上六圩閘現場檢測、復核計算與安全評估分析

董 瑩 劉 坤 徐亞萍 陳燦明 鄭圣義

上六圩閘現場檢測、復核計算與安全評估分析

董 瑩1劉 坤1徐亞萍1陳燦明2鄭圣義3

一、概況

江蘇省靖江市上六圩閘位于長江大堤上，為3孔中型閘，鋼筋混凝土整體結構，中孔為通航孔，凈寬7.0m；兩側邊孔凈寬3.0m（縱剖面如圖1）。中孔為升臥式平面鋼閘門，配2×160kN固定卷揚式啟閉機；兩側邊孔為平面直升鋼閘門，配1×100kN固定卷揚式啟閉機，設計引排流量為104m3/s。1999年10月通過驗收，由靖江市江河堤閘管理處負責日常運行管理。根據水利部有關規定，水閘實行定期安全鑒定制度，首次安全鑒定應在竣工驗收后5年內進行，以后應每隔10年進行一次全面安全鑒定，為此該閘進行了首次全面安全鑒定。本文主要介紹上六圩閘安全鑒定的內容、方法和主要結果，根據現場調查檢測、復核計算和安全評估，并經省水利主管部門組織鑒定，上六圩閘被評定為二類閘。

二、現場檢測

采用現場巡視檢查和測量、水下探摸、資料分析和材質參數與機電參數檢測等方法，查明水閘的質量缺陷、運行損傷和老化病害等。

1.鋼筋混凝土結構物

閘室主要鋼筋混凝土結構施工質量良好，無明顯施工缺陷，各結構間聯接完好，無結構性裂縫，也無順筋開裂、混凝土鼓脹等老化病害。但中孔二側閘墩混凝土表面擦痕較多，左、右側面各有一處0.90m×0.60m和0.50m× 0.60m混凝土破損，右側面有一長0.20m鋼筋外露；交通橋兩端連接處有明顯不均勻沉降。

上、下游翼墻施工質量較好，翼墻表面無結構性裂縫，也無順筋開裂、混凝土鼓脹等老化病害；翼墻與水閘邊墩間、一、二級翼墻的結構段間無明顯水平錯位和不均勻沉降；上、下游灌砌石護坡和漿砌石護坡總體完好，無明顯破損。但上、下游翼墻左右兩側弧彎處均有船舶碰撞擦痕。

2.材質參數檢測

檢測混凝土抗壓強度、混凝土碳化深度、鋼筋保護層厚度等指標，檢測結果表明：閘墩、胸墻和翼墻等主要鋼筋混凝土構件混凝土強度為31.3～34.6MPa，均達到設計要求，也滿足現行規范對耐久性的要求；混凝土碳化深度0.5～3.5mm、平均1.6～2.3mm，鋼筋保護層厚度24～69mm、平均33.6～55.5mm，表明水閘不會出現碳化引起的鋼筋銹蝕等老化病害。

3.水下探摸檢查

通過潛水員進行了水下探摸檢查，上、下游灌砌塊石護坦無淤積，無塊石缺失，總體完好；消力池完好，無破損、露筋現象，消力池內無淤積；左、右兩側翼墻水下部分無損壞，相鄰墻體分縫無錯位，縫中填充物完好；閘室底板光滑，無明顯破損，上、下游閘室底板與消力池伸縮縫處分縫完好，縫中填充物完好。

4.鋼閘門

對鋼閘門外觀形態、銹蝕狀況和焊縫質量進行檢測和探傷，主要結果為：①鋼閘門整體狀況較好，閘門主輪、吊耳裝置等零部件齊全、完好，聯接牢固，止水橡皮無明顯老化和龜裂。②門體構件表面涂層基本完好，閘門主軌、側軌存在一般銹蝕。③閘門整體呈均勻銹蝕，主要構件平均銹蝕速率0.039～0.049mm/a。④中閘門縱梁后翼緣最大變形18mm，長約350mm；背拉桿最大變形15mm，長約1300mm；左側側導軌板最大變形95mm，長約800mm，聯接部位局部已脫開。⑤閘門焊縫局部有少量焊瘤、咬邊等外觀缺陷，中閘門主橫梁腹板對接焊縫有一處超標的制作缺陷（未焊透），缺陷最大當量RL+4dB。

