廈門石潯水閘安全鑒定若干問題探討

王淑勤

(福建省廈門市汀溪水庫管理處，廈門 361100)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)02—0027—04

廈門石潯水閘安全鑒定若干問題探討

王淑勤

(福建省廈門市汀溪水庫管理處，廈門 361100)

石潯水閘系廈門市第二大水閘，通過對(duì)水閘各專項(xiàng)內(nèi)容的計(jì)算分析論證，安全鑒定石潯水閘為三類水閘。闡述水閘安全鑒定過程中存在的一些主要難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，著重檢測水閘的泄流能力、消能防沖、滲流穩(wěn)定、閘底板結(jié)構(gòu)探測、混凝土結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面，以保證水閘的安全運(yùn)行。

石潯水閘；安全鑒定；探討

石潯水閘建成于1985年，位于廈門市東西溪石潯支流下游側(cè)，是一座兼具排洪擋潮、灌溉養(yǎng)殖、城市景觀、交通等綜合效益的中型水閘，系廈門市的第二大水閘，為Ⅲ等工程，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)。原防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)水位(P=5%)為4.90 m(黃零，下同)，相應(yīng)的洪峰流量870 m3/s，正常水位為4.20 m，規(guī)劃正常水位為4.60 m。

石潯水閘共計(jì)25孔，其中先啟孔7孔(位于中部)，后啟孔18孔，每孔凈寬4 m，采用鋼筋混凝土閘門。水閘閘室長10.3 m，頂高程為6.2 m，先啟孔閘底板高程為1.2 m，后啟孔閘底板高程為1.7 m，是M10漿砌條石結(jié)構(gòu)。閘底板上游側(cè)設(shè)有1道齒墻，齒墻底寬1.0 m，深2.3 m，齒墻下設(shè)有2 m深板樁。閘墩為M10漿砌條石結(jié)構(gòu)，墩厚1.2 m、長10 m，墩頭為半圓形，閘墩頂高程為5.0 m。內(nèi)港工作橋高程為5.50 m。交通橋設(shè)在外港側(cè)，橋面高程為6.45 m，橋面寬4.0 m。交通橋設(shè)計(jì)載重車輛為農(nóng)用小型車。啟閉房設(shè)在14及15號(hào)閘孔上游側(cè)，采用鋼筋混凝土框架M10漿砌條石砌筑。下游消能防沖設(shè)施包括消力池、護(hù)坦、海漫以及防沖槽，其中消力池長10 m、深1.2 m、底板厚0.5 m，采用M10漿砌條石砌筑，護(hù)坦長9 m，C15細(xì)骨料混凝土砌筑厚25 cm，海漫全長20 m，M7.5漿砌條石砌筑，防沖槽深2 m、頂寬17.5 m。詳見圖1。

1 安全鑒定工作概況

該水閘具有以下幾個(gè)特點(diǎn)，給安全鑒定工作帶來了較大的難度。一是運(yùn)行了近30年，人事變動(dòng)大，基本資料丟失缺乏；二是建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，目前灌區(qū)功能改變，防洪擋潮要求提高；三是老化失修，安全隱患多，運(yùn)行中工程和設(shè)施破損得不到及時(shí)修復(fù)；四是水閘承受雙向水頭，內(nèi)港水位4.60 m，外海平均潮水位為2.44 m，常年水位高低變化不定。針對(duì)以上特點(diǎn)，采取了以下措施：① 對(duì)水閘結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行全面測量，掌握水閘的基本尺寸和現(xiàn)狀；② 進(jìn)行地質(zhì)勘探，提供完整的地質(zhì)報(bào)告；③ 采用探地雷達(dá)及超聲波物探技術(shù)對(duì)漿砌石底板和下伏地層進(jìn)行探測；④ 詳細(xì)的混凝土結(jié)構(gòu)檢測和機(jī)電設(shè)備檢查。

圖1 水閘剖面圖和上游立視圖 單位：高程，m；其它，mm

2 泄流能力復(fù)核

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)水閘工程等級(jí)分類，過閘流量在100～1 000 m3/s之間為Ⅲ等工程，即中型水閘，主要建筑物等級(jí)為3級(jí)，其相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為50～100年一遇。同時(shí)該水閘屬廈門市東西溪流域石潯支流防洪(潮)工程的一部分，根據(jù)已經(jīng)通過審定《廈門市同安中心區(qū)域防洪排澇工程規(guī)劃報(bào)告》，石潯支流近期設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。根據(jù)SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.21條規(guī)定：平原區(qū)水閘的洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)所在河流流域防洪規(guī)定的防洪任務(wù)，以近期防洪目標(biāo)為主，并考慮遠(yuǎn)景發(fā)展要求，綜合分析確定。經(jīng)綜合分析石潯水閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)選用：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

