳林泄洪閘的安全運行管理工作提供依據。

前柳林泄洪閘工程設施總體完好，能夠得到有效的維護，工程安全狀態較好。混凝土強度滿足原設計要求，內部質量均勻；碳化深度較淺，小于混凝土保護層厚度；關鍵位置鋼筋未見明顯銹蝕；局部區域混凝土結構存在裂縫剝蝕等輕微老化病害現象。工作閘門整體狀況良好；主要構件存在整體輕微腐蝕。啟閉機設備布設規范、附屬設施配置齊全、運行狀況整體良好；局部位置存在銹蝕現象。閘孔過流能力、結構安全、滲流安全、抗震安全、金屬結構安全以及機電設備安全復核計算結果均滿足規范要求。

綜合現場檢測和復核分析結果，前柳林泄洪閘安全綜合評價為二類閘。建議后續應采取適當工程措施對閘墩、底板、翼墻、工作橋等構件的混凝土局部剝蝕和裂縫進行修補加固處理，對檢出的閘門和啟閉機零部件、結構件銹蝕部位，進行除銹、防銹處理，預防工程的進一步老化銹蝕，避免出現嚴重險情。