武障河閘擴(kuò)建工程中現(xiàn)狀老閘安全復(fù)核計(jì)算分析

王楊潔

（連云港市鹽東水利工程管理處,江蘇 連云港 222500）

1 工程概況

灌南縣武障河閘位于新安鎮(zhèn)境內(nèi)武障河與鹽河交匯處東側(cè)約500 m處（平面位置示意圖見圖1）,是鹽東控制工程的骨干工程之一,其主要工程任務(wù)有排澇入海、擋潮御鹵、蓄水灌溉等。武障河閘建于20 世紀(jì)60 年代~70 年代,原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3 級(jí)建筑物,原河閘共14 孔總凈寬88 m,其中,12 個(gè)中孔閘門寬為6 m,兩邊孔為通航孔凈寬8 m,閘底采用混凝土反拱式,順?biāo)鏖L(zhǎng)14 m, 邊孔底板寬9.6 m,閘頂高程4.5 m,底板高程-2.5 m,鋼板閘門直升門,閘墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),公路橋?yàn)榱喊褰Y(jié)構(gòu),橋面寬7 m,工作橋?qū)?.5 m,橋面高程為11.7 m,采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)[1]。 由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、以及工期等因素的影響和限制,原水閘在設(shè)計(jì)、施工方面不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,從 1976 年運(yùn)行至今,水閘已經(jīng)過多次除險(xiǎn)加固,但仍然存在較大的安全隱患,經(jīng)安全鑒定為 三類閘,本文通過對(duì)武障河閘老閘進(jìn)行安全復(fù)核計(jì)算分析,為確定河閘除險(xiǎn)加固方案提供指導(dǎo)和參考依據(jù)。

圖1 武障河閘平面位置示意

2 存在的問題

鹽東控制武障河閘工程建設(shè)時(shí)因受技術(shù)、經(jīng)費(fèi)、材料等因素限制,采用了素混凝土反拱底板、預(yù)制砼薄殼拼裝等結(jié)構(gòu)形式,閘門門頂高程僅為3.0 m,擋潮高度不足。2015 年,武障河閘經(jīng)安全鑒定被評(píng)定為三類閘,安全鑒定后一直沒有采取除險(xiǎn)加固措施,但經(jīng)近幾年運(yùn)行發(fā)現(xiàn),工程存在問題進(jìn)一步加劇,特別是閘室底板縱向通縫進(jìn)一步增多,存在重大安全隱患,閘門、啟閉機(jī)長(zhǎng)期頻繁高負(fù)荷運(yùn)行、部分電氣設(shè)備老化,給運(yùn)行管理帶來很大的不便。水閘雖經(jīng)過多次除險(xiǎn)加固, 但對(duì)水下部分基本沒有加固處理。2017 年3 月水下檢查結(jié)果及近幾年管理單位運(yùn)行管理過程中發(fā)現(xiàn)的問題,該閘目前存在較多安全隱患,水閘帶病運(yùn)行,本次水閘安全評(píng)定中工程質(zhì)量分級(jí)為C級(jí),評(píng)定武障河閘工程為三類水閘。

3 安全復(fù)核分析

本文按新的規(guī)劃水位對(duì)武障河現(xiàn)狀閘進(jìn)行安全復(fù)核計(jì)算分析[2],計(jì)算內(nèi)容包括閘頂高程復(fù)核、過流能力復(fù)核、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核等方面。

3.1 閘頂高程復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）第4.2.4 條,泄洪時(shí)閘頂高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)及校核洪水位加相應(yīng)安全超高值,關(guān)門時(shí)應(yīng)高于設(shè)計(jì)及校核洪水位加波浪計(jì)算高度和相應(yīng)安全超高值[3],波浪高度按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算,兩種工況閘頂高程復(fù)核成果見表1。

表 1 閘頂高程復(fù)核成果表

從表1可知,現(xiàn)狀閘墩頂高程4.5 m,小于復(fù)核水位組合下計(jì)算所需的閘頂高程,故現(xiàn)狀閘閘頂高程不能滿足規(guī)范要求。

3.2 水力復(fù)核計(jì)算

（1）過流能力復(fù)核

根據(jù)工程規(guī)模分析中鹽東控制布局優(yōu)化成果,武障河閘原址擴(kuò)建設(shè)計(jì)流量為848 m3/s,武障河閘現(xiàn)狀閘孔凈寬88 m,根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A.0.1堰流流量公式, 對(duì)現(xiàn)狀閘孔過流進(jìn)行復(fù)核,本文不再單列公式,計(jì)算成果見表2。