由于東西溪流域汀溪支流上游設(shè)有五豐、造水水文站，兩站實(shí)測流量資料系列均較短，且控制流域面積小，由實(shí)測流量資料推求設(shè)計(jì)洪水的精度受到限制，東西溪干流屬小流域，因此設(shè)計(jì)洪水采用暴雨資料進(jìn)行推求，并采用地區(qū)綜合法進(jìn)行合理性分析。經(jīng)過分析比較采用暴雨資料推求的洪峰流量比地區(qū)綜合法所推求的大，因此從偏安全出發(fā)，本次鑒定選用暴雨資料推求的洪峰流量。

2.3 設(shè)計(jì)高潮位分析

根據(jù)工程需要及現(xiàn)有潮位資料，本次鑒定的潮位資料以廈門東坑潮位站資料為主，結(jié)合鼓浪嶼潮位站資料進(jìn)行分析。在對(duì)東坑與鼓浪嶼兩站潮汐性質(zhì)的相似性分析后，可知東坑與鼓浪嶼兩站潮汐性質(zhì)具有較好的相似性，兩站同步實(shí)測高潮位相關(guān)系數(shù)為0.997 6，低潮位性相關(guān)系數(shù)為0.997 3，可采用短期同步差比法計(jì)算設(shè)計(jì)高潮位，計(jì)算成果為：20年一遇設(shè)計(jì)高潮位4.43 m，50年一遇設(shè)計(jì)高潮位4.61 m。

2.4 閘前水位推求

河道水面線計(jì)算的河道糙率參照天然糙率表選取，并用調(diào)查洪水位復(fù)核，計(jì)算的河道糙率0.025。東西溪的洪水常常受到海潮的頂托影響，該流域的洪水匯入東海域，下游洪水位受潮位影響，本次規(guī)劃起始水位采用東坑站的設(shè)計(jì)潮位，多年平均、20年、50年一遇設(shè)計(jì)潮位分別為3.91、4.43和4.61 m。

水面線采用伯努利能量方程進(jìn)行推求，東西溪合流段20年一遇、50年一遇洪水洪峰流量分別為2 217和2 770 m3/s，浦聲支流、石潯支流過水流量通過試算求得，即兩支流分流口及匯合口水位應(yīng)相等，水面線計(jì)算時(shí)，以兩溪匯合口作為起始斷面，浦聲支流、石潯支流流量之和為東西溪合流段流量，假設(shè)浦聲支流、石潯支流流量分別推算兩支流至分流口的水面線，檢驗(yàn)兩支流在分流口(合1+667 m)的水位是否一致，如果水位相同，證明兩支流的分流比合理；否則，重新假定計(jì)算，直至分流口的水位相同為止。經(jīng)分析計(jì)算，石潯支流流量20年一遇為968 m3/s；50年一遇為1 232 m3/s；由于東西溪匯合口下游屬感潮河段，故采用福建省通行的洪潮組合方法(即設(shè)計(jì)洪水遭遇多年平均年最高潮位與2年一遇洪水遭遇設(shè)計(jì)高潮位)進(jìn)行水面線計(jì)算，取上包線作為采用成果。水閘上下游水位分析結(jié)果見表1。

表1 石潯水閘上下游水位計(jì)算成果表 /m

2.5 泄流能力復(fù)核

3 消能防沖復(fù)核

水閘的消能防沖問題最為突出。廈門95%以上的水閘都存在消能設(shè)施損壞問題，其中比較突出的就是石潯水閘，已經(jīng)發(fā)生多次下游消能防沖設(shè)施沖刷破壞，如2009年7月14日受熱帶低壓影響，同安普降暴雨，石潯水閘在開閘排洪后出現(xiàn)較嚴(yán)重險(xiǎn)情，海漫被掏刷、塌陷2處，后經(jīng)采取緊急處置措施，共投入272萬元搶險(xiǎn)加固才轉(zhuǎn)危為安。

石潯水閘下游消能防沖設(shè)施包括消力池、護(hù)坦、海漫以及防沖槽，由于各種消能工形式都有其一定范圍的水力條件，很難有一種消能措施能適應(yīng)各級(jí)水位、流量和任意的閘門開啟方式。上下游的防沖保護(hù)設(shè)計(jì)受控于閘門敞開泄洪工況，而消力池的設(shè)計(jì)受控于小流量、小開度、低水位工況。因此水閘消能防沖計(jì)算采用2種工況進(jìn)行復(fù)核。

