北野場閘結構安全復核分析

尚海龍，田苡菲，王志揚，朱新民

（1.北京江河中基工程咨詢有限公司，北京 100073；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

水閘是為城市防洪、排澇等方面提供服務的重要基礎設施，在經濟社會發展中發揮著重要作用[1]。2021 年，水利部運行管理司司長阮利民[2]在水利專訪中明確提出要扎實推進水利工程運行管理工作，開展水利工程安全隱患排查[3]，全力保障水利工程運行安全。根據《水閘安全鑒定管理辦法》（水建管〔2008〕214 號）[4]，全國河道、灌排渠系、堤防上依法修建的由水利部門管理的各類水閘實行定期安全鑒定制度。我國大部分中小型水閘均建成運行多年，受建設年代經濟社會和技術條件限制，存在建設標準偏低、配套設備落后等“先天不足”問題[5-7]。依據《水閘安全評價導則》（SL 214-2015）的規定[8]，須定期組織專業人員對水閘進行實地查勘，對水閘工程質量和運行管理情況進行評價，開展水閘安全評價分析工作。

1 水閘基本情況

北野場閘位于北京市大興區北部，坐落在涼水河的支流新鳳河北野場村段，為中型6孔節制閘，按新鳳河北野場閘段河道規劃的20 a 一遇洪水設計，相應流量320 m3/s，工程等級為Ⅲ等，主要建筑物級別為3 級，地震設防烈度8 度。因此，現狀北野場閘設計洪水標準符合近期規劃標準。

根據工程竣工圖并經現場復核，北野場閘由閘室、防滲排水設施、消能防沖設施、兩岸連接建筑物組成。閘室采用平底板開敞式結構型式[9]，為C30W4F200 鋼筋混凝土結構，設2 聯6 孔，單孔寬度6.0 m，孔口總凈寬36.0 m，閘室總寬度45.8 m，上游正常蓄水位29.50 m，最高蓄水位29.70 m，設計閘頂高程30.30 m，閘底板頂高程25.27 m。因此，現狀北野場閘閘底高程符合近期規劃要求。

北野場閘閘室段長14.0 m，底板厚1.2 m，中墩（縫墩）厚1.8 m，邊墩厚1.4 m，墩高5.03 m，墩頂與岸頂持平。順水流向依次布置上游連接段、上游鋪蓋段、閘室段、消力池段、海漫段及防沖槽，總長度74.0 m。上游連接段長5 m，設置M7.5漿砌石厚0.5 m護底和護坡，與現狀上游河底及兩岸邊坡順接。鋪蓋段長10 m，底板為厚0.6 m C30 鋼筋混凝土，兩側為C30鋼筋混凝土擋墻。閘室下游消力池為長15.0 m、深0.5 m、厚0.6 m 的C30 鋼筋混凝土結構，底板頂高程24.77 m，末端設高0.5 m 消力坎，上游側采用1∶4的斜坡段與閘室段連接。海漫段長20 m，底板為厚0.5 m M7.5 漿砌石護底。防沖槽為長10 m、厚0.5 m干砌石防沖槽，槽深1.5 m。

北野場閘基本參數，詳見表1。

表1 北野場閘基本參數

2 閘室穩定分析

2.1 荷載組合

北野場閘的閘室為3 孔1 段，共2 段。2 段閘室結構相同，二者之間設置永久縫。本次結構安全復核，以其中一段作為研究對象。

閘室穩定復核的主要內容有基底應力復核、抗滑穩定復核和抗浮穩定復核。閘室穩定復核的荷載組合參照《水閘設計規范》（SL 265-2016）第7 章，并結合北野場閘的實際情況，設置以下計算工況：正常蓄水位、設計洪水位、檢修等情況、正常蓄水位遇地震。閘室水位情況，詳見表1。

由于本次安全鑒定未獲取水工建筑物荷載的原設計資料，所以諸多荷載均需重新計算或估算：建筑物的自重荷載依靠圖紙尺寸計算；閘門和啟閉機自重根據其尺寸和型號，參考相似工程的經驗估算；閘室揚壓力基于本次有限元[10]滲流計算的成果而計算。相關荷載取值及說明，詳見表2。

表2 北野場閘荷載取值

2.2 閘室穩定計算分析

閘室穩定計算取兩相鄰順水流向永久縫之間的閘段作為計算單元[11]。依據《水閘設計規范》（SL 265-2016）中的有關計算公式分別計算閘室基底應力、抗滑穩定安全系數和抗浮穩定安全系數[12]。

