松林節制閘安全檢測及復核計算分析

張愷躍，吳 瑤，張澤穎，李 萌

（1.北京市城市河湖管理處，北京 100000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100000）

1 工程概況

松林節制閘始建于1950年，分別于1977年和2007年完成改擴建。現有松林節制閘位于北護城河上段（西直門北大街—松林閘）末端、松林船閘右側，是北環水系北護城河段綜合治理工程的一部分，其主要功能為防洪和供水。

松林節制閘閘室為開敞式鋼筋混凝土結構，單孔，閘孔凈寬6.0 m，閘墩厚1.2 m，墩頂高程47.80 m。閘室底板長度12.0 m，底板頂高程42.02 m，底板厚度1.2 m。工作閘門為舌瓣式平板鋼閘門，閘門尺寸為6.0 m×4.6 m，設計閘門總重9.5 t，采用QH-2×100型固定式卷揚啟閉機控制啟閉閘門，啟閉機容量2×100 kN。

閘室上游設置三段C25鋼筋混凝土鋪蓋，每段長度 10.0 m，上游第1、2 段鋪蓋厚度0.4 m，第3段鋪蓋厚度1.0 m。閘室下游設置斜坡段及消力池，長度分別為12.0 m、15.0 m，消力池深度1.0 m。消力池底板及下游護坦分別設置3排A50、A100排水孔，采用PVC管，管內填充豆石，排水孔順水流方向孔距為2.0 m。

最近一次改擴建于2005年10月開工，由北京市京水工程建設有限責任公司承建。開挖時測量人員嚴格控制開挖高程和基礎坡比，留足10 cm由人工挖至設計基礎高，嚴禁超挖，節制閘基礎齒槽由人工修出，齒槽坡比為1∶1。閘基礎部分區域采用砂礫料和豆石進行處理。由于開挖處在冬季，開挖后對基礎面進行保溫。節制閘管理房基礎為樁基，采用人工挖孔樁，成樁過程中部分樁基有較大滲水，對樁基礎進行了固結灌漿處理。

松林節制閘混凝土澆筑基本采用泵送入倉，由于澆筑時正值冬季，為保證混凝土質量，根據設計指標提出專門用于冬季施工混凝土配合比，在混土拌和物中摻加防凍劑，對混凝土出機溫度進行嚴格控制，對成型的混凝土采取暖棚養護，養護溫度控制在22℃左右。

2 松林節制閘安全檢測

2.1 混凝土結構安全檢測

2.1.1 混凝土安全檢測內容

檢測內容如下：

（1）混凝土外觀缺陷檢查；

（2）混凝土碳化深度檢測；

（3）混凝土強度檢測；

（4）鋼筋保護層厚度檢測；

（5）鋼筋銹蝕狀況檢測；

（6）混凝土內部質量檢測。

2.1.2 混凝土結構安全檢測結論

（1）通過檢測，水閘整體狀況較好，閘室內部沒有看到明顯的異常沉降、傾斜和滑移等現象。

（2）上、下游邊墻混凝中有大量的縱向裂縫，自底部向上延伸，下游邊墻水位變化區0.3 m范圍內混凝土存在凍融剝蝕現象。

（3）松林節制閘混凝土結構整體存在著的碳化現象。

（4）根據鋼筋銹蝕狀況檢測結果并結合碳化深度及鋼筋保護層厚度綜合判斷，水閘混凝土結構內主要受力鋼筋應未出現銹蝕。

（5）左邊墩、右邊墩墻混凝土內部質量良好，未發現明顯內部缺陷。

2.2 松林節制閘金屬結構與機電設備檢測

2.2.1 金屬結構與機電設備檢測內容

根據水閘安全評價導則要求，對其露頂式平面舌瓣鋼閘門和固定卷揚式啟閉機進行檢測。檢測內容如下：

（1）閘門外觀檢測；

（2）閘門腐蝕量檢測；

（3）閘門焊縫無損探傷；

（4）啟閉力檢測；

（5）啟閉機現狀檢測；

（6）啟閉機運行狀況檢測。

2.2.2 金屬結構與機電設備檢測結論

（1）松林節制閘閘門各部分無損傷變形問題，閘門運行正常，狀態完好；門槽及埋件完好，周邊混凝土未見異常；閘門底檻完好；閘門泄水時水流流態正常，閘門運行狀況良好；閘門構件局部區域存在銹跡或銹蝕。

（2）閘門腐蝕量主要位于0.2～0.5 mm，頻數為84.8%；閘門面板、主橫梁、縱（邊）梁、小橫梁平均腐蝕量分別為0.34 mm、0.36 mm、0.36 mm、0.35 mm，平均腐蝕速率為0.024～0.026 mm/a；閘門總體平均腐蝕量為 0.35 mm，平均腐蝕速率為0.025 mm/a。

