高碑店節制閘安全檢測及復核計算

金 澤 桂 彬 時連仲 李 萌

（1.北京市城市河湖管理處，北京 100089；2.中國水利水電科學研究院，北京 100089）

1 工程概況

高碑店節制閘是北京市通惠河上的一座中型水閘，主要用于城區通惠河景觀用水，保證通航水位，汛期能夠及時宣泄北京市城區及西郊大部分地區的洪水的要求，是關系首都城市水景觀、防洪安全和城市人們生活的重要水工建筑物。高碑店節制閘全閘共4孔，每孔凈寬7 m，底板厚1.5 m，沿流線長12 m。節制閘二十年一遇設計流量434 m3/s，百年一遇校核流量640 m3/s。工作閘門為舌瓣式平板鋼閘門，閘門總高為5 m，舌瓣擋水高1 m，啟閉機為2×15 t固定卷揚式弧門啟閉機。

2 高碑店節制閘安全檢測

2.1 混凝土結構安全檢測

（1）混凝土安全檢測內容。

根據《水閘安全評價導則》（SL 214—2015）要求，本次對高碑店節制閘混凝土結構安全檢測項目主要包括混凝土外觀缺陷檢查、混凝土強度檢測（回彈法和鉆芯法）、混凝土碳化深度檢測、鋼筋保護層厚度檢測、鋼筋銹蝕狀況檢測、典型裂縫深度檢測、混凝土內部質量檢測。

（2）混凝土結構安全檢測結論。

①水閘整體外觀狀況較好，部分混凝土結構存在剝蝕、脹裂、箍筋外露等情況。閘室未出現明顯的異常沉降、傾斜和滑移等情況。混凝土強度檢測結果滿足設計要求，混凝土內部質量較好，無明顯缺陷。

②閘墩及上下游翼墻均存在多道裂縫，裂縫寬度在0.2～2.3 mm之間，最大縫深43.7 cm，已超過鋼筋保護層厚度。

③混凝土結構均存在一定程度的碳化，碳化深度可超過30 mm。工作橋框架梁混凝土碳化最深，最大的碳化深度達31.3mm，平均碳化深度超過20 mm。

④根據鋼筋銹蝕抽樣檢測結果并結合碳化深度及鋼筋保護層厚度綜合判斷，水閘混凝土結構主要受力鋼筋應未出現鋼筋銹蝕，但部分結構箍筋已發生銹蝕。

2.2 高碑店節制閘金屬結構安全檢測

（1）金屬結構安全檢測內容。

根據水閘安全評價導則要求，對其平板定輪閘門和固定卷揚式啟閉機進行檢測。本次對高碑店閘金屬結構的檢測項目包括巡視檢查、閘門外觀形態及腐蝕狀況檢測、啟閉機性能狀態檢測考核、焊縫超聲波檢測。

（2）金屬結構安全檢測結論。

①高碑店節制閘4套固定卷揚式啟閉機總體保養狀況較好，設備運行噪聲超出允許值；大、小齒輪及制動輪硬度均未達到標準要求。

②高碑店節制閘4扇閘門啟閉正常，閘門及埋件均存在銹蝕；閘門止水水封老化龜裂，止水螺栓銹禿；閘門主支撐輪已銹死，無法轉動；閘門舌瓣部分由于長期過水，背水面銹蝕非常嚴重；閘門擋水時，均存在不同限度的漏水現象。

3 高碑店節制閘安全復核計算

3.1 水閘抗滲穩定性復核

高碑店節制閘滲流復核計算應用改進阻力系數法，是在獨立函數、分段法和阻力系數法等方法的基礎上綜合發展的一種精度較高的近似計算方法。

（1）閘址地質情況。

高碑店節制閘所在地區土層自上而下分別為飽和軟塑砂黏和黏砂、飽和可塑砂黏土、粉砂層。

（2）各分段水頭損失。

鋪蓋及閘室地下輪廓一共化為12段。在設計洪水位和校核洪水位工況下，由阻力系數法計算得到各段水頭損失。

滲流計算分段如圖1所示。

圖1 滲流計算分段

上游校核洪水位情況下的閘室底板滲壓水頭分布如圖2所示。

圖2 設計和校核洪水工況下閘室底板滲壓水頭分布（單位：m）

（3）閘底板水平段滲透坡降和滲流出口處坡降計算。

底板水平段平均滲透坡降：

滲透出口處平均滲透坡降：

兩種工況下二者滲透坡降值如表1所示。

表1 各工況下閘室底板水平段及滲流出口處坡降

根據《水閘設計規范》（SL 265—2001），滲流出口處砂黏土的允許滲流坡降值[J0]可取0.5，因滲流出口處設有墊層，該值可增加30%至0.65，由此可見在兩種水位情況下計算坡降值小于允許值。水平段基礎換填沙礫料和砂壤土的允許滲流坡降值[J0]分別為0.13～0.17和0.15～0.25，在兩種工況下坡降值均小于允許值，滿足現行規范要求。