5.啟閉機機械零部件檢測

啟閉機主要由電動機、制動器、減速器、聯軸器、傳動軸、開式齒輪副、卷筒、滑輪組、鋼絲繩、開度指示及行程控制系統等組成。經檢查啟閉機設備運行、保養狀況良好，電氣線路布置規范，電氣系統接地可靠。主要問題為：①啟閉機開式齒輪副大、小齒輪齒面存在磨損、剝蝕及擠壓變形等現象。②啟閉機兩級斜齒圓柱齒輪減速器內高速級雙聯齒輪副齒面存在磨損、擠壓變形現象。③中孔閘門關閉時啟閉機卷筒上鋼絲繩纏繞為3圈，不滿足規范要求。④鋼絲繩存在斷股、斷絲、繩芯擠出及鋼絲繩松散、起鼓等現象。

6.啟閉機電氣參數檢測

對啟閉機電動機的電流、電壓、絕緣電阻、溫升等進行檢測，各項指標均滿足安全運行要求，具體結果如下：①中孔三相電流18.7～20.9A，不平衡度4.0%～6.5%。兩邊孔三相電流6.9～8.0A，不平衡度 5.3%～8.1%。②相電壓395～399V，不平衡度0.3%～0.5%。③電動機絕緣電阻（三相總對地）為10～70MΩ。④啟閉機運行10min后（環境溫度20℃）電動機溫升約1℃。

7.電器設備檢測

檢測的上六圩閘主要電器設備的電器參數均滿足安全運行要求，具體結果為：①變壓器絕緣電阻吸收比為1.35（高壓側對低壓側加地）、1.52（低壓側對高壓側加地）；變壓器高壓側和低壓側直流電阻為 18.87～19.10Ω、0.0210～0.0236Ω，折算到75度時最大偏差值為0.71%、0.65%；變壓器接地電阻3.05Ω。②主配電柜交流接觸器觸點電阻1.550～4.630mΩ，主配電柜接地電阻3.75Ω。③啟閉機控制柜交流接觸器觸點電阻為1.80～9.70mΩ，啟閉機電機電纜絕緣電阻 300～1000MΩ；啟閉機控制柜接地電阻為0.288Ω。④啟閉機三相鼠籠異步電機電樞繞組對地絕緣電阻330～370MΩ，接地電阻為0.288Ω。

8.觀測資料分析

上六圩閘在上、下游、閘身及二側控制室共埋設沉降觀測點53處，每年進行一次閘體沉降觀測及河床沖淤觀測，實測結果為：2008年7月～2011 年7月三年間水閘各觀測點沉降為0.1～1.2mm，說明水閘地基已基本穩定；上下游河床變形相對穩定，河床及上、下游引河沖淤基本平衡，無明顯的沖刷或淤積現象。

圖1 上六圩閘縱斷面示意圖

三、復核計算

對水閘的閘頂高程、抗滲、過流能力、消能防沖、抗滑穩定以及地基應力和不均勻系數等進行計算復核，主要復核結果為：

1.閘頂高程復核

因水閘位于長江大堤上，依據規范最高擋水位工況下安全超高應不低于0.40m，波浪要素的估算采用官廳水庫公式。根據計算，上六圩閘的門頂高程應不低于6.88m，實際中閘門門頂高程 6.90m，邊孔胸墻頂高程7.40m，閘頂高程滿足防洪要求。

2.抗滲復核

按最大水頭差情況（水位差4.30m）分別采用勃萊系數法和改進阻力系數法進行抗滲復核。

閘基礎為砂壤土夾砂土薄層，按現行規范要求的最小滲徑長度為38.70m，實際地下滲透輪廓線長度46.0m，故勃萊系數法復核的該閘抗滲穩定滿足規范要求。

根據改進阻力系數法計算，上六圩閘下游消力池段、閘底板水平段、上游消力池水平段的滲流坡降分別為0.100、0.069、0.099，均小于規范允許滲流坡降值0.25，出口段的滲流坡降為0.339，小于規范允許滲流坡降值0.40，抗滲穩定滿足規范要求。

3.水閘過流能力復核

上六圩閘設計排澇流量104.0m3/s，相應水位組合為上游2.20m、下游1.90m。按堰流基本公式計算復核的設計水位組合時過閘流量為105.47m3/s，滿足設計要求。

4.消能防沖復核

復核包括消力池和海漫兩部分，計算工況為排澇期和引水期。經計算，消力池深度計算值0.43m，實有值0.50m；長度計算值11.73m，實有值14.50m；底板厚度計算值0.59m，實有值0.50m；上游海漫長度計算值29.16m，實有值40.00m；下游海漫長度計算值25.00m，實有值30.00m；各計算值均小于實有值，滿足消能防沖要求。