表 2 過閘流量復(fù)核成果表

計(jì)算成果表明武障河閘閘孔凈寬不滿足最近規(guī)劃過流的要求。

（2）消能防沖復(fù)核計(jì)算

1）消力池計(jì)算

閘室現(xiàn)狀下游設(shè)鋼筋混凝土綜合式消力池,總長(zhǎng)19 m,斜坡長(zhǎng)4 m,消力檻頂高程為-2.50 m,消力池底板面高程為-3.50 m,底板始端厚度為1.1 m,末端厚度為0.6 m。海漫長(zhǎng)度為45 m。消力池深度和長(zhǎng)度分別按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B中公式進(jìn)行計(jì)算,本文不在列出,消力池計(jì)算成果見表3。

表 3 消力池計(jì)算成果表

計(jì)算成果表明,現(xiàn)狀消力池長(zhǎng)度偏短,消力池深度、底板厚度滿足要求。

2）海漫及防沖槽計(jì)算

海漫長(zhǎng)度和河床沖刷深度復(fù)核計(jì)算應(yīng)根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄 B.2.1 和附錄 B.3.1 公式計(jì)算[4],經(jīng)計(jì)算,現(xiàn)狀海漫長(zhǎng)度為30 m,小于計(jì)算值51.65 m,故現(xiàn)狀海漫長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求,復(fù)核成果見表4。河床沖刷深度最大值為15.44 m,考慮塊石蓋護(hù)厚度0.5 m,沖坑邊坡為1∶2（根據(jù)有關(guān)資料,粘土邊坡系數(shù)m推薦值2.0~4.0）,所需消力池?cái)嗝婷娣e為31.83 m2,實(shí)際設(shè)防沖槽消力池?cái)嗝婷娣e為3.375 m2,故消力池防沖槽斷面不滿足規(guī)范要求,即沖刷深度不滿足規(guī)范要求。河床沖刷深度復(fù)核成果見表5。

表 4 海漫長(zhǎng)度復(fù)核成果表

表 5 河床沖刷深度復(fù)核成果表

3）滲流復(fù)核計(jì)算

武障河閘基防滲長(zhǎng)度L=45 m,上、下游最大水位差發(fā)生在反向校核工況,上游水位H上=3.60 m,下游水位H下=-2.22 m,故ΔH=5.82 m。閘基土層為粉質(zhì)粘土, 根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.3.2,取有濾層的粘土地基允許滲徑系數(shù)為 3,故閘室縱向防滲長(zhǎng)度按規(guī)范要求根據(jù) L=CΔH（《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3.2）,計(jì)算得允許滲徑長(zhǎng)度L=17.46 m,另經(jīng)計(jì)算,側(cè)向繞滲長(zhǎng)度為22.4 m,故閘基防滲長(zhǎng)度、側(cè)向繞滲長(zhǎng)度均滿足設(shè)計(jì)要求,但4#孔閘底板在上游閘門中間一條縱向裂縫向上游延伸,長(zhǎng)度6.8 m,存在滲徑長(zhǎng)度不足的安全隱患。

3.3 閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算

武障河閘底板為連拱反拱結(jié)構(gòu),底板共分 4 聯(lián),兩邊孔各為一聯(lián),中間12 孔分為六孔一聯(lián),共二聯(lián),邊孔底板拱腳處高程-2.17 m,中間12 孔底板拱腳處高程-2.5 m,14 孔拱底處高程均為-3.0 m。穩(wěn)定復(fù)核時(shí),取邊孔一聯(lián)和中跨六連孔一聯(lián)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

根據(jù)《連云港市武障河閘加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》,閘室持力層為黃色粉質(zhì)粘土,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般10~15擊。該層土的土質(zhì)指標(biāo) C=28 kPa~32 kPa、φ=12°~14°, 閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式 7.3.6-2 計(jì)算,其成果見表 6、表 7。