各工況下分段水頭損失統計如表2所示。

表2 各工況下分段水頭損失統計

3.2 閘室穩定復核

閘室穩定計算的荷載組合分為基本組合和特殊組合兩類。基本荷載組合包括水閘及固定設備自重、設計洪水位下的水重、設計洪水位下的靜水壓力、設計洪水位下閘底板的浮托力和滲透壓力、浪壓力等。特殊荷載組合包括水閘及固定設備自重、校核洪水位下的水重、校核洪水位下的靜水壓力、校核洪水位下閘底板的浮托力和滲透壓力、浪壓力和地震力等。在基本組合中取設計洪水位工況；特殊組合中取校核洪水位和設計洪水位+地震工況。在計算中保守地未將閘上房屋的重量計算在內。

浪壓力按《水閘設計規范》（SL 265—2001）規定計算，北京市50年一遇風速取28 m/s（按基本風壓值0.45 kN/m2反算）。

閘室穩定計算結果見如表3所示。

表3 閘室穩定計算結果統計

（1）閘室基底應力平均值小于地基允許承載力200 kPa；閘室基底應力最大值也小于地基允許承載力200 kPa的1.2倍。

（2）閘室基底的應力不均勻系數在設計洪水位工況、校核洪水位工況以及設計洪水位+地震荷載工況下比規范要求的允許值小，滿足要求。

（3）閘室抗滑安全系數均大于允許的數值，滿足規范要求，說明閘室安全穩定。

3.3 水閘過流能力復核

閘孔出流與堰流的區分，主要根據過閘水面是否受閘門（或胸墻）的影響判斷。閘門開度與堰上水頭比值小于等于0.65時，為閘孔出流；閘門開度與堰上水頭比值大于0.65時，為堰流。本次復核采用閘門全部開啟和半開兩種情況分別驗算閘孔凈寬，即采用堰流和孔流兩種工況分別驗算。

（1）平底閘堰流時的閘孔總凈寬計算方法。對于平底閘，為堰流時，閘孔總凈寬計算：

（2）閘孔出流時的閘孔總凈寬計算方法。

有胸墻的水閘或開敞式水閘閘門部分開啟時，過閘水流表面受到上部胸墻或閘門的影響，此時過閘水流為孔流狀態，其閘孔總凈寬計算：

閘孔過流能力復核計算結果如表4所示。

表4 閘孔過流能力復核結果統計

復核計算結果表明，在上述三種工況下閘孔凈寬均滿足過流能力要求。

3.4 消能防沖復核

（1）消力池計算。

消力池深度：

將式（14）移項變為：

該式屬于收斂的迭代公式，用循環迭代方法可以求hc。消力池長度計算：

式中：Lsj——消力池長度（m）；Ls——消力池斜坡段水平投影長度（m）；β——水躍長度校正系數，可采用0.7～0.8，計算采用0.75；Lj——水躍長度（m）。

（2）海曼長度計算。

式中：Lp——海漫長度（m）；qs——消力池末端單寬流量（m2/s）；Ks——海漫長度計算系數。

（3）計算結果。

根據消能計算原理和閘室、消力池的實際布置形式，三種不同工況計算結果如表5所示。

表5 消能防沖復核計算結果 單位：m

由此可見，在三種不同洪水水位工況下，消力池深度、長度以及海漫長度均能滿足消能要求。

4 結語

高碑店節制閘工程質量檢測結果滿足標準要求，部分混凝土構件存在剝蝕、裂縫、箍筋外露等問題，部分金屬構件銹蝕較重。高碑店節制閘安全復核計算結果均滿足現行規范標準。

（1）對破損的混凝土結構采用聚合物砂漿等材料及時修復，對裂縫進行灌漿處理，對混凝土結構整體進行防碳化處理，防止碳化深度進一步發展。

（2）對銹蝕的金屬結構及時進行除銹防腐處理，對銹蝕嚴重的金屬構件及時進行更換。

（3）結合水閘整體運行情況，應及時開展相關的除險加固工程。