(1) 第1種工況。在上游為正常水位4.60 m時(shí)，以開啟7扇先啟孔閘門，各開度(即按0.2 m為一個(gè)量級(jí)分級(jí)開啟，從0.2 m直至2.2 m以上)對(duì)應(yīng)下游水位取前一級(jí)開度時(shí)的過閘流量所對(duì)應(yīng)的下游水位，求出躍后水深與下游水深之差值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的閘門開度作為控制工況。經(jīng)計(jì)算消力池長度均大于10.0 m，消力池抗沖厚度需要0.50～0.60 m，海漫長度在開啟度大于0.60 m后的計(jì)算長度均大于20 m，出流方式均為閘孔出流。而消力池實(shí)際長度(10 m)、海漫長度(20 m)以及底板實(shí)際厚度(0.50 m)均不滿足理論計(jì)算要求。

(2) 第2種工況。當(dāng)在上游為設(shè)計(jì)洪水位4.92 m以及校核洪水位5.41 m時(shí)，考慮25扇閘門全開，下游水位穩(wěn)定后作為控制工況。經(jīng)計(jì)算消力池長度為15.6和16.6 m，消力池抗沖厚度需要0.60和0.70 m，海漫長度為32.73 m 和36.94 m，出流方式均為堰頂溢流。而消力池實(shí)際長度(10 m)、海漫長度(20 m)以及底板實(shí)際厚度(0.50 m)均不滿足理論計(jì)算要求。

根據(jù)復(fù)核成果分析，現(xiàn)有的消能防沖設(shè)施尺寸、結(jié)構(gòu)不能滿足理論計(jì)算要求，結(jié)合下游海漫、防沖槽等消能防沖設(shè)施經(jīng)常水毀的事實(shí)，可以認(rèn)為現(xiàn)有的消能防沖設(shè)施不能滿足工程要求，因此消能防沖評(píng)定為C級(jí)。建議完善水閘下游消能防沖設(shè)施。

4 滲流穩(wěn)定復(fù)核

石潯水閘上游設(shè)鋪蓋10 m，為黏土鋪蓋，鋪蓋上游側(cè)及閘室上游側(cè)各設(shè)1道深約2.0 m的松木板樁(本次抗?jié)B穩(wěn)定復(fù)核按松木板樁失效最不利工況計(jì)算，鋪蓋因只有少量沉降基本完好按有效計(jì)算)，水閘未設(shè)防滲墻，下游消力池也未設(shè)排水孔。本次安全鑒定采用改進(jìn)阻力系數(shù)法和二維有限元法對(duì)閘基的抗?jié)B穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核。

計(jì)算工況選取2個(gè)最不利工況：① 上游水位為正常水位4.60 m，下游為歷年最低潮位-3.45 m;② 上游水位為校核水位5.41 m，下游為歷年最低潮位-3.45 m。

由以上2種方法計(jì)算成果顯示：在2種工況下，在考慮松木板樁失效的情況下，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算的水平段滲透坡降介于0.10～0.12之間，出口段滲透坡降介于0.316～0.395之間；采用二維有限元法計(jì)算的水平段滲透坡降介于0.117～0.166之間，出口段滲透坡降在0.352左右。2種計(jì)算方法的成果相近，也相互驗(yàn)證了成果，計(jì)算成果均小于允許滲透坡降，滿足SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，因此說明即使板樁失效，閘室滲流穩(wěn)定仍然滿足要求。另外根據(jù)水閘管理單位多年的觀察，未發(fā)現(xiàn)水閘及消力池底板因滲流而產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，本次安全鑒定通過采用探地雷達(dá)探測及現(xiàn)場摸查的方法，也未發(fā)現(xiàn)閘室及消力池底板有被淘空的現(xiàn)象，因此閘基的抗?jié)B穩(wěn)定條件基本滿足規(guī)范要求。閘基的抗?jié)B穩(wěn)定評(píng)定為A級(jí)。

5 閘底板結(jié)構(gòu)探測

石潯水閘建成時(shí)期較早，水閘底板為厚1.0 m的漿砌條石結(jié)構(gòu)，該底板直接砌筑在強(qiáng)風(fēng)化巖層或殘積土層上，目前所掌握的相應(yīng)地質(zhì)資料較缺乏。采用探地雷達(dá)及超聲波2種物探技術(shù)對(duì)石潯水閘進(jìn)行檢測，旨在通過無損檢測手段了解水閘漿砌條石底板下伏地層是否有脫空(淘空)現(xiàn)象存在，為該水閘的安全性評(píng)估和加固提供依據(jù)，在福建省多座大中型水閘的安全鑒定上都有應(yīng)用。

探測使用的儀器為加拿大Softerware & Sensor公司出產(chǎn)的EKKO-100型地質(zhì)雷達(dá)，使用100 MHz天線。利用反射法探測，天線間距為1 m，采樣時(shí)窗512 ns(納秒)，測量點(diǎn)距0.25 m。高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線送入地下，電磁波在地下傳播過程中，遇到不同的電性分界面時(shí)，部分電磁波被反射回表面，水和閘底板的上下界面都是一種電性分界面，其反射回的電磁波由接收天線接收后傳入中央處理系統(tǒng)記錄，再經(jīng)資料濾波、變換等分析處理就可得出地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而計(jì)算出界面深度或病害位置。