（3）閘門所有受檢焊縫均未發現有裂紋和超標缺陷存在。

（4）實際測得閘門最大啟門力為89.8 kN，小于啟閉機的額定啟閉力2×50 kN；實測閘門最小閉門力為-12.6 kN，閘門可以依靠自重完成關閉；兩個吊點的吊力均衡。

（5）啟閉機及配套組件整體運行良好；電動機絕緣電阻等均滿足規范要求，電氣設備無明顯異常現象，啟閉機左起升機構

（6）啟閉機電動機三相電流及其不平衡度、三相電壓及其不平衡度、電動 機轉速、電動機溫升、電動機絕緣電阻等均滿足規范要求。

（7）現場檢測時，啟閉機運行基本平穩，除左側吊點負荷限制裝置失去作用外，啟閉機運行控制功能基本正常；現場檢測運行完成后，啟閉機機構、機械零部件、結構件無損壞，各聯接處無松動現象，電氣設備無明顯異常現象。左側壓電式傳感器信號線破斷，負荷限制裝置失去作用。

3 松林節制閘安全復核計算

3.1 過流能力復核

松林節制閘工程位于北護城河上段（西直門北大街—松林閘）末端、松林船閘右側，是北環水系北護城河段綜合治理工程的一部分。松林船閘兼有泄洪及行船雙重功能，當遇到二十年及其以上洪水時，與松林節制閘聯合運用擔負下泄洪水的任務。

松林船閘和節制閘閘孔過流能力復核計算結果見表1。

表1 閘孔過流能力復核結果統計表

復核計算了閘孔過流能力后，在以上兩種情況下，閘孔凈寬符合過流能力的要求。

3.2 滲流安全復核

松林節制閘閘址位于永定河沖洪積扇中部，地形較平坦，地面高程47.76～47.97 m，場地類別為Ⅱ類，場區地層不存在地震液化問題。場區主要被為第四系沖洪積地層所覆蓋，地質結構主要為粘、砂雙層結構，上部為粘質粉土或粉質粘土，下部以粉砂為主。地層巖性自上而下分別為：①雜填土，廣泛分布于地表，層底高程43.17～45.15 m，層厚2.8～4.8 m；②粘質粉土層，層底高程31.83～40.33 m，層厚0.5～7.5 m，地基承載力標準值為110 kPa；③粉砂層，該層中下部夾有中砂、礫砂及薄層圓礫，該層厚度較大，地基承載力標準值為180 kPa；④粉質粘土，層底高程19.20～29.55 m，層厚2.3～14.0 m，地基承載力標準值為180 kPa；⑤粉砂，層底高程17.50～18.77 m，層厚0.5～2.1 m（未揭穿）；⑥粉質粘土，鉆孔揭露深度6.1 m。松林節制閘采用上游水平鋪蓋的防滲方案。上游正常運行水位為46.50 m，下游水位42.50 m；上游50年一遇設計洪水位為46.00 m，下游設計洪水位為44.15 m；上游100年一遇校核洪水位為46.50 m，下游水位44.38 m。由于松林節制閘無滲流監測相關數據，設計洪水和校核洪水時上下游水位差均小于正常蓄水位時，本次滲流安全復核考慮正常蓄水時的較不利工況即上游水位46.50 m、下游水位42.50 m，通過使用改進阻力系數法的方式完成了松林節制閘的滲流安全復核計算。

3.2.1 各分段阻力系數和滲壓水頭損失

將閘基地下輪廓劃分為11段，如圖1所示。在不利工況下由改進阻力系數法計算得到各段阻力系數和滲壓水頭損失，見表2。

表2 不利工況下各分段阻力系數和滲壓水頭損失

圖1 滲流計算分段示意圖

3.2.2 繪制滲壓水頭分布圖

根據各段水頭損失，即可繪出該工況下上游鋪蓋及閘室滲壓水頭分布圖，如圖2所示。

圖2 計算工況滲壓水頭分布圖（單位:m）

3.3.3 閘底板水平段和出口處滲透坡降計算

根據《水閘設計規范》SL265-2016規定，驗算水閘基底抗滲穩定穩定時，要求水平段和出口段的滲透坡降分別小于表6.0.4規定的值。

松林節制閘底板水平段平均滲透坡降為：

松林節制閘滲流出口處平均滲透坡降為：

上述工況下滲透坡降計算值見表3。

表3 松林節制閘滲流出口處及水平段滲透坡降計算結果

根據《水閘設計規范》（SL265-2016）表6.0.4，由于滲流出口處設置了濾層（一層編織袋+200 mm厚豆石+200 mm厚粗砂），表6.0.4所列水平段和出口段滲流坡降允許值可加大30%。正常蓄水位工況下出口段滲透坡降計算值為0.206，底板水平段滲透坡降計算值為0.076，均小于規范允許值。

3.3 閘室穩定復核

3.3.1 計算工況與荷載組合

作用在水閘上的荷載可分為基本和特殊荷載兩種，荷載組合分為基本和特殊組合兩類，根據松林節制閘實際情況，此次閘室穩定復核計算基本組合和特殊組合計算工況均按較不利工況考慮，主要包括正常蓄水位工況、校核洪水位工況及地震工況等三種工況。

