常州市大運河東樞紐節制閘工程安全復核分析

張 興，胡鵬鑫，蔣 益

（常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州213000）

0 引言

水利樞紐建設完成后會導致外部環境出現不同程度的變化。例如，河道沉積導致河床變化。外部條件改變會對水利樞紐工程安全產生一定影響。因此，適時復核水利工程安全是十分必要的［1-3］。影響水利樞紐正常使用的重要條件包括滲流和穩定性。結合常州市大運河東樞紐節制閘工程，分析變形觀測成果以及復核滲流及穩定性問題。

1 工程概況

大運河東樞紐為常州運河北片大包圍主要口門建筑物之一，是常州市水利分區運北片的重要防洪控制工程。樞紐地處常州市中心城區，位于距丁塘港河口520 m的大運河河道上。北側毗鄰常戚公路，由一座2×16 m節制閘和一座100 m3/s的排澇泵站組成，其主要功能是防洪、除澇和改善城市水環境。節制閘為兩孔，單孔凈寬16 m，采用下臥式平面鋼閘門，液壓啟閉機操作。

圖1 大運河東樞紐

2 監測成果分析

2.1 垂直位移觀測成果分析

至2017年11月平均累計位移量為1 mm，其中最大的5 mm，最小的為0 mm，抬升的有4點。底板的最大累計位移量為2 mm，位于底板西北角，相鄰最大不均勻量為3 mm，其歷時3年。翼墻最大累計位移量為5 mm，位于翼墻中部，相鄰最大不均勻量為3 mm，其歷時3年。通過以上數據分析說明，大運河東樞紐垂直位移總體較趨于穩定。

2.2 引河河道斷面觀測成果分析

河道斷面從2014年開始觀測，共設8個斷面，外河側共設4個斷面，內河側共設4個斷面，所有斷面樁均在河道兩側采用不銹鋼標志進行固定，并進行斷面樁頂高程的考證。為能在河道斷面圖上進行沖淤量比較，以首次測量斷面為標準斷面，沖淤量比較表中的計算水位采用設計標準（外河側5.95 m，內河側4.8 m）。

引河河道斷面觀測數據定性和定量分析如下。

外河側：本年度汛前及汛后兩次觀測結果與去年基本保持一致，無突發性不合理變化。由于水流影響，本年度汛前斷面在C.S.1上0+050位置表現為河道底部與去年保持一致，兩側邊坡有0.1 m～0.2 m淤積；汛后兩側邊坡淤積更為明顯，與去年相比兩側邊坡淤積量達到0.1 m～0.3 m。斷面C.S.2上0+100及C.S.4上0+200位置汛前斷面與去年相比河道底部有0.2 m沖刷，河道右側邊坡基本一致，左側邊坡有0.2 m淤積。汛后斷面基本與汛前保持一致。斷面C.S.3上0+15位置汛前斷面與去年相比河道底部基本保持一致，左右兩側邊坡有0.1 m～0.2 m沖刷，汛后斷面與汛前斷面相比無明顯變化。

內河側：本年度斷面C.S.1下0+050及C.S.2下0+100與去年相比均表現為河道底部及左側邊坡基本保持一致，右側邊坡有0.1 m～0.2 m淤積。汛后斷面與汛前斷面基本保持一致。斷面C.S.3下0+150位置汛前斷面與汛后無明顯變化，與去年相比，左岸邊坡基本保持原狀，河道底部及右側邊坡有0.1 m～0.3 m沖刷。斷面C.S.4下0+200位置汛前斷面與汛后基本保持一致，與去年相比，河道底部基本不變，兩側邊坡有0.1m～0.3m淤積，初步分析是由水流引起的。

