改進阻力系數法驗算閘基抗滲穩定性分析

李嬋娟，林強，于軍國，吳曉磊

（1.北京市密云水庫管理處，北京 101512；2.北京市密云區水務局，北京 101500）

關鍵字：閘基；抗滲穩定性；改進阻力系數法；閘室穩定計算

0 引 言

密云水庫是一座以防洪、供水為主要功能的多年調節大型水利樞紐，總庫容43.75億m3，為華北地區最大的水庫，按千年一遇洪水標準設計，萬年一遇洪水標準校核，主要建筑物包括兩座主壩、五座副壩、三座溢洪道、一座調節池和七條輸泄水隧洞。水庫已安全運行近60a，累計供水384億m3，歷史最大入庫洪峰流量3670m3/s（1994年7月13日），最高庫水位153.98m，相應蓄水量33.576億m3（1994年9月16日）。

自南水北調以來，密云水庫逐步進入高水運行階段，經過安全檢查發現，第一溢洪道存在嚴重的安全隱患，當庫水位超過154.00m 后，1#閘墩的抗滑穩定性及基底應力不滿足現行規范要求，混凝土老化病害等問題突出，還存在其他建筑物混凝土碳化、裂縫和滲水等問題，采取消隱措施對工程進行加固已經非常必要。

密云水庫防洪標準為1000a 一遇洪水設計，10000a 一遇洪水校核。死水位126.0m，死庫容為4.19 億m3。主汛期限制水位152.0m，后汛期控制水位154.0m，100a 一遇防洪高水位及設計洪水位157.5m，校核洪水位158.5m，防洪庫容為9.27 億m3，調洪庫容為11.08 億m3。正常蓄水位157.5m，興利庫容為35.45 億m3。

密云水庫主要由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物組成，包括2座主壩、5座副壩、3座溢洪道、1 座調節池、7 條輸泄水隧洞等。

1 調節池泄洪閘消隱工程特性

密云水庫第二溢洪道泄洪能力同原設計標準，即設計洪水位157.50m 時泄量為3650m3/s，校核洪水位158.50m 時泄量為4250m3/s。主要建設內容包括：改建泄槽底板及兩側1m 高邊墻共5465 ㎡，處理挑坎表面，處理混凝土結構病害，對上游弧形翼墻及泄槽邊墻改建部位的混凝土表面進行防碳化處理共1013 ㎡，增設門機夾軌器，增加泄槽段的水力學監測設施。

調節池泄洪閘是泄洪的重要建筑物。《密云水庫安全評價報告》中提出泄洪閘存在的安全隱患問題及建議是：閘墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積不滿足規范要求，混凝土強度不滿足現行規范對結構耐久性的要求，且主要承載結構梁出現明顯撓度變形，混凝土結構存在各種老化病害，建議進行徹底的除險加固。閘門和啟閉機存在嚴重的安全隱患，應報廢更新。

閘室段長17.2m，上游與鋪蓋段相接，下游與消力池段相接。綜合考慮泄洪閘的泄流與擋水需求，改建閘室仍采用2 孔，單孔凈寬8m，閘孔總凈寬16.0m，設置溢流堰頂高程為88.00m，與原閘一致；同時將溢流堰更改為曲線型實用堰，提高泄流能力滿足泄洪要求。閘室中墩厚2.0m，邊墩厚1.5m，閘室總寬度21.0m，墩頂高程95.90m。溢流堰采用曲線順接下游1 : 4 坡面，溢流堰堰頂處厚5.0m，斜坡段終點高程82.50m。閘室采用C25W6F200 補償收縮混凝土。閘墩下游上部設交通橋[1-3]。

調節池泄洪閘既有建筑設計洪水位93.00m，設計洪水流量400m3/s，校核洪水位93.55m，校核洪水流量450m3/s，最高蓄水位94.00m。閘型位弧形鋼閘門，利用固定卷揚式啟閉機開啟，閘頂高程95.00m，閘孔尺寸為2 孔8m×6m。

2 閘基抗滲穩定分析

2.1 改進阻力系數法計算原理

泄洪閘防滲段包括上游鋪蓋、閘室和消力池底板第一排排水孔以前部分，水平投影總長度為43.5m，其后消力池底板排水孔下部設反濾層。泄洪閘最高擋水位為94.00m，下游取消力池池底頂高程為82.50m，最大水頭差為11.5m。本次采用改進阻力系數法驗算閘基抗滲穩定性，計算公式如下：