北野場閘閘室基底應力、抗滑穩定安全系數和抗浮穩定安全系數計算成果，詳見表3。

表3 北野場閘閘室穩定計算成果

復核結論如下。

（1）北野場閘在各工況下的閘室基底應力均小于地基允許承載能力（100 ～180 kPa），閘室基底應力不均勻系數均小于允許值，滿足相關規范要求。

（2）閘室抗滑穩定安全系數均大于允許值，滿足相關規范要求。

（3）閘室抗浮穩定安全系數均大于允許值，滿足相關規范要求。

3 閘室結構安全復核

3.1 閘室結構安全復核說明

本節對北野場閘的閘室結構承載安全狀況進行復核分析，采用的方法為三維有限元法。考慮北野場閘的運行特點，分析3種不利的受力工況，即正常水位運行情況，正常水位運行遇順河向、橫河向地震情況。因設計洪水位情況的閘門前后水位差較小，對整個閘室結構受力更有利，故認為無復核計算的必要。

三維有限元模型，如圖1所示。

圖1 閘室結構三維有限元模型

模型模擬了河道左側3 孔形成的一段閘室，包含閘墩、底板和地基及結構細節，共剖分128 730 個節點、116 914 個單元。模型的y 軸指向下游，x 軸指向右岸，z 軸向上。向閘室施加了閘室穩定分析所述的全部荷載，其中來自上部排架結構的荷載施加到閘墩頂與排架柱的連接處，此外還向左岸邊墻外側施加了土壓力。

3.2 正常水位工況成果

正常水位工況下閘室結構位移情況，如圖2所示。

圖2 正常水位工況下閘室結構位移

閘室豎直向下位移為20～40 mm。閘室向下游方向的水平位移為1～8 mm，閘墩頂向下游的位移小于底板處，這是由于閘室受豎向壓力的作用中心位于上游側，推力向下游側，軟基上的閘室為剛性結構，形成了微小的空間翻轉。橫河向位移以最左和最右側閘墩的頂部為最大，約20～30 mm，這是因為最左側閘墩受的土壓力大于閘室內水壓力，而最右側閘墩外側為結構縫產生了懸空。

閘室混凝土結構應力狀況，如圖3—5所示。

圖3 正常水位工況下閘室結構應力

圖4 正常水位工況下閘室結構拉應力（超過0.5 MPa）分布

圖5 正常水位工況下閘室結構拉應力（超過1.0 MPa）分布

閘室混凝土結構最大壓應力約2 MPa；最大拉應力超過1 MPa的部位很小，位于混凝土表層，主要位于最左側閘室邊墩外側和底板下部、右側閘室底板的上部，其原因也是左邊閘墩受的土壓力大于閘室內水壓力，最右側閘墩外側因結構縫產生懸空。閘室混凝土結構拉應力尚未超過C30混凝土強度設計值1.43 MPa。整體而言，閘室混凝土結構應力較小，現有配筋可滿足承載力要求。

3.3 地震工況成果

采用的計算方法同上，正常水位遇順河向地震工況下閘室混凝土結構位移情況受順河向地震荷載影響，順河向位移明顯大于正常水位工況下情況，閘室向下游方向的水平位移為8～12 mm。與正常水位工況相比，橫河向位移和豎直向位移變化不大。

正常水位遇順河向地震工況下，閘室混凝土結構最大壓應力約2 MPa；最大拉應力超過1 MPa的部位極小，位于混凝土表層，主要位于最左側閘室底板下部。由于閘室受排架壓力的作用中心位于上游側，順河向地震荷載作用反而改善了閘室的拉應力集中現象。閘室混凝土結構拉應力尚未超過C30混凝土強度設計值1.43 MPa。

正常水位遇橫河向地震工況下閘室結構位移情況受橫河向地震荷載影響，橫河向位移明顯大于正常水位工況下情況，閘室向右岸水平位移為28～35 mm。與正常水位工況相比，順河向位移和豎直向位移變化較小。

正常水位遇橫河向地震工況下，閘室混凝土結構最大壓應力約2.3 MPa；最大拉應力超過1 MPa 的部位較少，位于混凝土表層，主要位于最左側閘室邊墩外側和底板下部、右側閘室底板上部。閘室混凝土結構最大拉應力高于正常水位工況下情況，但未超過C30 混凝土的強度設計值（局部應力集中處可忽略）。

4 結論

經過結構安全復核，北野場閘閘室基底應力、抗滑穩定安全系數、抗浮穩定安全系數均滿足相關規范要求。采用三維有限元法，分3 種不利的受力工況對北野場閘閘室結構承載安全狀況進行復核，結果表明閘室混凝土結構最大壓應力約2.3 MPa，最大拉應力超過1 MPa 的部位較小且位于混凝土表層，但未超過C30混凝土的強度設計值，整體而言，閘室混凝土結構應力不大，現有配筋可滿足承載力要求。綜上，根據《水閘安全評價導則》（SL 214-2015）4.4.13 款規定的水閘結構安全評價標準，北野場閘閘室結構安全滿足標準要求，評定為A級。最后，希望能夠通過本文為類似的水閘安全結構分析復核提供參考和借鑒。