閘站工程安全鑒定中的建筑物復核計算

陳江華， 秦景洪

(1.泰州市高港區水利局， 江蘇 泰州 225321； 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司， 江蘇 揚州 250009)

近年來，隨著國民經濟的進一步提升，工程技術水平也隨之不斷進步，對于水利基礎設施建設提出了更高的要求。平原地區河流眾多，水系發達，為了應對地區地勢特點，水利工程通常采取閘、泵站以及涵洞等型式進行設計。這樣一定程度上滿足防洪排澇的需求，也形成了既能防洪擋水，又能排澇抽水的功能。主要建筑物對于整個閘站樞紐是核心成分，其安全穩定性能直接影響到工程的正常安全，基于此，需要在工程運行一定年限后進行安全鑒定[1-2]。安全鑒定主要劃分為全面安全鑒定和專項安全鑒定，建筑物、機電設備以及金屬結構是鑒定的最主要部位。閘站安全鑒定主要有現狀調查分析、現場安全檢測、工程安全復核計算分析、安全綜合評價等，本文主要以泰州市高港區友誼閘站為例進行建筑物的復核計算以及評價[3-4]。

1 工程概況

友誼閘站位于泰州市高港區口岸街道南官河東港堤上，距長江邊1 320 m處。該閘站包括友誼閘和友誼排澇站2座建筑物，友誼閘始建于1975年，設計流量6 m3/s，友誼排澇站始建于1991年，設計排澇流量3 m3/s，該工程灌溉受益范圍為高港區港口路、江平線以南、新港大道以西沿江圩區，排澇范圍為口岸街道大石、城南、東南、新明、龍窩口等部分地區，同時對臨港工業園生態用水調度水源發揮了部分作用，于2014年對排架進行維修加固，是一座具有防洪、灌溉、排澇及兼顧城區水資源調度的多功能水工建筑物。

友誼閘穿堤建筑物，漿砌塊石構造，單孔閘凈寬2.3 m，閘底板頂高程1.90 m(廢黃河零點基面，下同)，底板厚0.5 m，閘頂高程6.90 m，上下游翼墻均為重力式漿砌塊石擋土墻，閘門結構型式為平面鋼閘門，采用螺桿式啟閉機。友誼排澇站，為墩墻式濕室型泵房，底板頂高程0.5 m，底板厚0.5 m，電機層樓板高程4.5 m。南官河港堤位于南官河東岸，長1.8 km。純土堤段長約0.8 km，堤頂高程6.5 m；土堤加擋墻段長1.0 km，墻頂高程約7.5 m。堤頂為4.5 m寬水泥路面。臨水側邊坡1∶3，采用灌砌石防護，背水側邊坡1∶2。泰州市長江洪水防御標準為100年一遇，區域洪水防御標準50年一遇。

2 建筑物存在的問題

友誼閘站自投入運行多年來，對高港區的排澇以及防洪起到了重要的作用。多年的運行，使得該建筑物的維修以及改造并未得到有效的保障，閘站的主要建筑物當前存在著以下問題。

(1)閘身以及泵房內外墻粉刷層剝落現象明顯，表明裂縫較多，管理房屋屋頂存在滲水現象。

(2)出水池側墻止水接縫脫落2處，排架中部混凝土脹裂，消力池底板混凝土開裂較為嚴重，左翼墻與邊墩連接處止水脫落且漏水嚴重，上游左側翼墻沉降開裂。

(3)工作便橋大梁露筋、開裂。

3 建筑物復核計算分析與評價

3.1 復核水位組合

友誼排澇站復核水位組合見表1所示

3.2 防洪條件復核

根據《泵站設計規范》(GB 50265—2010)，防洪高程應按下式復核：

頂高程≥設計運行水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高；

浪高和波浪中心至靜水面高度的計算，基本組合時，計算風速為30 m/s，特殊組合時計算風速為20 m/s。

由于排澇站的建筑物級別為2級，故對應的波列累積頻率取2%。

再根據《水閘設計規范》(SL265—2016)，進行計算浪高及波浪中心線至靜水面距離，計算結果見表2。

由表2可知，友誼排澇站側閘墩頂高程計算最大高程為3.03 m，閘墩實際高程為5.10 m，滿足防洪要求。

3.3 滲流穩定復核

滲流計算采用上下游水位差最大時的水位進行計算。友誼排澇站友誼中溝側水位為▽1.70 m，墻后地下水位為▽3.80 m，水位差為2.10 m。

站身地下輪廓布置如圖1所示。該持力層置于壤土夾砂壤土層上，根據規范允許滲徑系數C取為3～5，未設板樁。

圖1 站身基礎地下輪廓布置示意圖 (單位：m)