式中：Te—土基上水閘的地基有效深度（m）；

L0—地下輪廓的水平投影長度（m）；

S0—地下輪廓的垂直投影長度（m）；

ξ0—進、出口段的阻力系數；

S—齒墻的入土深度（m）；

T—地基透水層深度（m）；

ξy—內部垂直段的阻力系數；

ξx—水平段的阻力系數；

Lx—水平段長度（m）

S1—進口段齒墻的入土深度（m）；

S2—出口段齒墻的入土深度（m）；

hi—各分段水頭損失值（m）；

ξi—各分段的阻力系數；

n—總分段數；

h0—進、出口段水頭損失值（m）；

他的身體如出膛的炮彈，猛地朝著遠處那團紅影射過去。身在空中，六只節足盤繞擰轉，合成了一柄巨大的尖錐。這柄尖錐將盤旋的黑風撕開一道豁口，破開前方密密麻麻擁上來的骷髏頭，直射天葬師！

β'—阻力修正系數；

S'—底板埋深與齒墻入土深度之和（m）；

T'—齒墻另一側地基透水層深度（m）

2.2 閘基抗滲穩定

依據地勘資料，泄洪閘基底位于砂卵石層，由《水閘設計規范》可知：水平段允許滲流坡降值為0.22~0.28，出口段允許滲流坡降值為0.50~0.55；當滲流出口處設濾層時，上述允許值可加大30%。

2.3 計算結果驗證

經計算，水平段最大滲流坡降0.21，出口段滲流坡降0.53，滿足規范滲流坡降要求。此外，泄洪閘上游池底現狀有1m 厚黏土水平鋪蓋，堤坡現狀為混凝土板襯護防滲，消隱工程充分利用新舊防滲結構做好連接。

3 閘基穩定計算

3.1 荷載及其組合分析

閘基承受來自閘室的荷載主要包括自重、水壓力、土壓力、揚壓力及地震荷載等，荷載效應組合見表1。

表1 閘室荷載組合表

3.2 閘基穩定計算

由該泄洪閘閘室地基為土基，根據相關規定，土基地面的抗滑穩定安全系數，一般由Kc 值來確定，Kc 的計算公式為：

式中：Kc為閘室基底面的抗滑穩定安全系數；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）；f為閘室基礎底面與土質地基之間的摩擦系數，取0.4。計算成果見表2。

表2 閘室穩定計算成果表

3.3 閘基穩定計算結果

從計算成果表中可以看出，閘室在不同的荷載組合狀態時，計算得到不均勻系數，根據水工建筑物規范規定的允許值，可以比較清楚的判定荷載在基本組合工況時，計算所得的不均勻系數η 最大值為1.87，小于允許不均勻系數[η]為2.5。同樣在特殊組合工況時，計算所得的不均勻系數η 最大值為1.81，也小于允許不均勻系數[η]為3.0。因而從不同工況時產生的荷載應力來看，閘基穩定是安全可靠的。

為了確保閘室穩定，通常還要進行結構穩定復核, 閘室在不同的荷載組合狀態時，計算得到閘基抗滑安全系數值，根據水工建筑物規范規定的允許值，可以比較清楚的判定荷載在基本組合工況時，計算所得的抗滑安全系數最小值為1.40，大于抗滑安全系數[Kc]為1.25。同樣在特殊組合工況時，計算所得的抗滑安全系數最小值為1.25，也大于允許抗滑安全系數1.05。因而從不同工況時產生的抗滑安全性來看，閘基也是安全可靠的[4-5]。

閘基穩定計算結果經計算驗證，閘基承載力滿足要求，閘室穩定滿足規范要求。

4 結 論

1）調節池泄洪閘是泄洪工程項目的重要建筑物，基于改進阻力系數法計算閘基抗滲穩定性是保障工程安全的重要任務，對于工程建設的安全可靠運行意義重大。

2）閘基穩定計算過程中，要考慮各種工況條件或者工況組合條件下，出現的最不利的荷載，由此作為極端應力值來判別閘基出現的不均勻應力是否超限。基本組合工況時不均勻系數1.87，小于允許不均勻系數2.5；特殊組合工況時的不均勻系數為1.81，小于允許不均勻系數3.0，閘基抗滲穩定安全可靠。

3）閘室在不同的荷載組合狀態時，計算得到閘基抗滑安全系數值如果大于允許抗滑安全系數，則認為閘基也是安全可靠。為此，分析閘室荷載組合狀態，在基本組合工況時抗滑安全系數為1.40，大于允許抗滑安全系數1.25；在特殊組合工況時抗滑安全系數1.25，大于允許抗滑安全系數1.05，閘基穩定滿足規范要求。