基本組合復核計算工況為正常蓄水位工況即上游正常運行水位46.50 m，下游水位42.02 m（下游無水）。

特殊組合計算工況包括兩種：①校核洪水位工況，上游100年一遇洪水位46.50 m，下游水位44.38 m；②地震工況，上游正常蓄水位46.50m，下游水位42.02m，考慮地震荷載。

計算閘室穩定和基底應力時的荷載組合見表4。

表4 荷載組合表

閘室穩定計算主要荷載包括閘室自重、水重、靜水壓力、揚壓力、風壓力、浪壓力及地震荷載等。基本風壓取0.45 kN/m2，浪壓力按《水閘設計規范》（SL265-2016）附錄E的規定計算。閘區地震動峰值加速度為0.2 g，相應的地震基本烈度為Ⅷ度，作用在水閘上的地震慣性力和地震動水壓力按《水工建筑物抗震設計標準》（GB51247-2018）中5.5.9條和7.1.12條的規定計算。閘室地基承載力不小于160kPa。水壓力計算特征水位見表5。

表5 特征水位表

3.3.2 計算結果

正常運行水位工況、校核洪水位工況及地震工況等3種工況下，閘室穩定計算結果見表6。

表6 閘室穩定計算結果表

上述計算結果說明：

（1）閘室基底應力平均值為87.7～92.0 kPa，小于地基允許承載力160 kPa；閘室基底應力最大值124.3 kPa，小于地基允許承載力160 kPa的1.2倍。

（2）閘室基底的應力不均勻系數在正常運行水位工況、校核洪水位工況以及地震工況下均小于規范要求的允許值，滿足要求。

（3）閘室抗滑穩定安全系數大于規范容許值，閘室安全穩定。

3.4 消能防沖復核

松林節制閘的消力池長度15 m，底板高程40 m，厚度1.2 m。

松林節制閘的上游設計正常運行水位46.5 m，相應下游水位42.5 m；50年一遇設計上游洪水位46.00 m，下游水位44.15 m；100年一遇校核洪水位46.50 m，下游水位44.38 m。根據SL214-2015《水閘安全評價導則》4.4.11規定，消能防沖安全復核應根據近期規劃數據、現狀河床情況，運行條件和運行方式，按照《水閘設計規范》（SL265-2016）附錄B規定執行。本次消能防沖安全復核內容包括消力池深度、消力池長度以及海漫長度復核。

3.4.1 消力池深度

結果見表7。

表7 消能防沖復核計算結果

消力池深度滿足要求。

3.4.2 消力池長度計算

水躍長度校正系數β取0.8計算，結果見表8。

表8 消能防沖復核計算結果

消力池長度分別需要12.79 m和14.01 m，現狀閘室長度為15.0 m，滿足長度要求。

3.4.3 海漫長度計算

松林節制閘的閘址（北護城河上段末端）在永定河沖洪積扇中部，該場區地質主要為粘、砂雙層結構，上部是粘質粉土或粉質粘土。海漫長度計算系數Ks取為11.0。

由表9海漫長度計算結果可知，海漫長度分別需要31.94 m、34.87 m，海漫長度滿足要求。

表9 海漫長度計算結果

3.5 啟閉機及機電設備安全復核

（1）閘門啟閉機為2×100 kN固定卷揚式啟閉機，選型滿足工程需要。

（2）啟閉機為室外露天布置，啟閉機外設不銹鋼鐵皮罩殼防護；啟閉機行程控制裝置及負荷限制裝置等安全保護裝置配備齊全，其中啟閉機左起升機構左側壓電式傳感器信號線破斷，負荷限制裝置失去作用。

（3）舌瓣式平板鋼閘門采用2×100 kN固定卷揚式啟閉機，配套電動機為YZ160M2-6三相交流異步電動機，電動機選型滿足工程需要。

（4）啟閉機設現地操作控制柜及一層操作控制柜各一套，運行控制功能正常。

（5）啟閉機電動機三相電流及其不平衡度、三相電壓及其不平衡度、電動機轉速、溫升和定子三相對地絕緣電阻均滿足規范要求。

4 結論及建議

4.1 結論

（1）運行中發現部分質量缺陷，主要集中在水閘金屬結構上，通過大修能夠滿足工程運行要求。

（2）松林節制閘安全復核計算結果顯示，滿足現行規范標準。

4.2 建議

（1）對混凝土結構的裂縫、剝蝕等病害進行及時處理，對水位變化區混凝土可采取防護材料噴涂等手段延緩病害發生。

（2）對金屬結構進行除銹、防腐、更新等處理措施，同時要繼續加強閘門保養維護，保證閘門外觀及運行狀態良好。對啟閉機負荷限制裝置進行修復，以恢復完好狀態。