5.穩定復核

穩定復核包括閘室和翼墻整體抗滑穩定、基底應力和地基應力不均勻系數計算。經計算，最不利水位組合時閘室抗滑穩定安全系數 1.32，地基應力42.39～107.10kPa，符合要求。地基應力不均勻系數2.53，略大于規范允許值2.50，由于采用樁基礎加固，應視為滿足要求。

最不利水位組合時下游翼墻抗滑穩定安全系數 1.55，地基應力 70.97～152.29kPa，地基應力不均勻系數1.94；上游翼墻抗滑穩定安全系數1.30，地基應力43.68～98.05kPa，最大地基應力不均勻系數1.98，均符合規范要求。

6.鋼閘門復核

根據現場外觀檢查和銹蝕檢測結果，采用Super SAP程序對水工鋼閘門在現狀條件下最不利水位組合時的強度、剛度進行復核計算。計算時根據閘門結構形式和受力特點，將面板、主橫梁、縱梁、邊梁、底梁等離散為板單元，支承主輪軸離散為梁單元，建立閘門結構有限元計算模型，計算結果表明：①主橫梁腹板軸線方向最大正應力σx為135.3MPa，垂直于軸線方向最大正應力σy為30.5MPa、最大剪應力τ為58.9MPa、最大折算應力σzh為129.5MPa，后翼緣軸線方向最大正應力σx為141.3MPa、最大折算應力σzh為153.6MPa，均小于相應的容許應力值。②縱梁垂直于軸線方向最大正應力σy為100.6MPa，縱梁軸向最大正應力σz為112.6MPa，縱梁最大剪應力τ為45.3MPa、縱梁最大折算應力σzh為122.9MPa，均小于相應的容許應力值。③邊梁垂直于軸線方向最大正應力σy為150.2MPa、軸向最大正應力σz為-132.0MPa、最大剪應力τ為69.2MPa、最大折算應力σzh為158.5MPa，均小于相應的容許應力值。④小橫梁最大正應力σx為83.8MPa，小于相應的容許應力值。⑤面板最大折算應力為143.1MPa，小于面板折算應力容許值。⑥根據規范，對于表孔工作閘門（中孔）和潛孔式工作閘門（邊孔），主橫梁最大撓度與計算跨度的比值不應超過1/600和1/750，其主橫梁最大撓度容許值為12.17mm 和4.8mm。計算的鋼閘門橫梁最大撓度8.92mm和2.49mm，閘門主橫梁剛度滿足要求。

四、安全評估

目前水閘評價方法主要有整體評估法、模糊集論評估法、結構可靠度法、專家系統法、灰色評估法、綜合評估法、實用鑒定評級法以及與其他學科相交叉的神經網絡法、經濟分析法、風險分析法等。

此次選擇實用鑒定評級法對上六圩閘進行評估，根據各部分安全性、適用性和耐久性的檢查、檢測及復核計算結果，逐項對照評級。可靠性鑒定評級劃分為子項目、項目和評定單元三個層次，每個層次劃分為四個等級進行評定。

主要設備設施安全評定等級為：閘室、胸墻、排架、工作橋、上游消力池、上下游護坦、上下游引河、管理房、下游護坡和電器評為A級，可正常維護。閘墩、鋼閘門、啟閉機、上游護坡、上下游翼評為B級，可對破損構件進行維修或更換。

水閘評定等級為二類閘。

五、結論與建議

靖江上六圩閘是一座以蓄水灌溉和排澇為主，兼有通航、陸路交通和調水沖污等綜合效能的中型水利工程，運行十多年后進行了首次全面安全鑒定。通過對水閘工程現狀的調查，現場檢測、觀測資料分析、復核計算和評估分析后認為，上六圩閘整體質量較好，主體結構沒有明顯的缺陷和影響正常運行的損傷，水閘穩定無沉降，復核計算的主要指標能達到規范要求，僅有部分設備設施存在局部老化，依據中華人民共和國行業標準《水閘安全鑒定規定》（SL214-98）的有關規定，并經省水利主管部門組織鑒定，上六圩閘評定為二類閘。

對水閘定期進行安全鑒定，對于加強水閘安全管理，及時消除安全隱患、保障水閘安全運行具有重要意義

（作者單位：1.江蘇省靖江市水利局214500 2.南京水利科學研究院210029 3.河海大學 210098）