表 6 單孔閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表 6 可知,邊孔閘室正向設(shè)計(jì)和正向校核工況下不均勻系數(shù)和抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,反向設(shè)計(jì)和反向校核工況下不均勻系數(shù)不滿足規(guī)范要求,抗滑安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表 7 六連孔閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表 7 可知,六連孔閘室正向設(shè)計(jì)和正向校核工況下不均勻系數(shù)和抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,反向設(shè)計(jì)和反向校核工況下不均勻系數(shù)不滿足規(guī)范要求,抗滑安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

綜上所述,根據(jù)計(jì)算成果,現(xiàn)狀水位組合下,閘室抗滑安全系數(shù)仍能滿足規(guī)范要求,但部分工況下不均勻系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

3.4 閘底板、閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

（1）閘底板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

本工程閘底板原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)C20,底板按無鉸拱計(jì)算,同時(shí)考慮外荷載及拱腳不均勻沉陷引起的內(nèi)力,確定外荷載時(shí)考慮地基反力按反拱底面積及墩基底面積 比例分配,反拱與墩基各占50%兩種情況,取其大值。閘室以閘門底止水與底板交接處為界,分為上游段（長(zhǎng)9.55 m和下游段（長(zhǎng)4.45 m）分別計(jì)算,垂直水流向取單寬1 m, 拱腳不等沉陷引起的內(nèi)力按圓弧無鉸拱彈性中心法計(jì)算,假定中孔拱腳不等沉陷0.2 cm, 邊孔不等沉陷0.3 cm。經(jīng)計(jì)算,中孔、邊孔內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表 8。

表 8 底板強(qiáng)度復(fù)核成果

邊聯(lián)底板實(shí)配鋼筋為 Φ16@30,不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,中聯(lián)底板僅拱腳處配筋, 實(shí)配鋼筋為 Φ16@30,不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,且中孔跨中無配筋,不滿足現(xiàn)行《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

（2）閘墩強(qiáng)度復(fù)核

邊墩厚度0.8 m,中墩厚度1.00 m,縫墩厚度0.80 m,墩底高程-2.50 m,順?biāo)飨蜷L(zhǎng)14.0 m,原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)C15,閘墩為素混凝土偏心受壓構(gòu)件,按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中 5.2.2-4 公式：

式中：N 為構(gòu)件正截面承受的軸向壓力計(jì)算值；fc為混凝土的許可壓應(yīng)力,取6.2 N/mm2；φ為素混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù),取 0.74；b、h分別為矩形截面的寬度和高度,m；e0為軸向壓力的偏心距。

閘墩受力主要考慮以下 2 種工況組合：1）閘墩自重、閘墩上部結(jié)構(gòu)自重、啟門力、汽車制動(dòng)力；2）閘墩自重、閘墩上部結(jié)構(gòu)自重、一孔檢修時(shí)水壓力。經(jīng)計(jì)算,混凝土σmax=1.95 MPa

門槽部位縱向按軸心受拉構(gòu)件計(jì)算,取墩條上游段為脫離體,計(jì)算得每米墩條高度范圍內(nèi)所受最大拉力N=94.4 kN。按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.4.1 公式計(jì)算：

式中：N為軸向拉力計(jì)算值,kN；K為承載力安全系數(shù)；fy為縱向鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2；AS為縱向鋼筋的全部截面面積,cm2。

經(jīng)計(jì)算,AS≥5.62 cm2,實(shí)配鋼筋Φ10@25 為3.14 cm2,故門槽順?biāo)鞣较蚺浣畈粷M足規(guī)范要求。

綜上所述,新的水位組合下,上下游水位差加大,底板及閘墩配筋不能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

本文通過新規(guī)劃流量水位組合下,對(duì)老閘進(jìn)行安全復(fù)核,分析可知現(xiàn)狀老閘存在閘孔凈寬不滿足最近規(guī)劃過流的要求,閘孔凈寬不足,閘下消能防沖設(shè)施不足,存在滲徑長(zhǎng)度不足的安全隱患,上下游水位差加大,底板及閘墩配筋不能滿足規(guī)范要求等問題,河閘存在重大的安全隱患,現(xiàn)已無法運(yùn)行,必須提出武障河閘的除險(xiǎn)加固方案和措施,以消除工程安全隱患,保護(hù)該區(qū)域人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。