根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》規(guī)定21～70孔水閘抽樣檢測的抽樣比例為15%～10%，因此共選取7 個(gè)閘孔進(jìn)行抽樣檢測，分別在先啟孔布設(shè)13、14、15號(hào)3個(gè)閘孔，后啟孔布設(shè)8、9、17、18號(hào)4個(gè)閘孔。為了更好了解底板下方情況，對(duì)閘底板進(jìn)行檢測時(shí)，布置了相互垂直的2條測線，一條測線平行流水方向(南北方向)，另一條測線方向?yàn)闁|西方向。

本次雷達(dá)探測雖然受閘門漏水、水流過大等因素影響，但從整體來說，達(dá)到了探測初期所預(yù)想的目的，可以得出結(jié)論：該水閘的漿砌條石底板與原始土層間結(jié)合較好，閘孔閘室底板正常，無淘空現(xiàn)象。

6 混凝土結(jié)構(gòu)檢測

石潯水閘共25孔，該水閘混凝土構(gòu)件比較少，上部混凝土構(gòu)件主要有啟閉房梁板、內(nèi)港人行工作橋、閘門以及啟閉墩等。

水閘混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測分為普測和重點(diǎn)抽測2個(gè)層次。普測的內(nèi)容主要有混凝土裂縫和外觀缺陷。裂縫情況主要包括裂縫的長度、寬度、走向和數(shù)量，重點(diǎn)要判斷是否存在貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫；外觀缺陷主要檢查混凝土剝蝕、鋼筋銹蝕、保護(hù)層開裂脫落等情況。重點(diǎn)抽測主要在普測基礎(chǔ)上選擇代表性和可能的薄弱部位進(jìn)行抽樣檢測，重點(diǎn)檢測結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化、鋼筋銹蝕和裂縫深度等。檢測的方法：混凝土強(qiáng)度采用鉆芯法、超聲回彈綜合法、回彈法，碳化深度采用混凝土碳化深度測定儀檢測。

根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》規(guī)定21～70孔水閘抽樣檢測的抽樣比例為15%～10%，因此共選取6 個(gè)閘孔進(jìn)行重點(diǎn)抽樣檢測，分別在先啟孔布設(shè)12、14、16號(hào)3個(gè)閘孔，后啟孔布設(shè)2、20、24號(hào)3個(gè)閘孔。

重點(diǎn)抽檢結(jié)果表明：人行工作橋及閘門梁板混凝土強(qiáng)度均超過300號(hào)，能夠滿足工程要求，混凝土的碳化深度均小于5 mm，小于混凝土保護(hù)層厚度。啟閉房地面樓板混凝土強(qiáng)度均小于200號(hào)，不能滿足工程要求。

7 結(jié) 語

石潯水閘經(jīng)綜合評(píng)定安全類別為三類閘。水閘從建成投入使用至今未進(jìn)行過全面的安全鑒定評(píng)價(jià)，經(jīng)過本次的調(diào)查、檢測、復(fù)核、計(jì)算和評(píng)價(jià)，對(duì)水閘有了深入、全面、完整的了解和掌握，對(duì)確保石潯水閘的安全運(yùn)行有極大作用。石潯水閘原設(shè)計(jì)規(guī)模為中型，通過本次安全鑒定，校核過閘流量為1 232 m3/s，達(dá)到目前水利工程管理所采用的水閘分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1 000 m3/s及以上為大型水閘的標(biāo)準(zhǔn)，因此，建議石潯水閘按大型水閘進(jìn)行加固和管理。

[1] 福建省宏禹水利水電咨詢設(shè)計(jì)院.廈門市同安區(qū)石潯水閘安全鑒定報(bào)告[R].廈門，2010.

[2] SL214-98,水閘安全鑒定規(guī)定[S].北京：中國水利水電出版社出版，1998.

[3] SL265-2001,水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社出版，2001.

Study on Issues of Safety Appraisal of Xiamen Shixun Sluice

WANG Shu-qin

(Xiamen Tingxi Reservoir Administration of Fujian Province, Xiamen 361100,China)

Shixun sluice is the second largest one in Xiamen. Through calculation, analysis and demonstration of the special contents of the sluice, it is defined Class III based on the safety appraisal. In the paper, key and important points in the safety appraisal are described. Especially discharge capacity, energy dissipation, scouring prevention ability, seepage stability, detection of base slab structure of the sluice, and concrete structure, etc of the sluice are inspected to secure the safety operation of the sluice.

Shixun sluice; safety appraisal; study

2015-01-28

王淑勤(1975- )，女，福建省同安縣人，工程師，從事水利工程管理工作.

TV66

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.008