其實際長度：L=10.75 m；ΔH=2.10 m；

C=L/ΔH=10.75/2.10=5.11>[C]=3～5；

故防滲長度滿足規范設計要求。

根據地下輪廓的特點，采用改進阻力系數法計算，由圖1可得到地下輪廓簡化和分段，具體布置見圖2。

由于持力層為壤土，根據規范，[Jx]=0.25～0.35，[J0]=0.50～0.60

故閘基滲流出口最大坡降及水平最大坡降均滿足要求。

表1 友誼閘站工程復核計算水位組合

表2 友誼排澇站閘頂高程計算結果 單位：m

圖2 友誼排澇站地下輪廓分段布置圖(單位：m)

3.4 穩定安全復核

排澇站主體采用鋼筋混凝土結構，排澇站為單向排水。取主泵房為計算對象，站身底板順水流方向長6.0 m，垂直水流寬度為9.4 m。站身底板底高程為0.00 m，底板頂高程為0.50 m，站身設3孔。

根據《泵站設計規范》(GB 50265—2010)第6.3.9條，在各種計算工況下，閘室平均基底應力小于地基允許承載力，最大基底應力小于地基允許承載力的1.2倍。

由工程地質勘察資料可知：本工程持力層為壤土層，地基允許承載力為60 kPa。由表3可知：閘室基底應力的最大值為55.01 kPa，小于地基允許承載力值1.2倍為72 kPa。閘室基底應力的平均值為40.44 kPa，小于地基允許承載力值60 kPa。即在各種計算工況下，排澇站站身抗滑穩定安全系數和地基應力不均勻系數都滿足規范要求，排澇站站身地基承載力滿足要求。

3.5 結構強度復核

為了對該工程整體結構的受力狀態有一個比較全面的了解，有必要采用三維有限元軟件ANSYS WORKBENCH對其整體強度和穩定性進行研究分析，并對其安全性進行評價。有限元計算法是目前解決復雜空間結構力學問題最有效的數值方法之一。

3.5.1 閘站有限元模型

坐標系取為：x軸順水流方向指向上游，y軸垂直水流方向左方，z軸垂直指向上方。泵房與地基整體三維有限元模型及泵房整體三維有限元模型包括單元總數為959 231個，節點總數為1 422 678個。

3.5.2 材料性質及力學參數

友誼排澇站站身結構采用線彈性材料模擬，土體為彈塑性材料，假定服從Mohr-Coulomb屈服準則，由于土體自重產生的變形已基本完成，故計算中不計入土體自重引起的應變。本次復核計算的材料強度值應選取原設計強度等級與檢測結果中的較小值。泵房結構與地基土材料計算參數見表4。

3.5.3 計算結果

各工況下沉降差較小，最大沉降差為0.6 mm，閘室地基沉降的最大值與最小值的比值約為1.03～1.05。地基沉降量最大值為12.6 mm，根據規范，地基最大沉降量不宜超過150 mm，故地基沉降滿足要求。

隨著混凝土強度的研究進一步完善，混凝土擁有較強的抗壓能力，但水工建筑物正常使用中，過低的抗拉能力常引發水工事故。結構應力的分析成為衡量建筑物安全使用的關鍵點。各結構在各工況下友誼排澇站站身底板的最大主拉應力主要分布在底板面層中心，最大值為1.06 MPa，混凝土強度滿足使用要求。

3.6 消能復核計算結果

友誼排澇站消能復核計算成果見表5所示。

表3 主體結構穩定計算結果

表4 結構材料計算參數

表5 友誼排澇站消能復核計算成果

由表5可知，該排澇站出水后消力池池深、長度、底板厚度能滿足要求，海漫長度不滿足要求。

3.7 建筑物安全類別評價

(1)防洪能力

友誼排澇站的防洪高程滿足規范要求，滿足近期防洪規劃。

(2)滲流安全

友誼排澇站的出口坡降、水平坡降滿足規范要求。

(3)結構安全

友誼排澇站各工況下抗滑穩定安全系數、基底應力比及地基承載力均滿足規范要求。消力池池深、長度以及底板厚度滿足要求，海漫長度不滿足要求。通過三維有限元計算，排澇站底板，站墩等混凝土強度均滿足抗拉強度要求。

(4)抗震安全

在地震工況下，友誼排澇站的抗滑穩定安全系數、基底應力比及地基承載力均滿足規范要求。

4 結 論

經過該閘站主要建筑物復核分析計算，結果表明該閘站主要建筑物是安全的，其運用指標基本達到設計標準，建筑物類別評定為二類，進而可以為后期的更新改造提供理論支持。建筑物需要定期進行安全鑒定以及復核，才可以保障安全穩定運行，發揮出應有的作用。