由實測數據及以上分析可知，大運河東樞紐垂直位移較穩定；河道固定觀測斷面在汛前及汛后與去年相比無突發性變化。

3 安全復核計算

3.1 滲流復核

3.1.1 水位組合

大運河東樞紐節制閘滲流復核計算水位組合見表1。

表1 水位組合

滲流計算采用上下游水位差最大時的水位，故取工況3（正向）進行滲流計算。上游側水位為5.95 m，下游側水位為4.00 m，水位差為1.95 m。

3.1.2 防滲復核

（1）驗算滲流長度

閘基地下輪廓布置見圖2。地基持力層置于灰、褐黃色粉質粘土、重粉質壤土層上，因此，根據規范粘土的允許滲徑系數取為2～5。

圖2 閘基地下輪廓布置示意圖（單位：高程m；長度cm）

其實際長度：L實=30.16 m；ΔH=1.95 m；

C=L實/ΔH=30.16/1.95=15.47＞[C]=2～5；

故閘基底板防滲長度滿足規范設計要求。

（2）滲流計算

采用改進阻力系數法計算，得到地下輪廓簡化和分段，見圖3。

①計算地基有效深度：L0=26 m；S0=1.2 m

L0/S0=26/1.2=21.67＞5

Te=0.5L0=0.5×26=13 m

閘基土質均勻，閘基滲流的影響范圍以有效深度Te控制。

②計算各典型段的阻力系數：

各典型段阻力系數計算公式如下：

進出口段：

式中：ξ0進、出口段的阻力系數；S板樁或齒坎的入土深度，m；T地基透水層深度，m。

內部垂直段：

式中：ξy內部垂直段的阻力系數。

水平段：

式中：Lx、ξx水平段長度、阻力系數；S1、S2進出口段板樁入土深度，m。

進出口段水頭修正h0"=β"h0

式中：h0、h0"修正前、后進出口段水頭損失值；β"阻力修正系數；S"底板埋深與板樁入土深度之和，m；T"另一側透水層深度，m。

上閘首各典型段的幾何特征及阻力系數計算見表2。

②各典型段滲壓水頭損失計算

表2 阻力系數計算表

表3 各典型段末滲壓水頭損失計算表 單位：m

表4 各典型段末滲壓水頭損失修正表 單位：m

④滲透坡降計算

滲流計算采用上下游水位差最大時的水位，故取工況3運行水位進行滲流計算。上游側水位為5.95 m，下游側水位為4.00 m，水位差為1.95 m。

持力層為灰、褐黃色粉質粘土、重粉質壤土，滲透坡降系數為J0［］=0.5～0.60；Jx［］=0.25～0.35。

滲流出口最大滲透坡降：

水平段最大滲透坡降：

故閘基底板滲流出口坡降滿足要求，水平坡降都滿足要求。

3.2 穩定復核計算

3.2.1 閘室結構

節制閘為整體塢式結構，取節制閘一孔為計算對象，閘底板順水流方向長26 m。閘底板上游底面高程為-1.6 m，下游底面高程為-1.5 m，底板厚為1.8 m，閘墩頂高程為6.8 m。

具體閘室結構圖見圖3。

圖3 閘室結構布置圖（單位：高程m；長度cm）

3.2.2 計算工況

大運河東樞紐節制閘工程節制閘計算水位組合見表5。

表5 節制閘穩定復核計算水位組合表

3.2.3 計算荷載

計算考慮的荷載為結構自重、水重、水壓力、揚壓力、浪壓力、地震慣性力等。大運河東樞紐節制閘工程所處場地的地震動峰值加速度為0.1 g，相當于地震基本烈度7度。地震烈度為7度時，須進行抗震計算。地震荷載主要考慮地震慣性力、地震動水壓力。閘室承受的水平地震慣性力按下式計算：

式中：Fi作用在質點i的水平地震慣性力代表值；ah水平向設計地震加速度；ζ地震效應折減系數，ζ=0.25；GEi集中在質點i的水平向地震慣性力代表值；αi質點i的動態分布系數。

3.2.4 計算方法

（1）閘室抗滑穩定安全系數按下式計算：

式中：Kc安全系數；∑G作用于閘底以上豎向荷載；∑H作用于閘室水平荷載；φ0作用于閘室基礎底面與土質地質之間的摩擦角（依據地質資料）；

（2）地基應力計算按下式計算

3.2.5 計算結果

根據以上方法，在各計算工況下大運河東樞紐節制閘的抗滑、抗浮穩定安全系數、地基應力及其不均勻系數的計算成果見表6。

表6 大運河東樞紐節制閘工程節制閘穩定復核計算成果表

表6復核計算成果表明：由地質資料可知，大運河東樞紐閘室底板底高程在-3.3 m，持力層為粉質粘土、重粉質壤土層，地基承載力標準值130 kPa，故地基承載力、地基應力不均勻系數、抗滑穩定安全系數在各工況下均滿足要求。

4 結論

（1）通過分析垂直變形和河道變形成果可知，大運河東樞紐垂直位移較穩定；河道固定觀測斷面無突發性變化。

（2）通過滲流復核計算，不同水位組合下節制閘防滲長度、滲透坡降等滲流參數均滿足規范要求。

（3）通過穩定性復核計算，不同荷載組合條件下節制閘的抗滑、抗浮穩定安全系數、地基應力及其不均勻系數均滿足要求。綜合分析可知，節制閘整體穩定性較好。