水閘閘室結構安全穩定復核分析研究

楊啟龍

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某水庫流域集水面積2 112 km2，庫區范圍4.5 km2，于1987年興建，1997年建成蓄水運行。水庫原總庫容3 770萬m3，死水位1 563.55 m，死庫容1 000萬m3；興利水位1 570.55 m，興利庫容2 524 萬m3；汛限水位1 569.55 m，相應庫容2 268.3 萬m3；設計洪水位1 572.05 m，相應庫容3 040 萬m3，非常運行期水位1 574.10 m。水庫主要任務是攔蓄布谷孜河洪水和冬閑水，解除流域的洪水、干旱雙重災害，保證水電站引水發電，同時兼顧養殖、旅游。溢洪道為開敞式溢洪道，布置在大壩西面約70 m 處，由進口段、控制堰（控制堰采用駝峰堰、弧形閘門控制）和泄槽組成，總長102 m，堰頂寬3×12 m，堰頂高程1 566.50 m，泄槽縱坡0.038。

2 閘型方案綜合比較選擇

2.1 溢洪道閘胸墻式直升門結構

根據工程特點，對胸墻式直升門、胸墻式弧形門、涵洞式3 種閘室結構型式進行方案比選。新建溢洪道閘閘室采用胸墻式直升門結構，閘孔總凈寬24 m，共3孔，每孔凈寬8 m。閘底板頂面高程4.50 m，厚1.4 m。閘中墩厚1.1 m，邊墩厚1.1～1.4 m。閘室順水流方向長18 m，垂直水流方向寬29 m。閘門偏下游側布置，采用平面定輪直升式鋼閘門，配備卷揚式啟閉機啟閉。工作閘門上游側設檢修門槽，檢修門為浮箱式疊梁門，采用汽車吊啟閉。閘門上方設工作橋，橋面高程22 m、寬5 m，上設啟閉機房。

考慮兩岸防汛交通要求和日常管理工作需要，在閘身上游側布置凈寬7 m 的交通橋，汽車荷載等級采用公路-Ⅱ級，為現澆板式結構，橋面高程14.5 m。交通橋與閘兩側堤頂道路相接，閘室兩側均設路堤墻，墻頂高程14.5 m。啟閉機房東、西側分別設控制室和橋頭堡。

2.2 溢洪道閘胸墻式弧形門結構

新建溢洪道閘閘室采用胸墻式弧形門結構，閘孔總凈寬24 m，共3 孔，每孔凈寬8 m。閘底板頂面高程4.50 m，厚2.0 m。閘中墩厚1.1 m，邊墩厚1.1～1.4 m。閘室順水流方向長20 m，垂直水流方向寬29.0 m。閘門偏上游側布置，采用弧形鋼閘門，配備QH-2×160 kN 弧門卷揚式啟閉機啟閉。工作閘門上游側設檢修門槽，檢修門為浮箱式疊梁門，采用CDI-20 kN-12D 電動葫蘆啟閉。閘門上方設工作橋，橋面高程21.0 m，寬5.0 m，上設啟閉機房。閘身下游側布置凈寬7.0 m的交通橋，汽車荷載等級采用公路-Ⅱ級，為現澆板式結構，橋面高程14.5 m。交通橋與閘兩側堤頂道路相接，閘室兩側均設路堤墻，墻頂高程14.5 m。啟閉機房東、西側分別設控制室和橋頭堡。

2.3 溢洪道閘涵洞式結構

新建溢洪道閘閘室采用矩形箱涵結構，共3 孔，每孔孔徑8.0 m×4.0 m（寬×高），閘室底板面高程4.5 m、厚1.5 m，頂板底高程8.5 m、厚1.1 m。閘中墩厚度1.1 m，邊墩厚度1.1 m。整個閘室順水流方向長度17.0 m，垂直水流方向寬度28.4 m。工作閘門采用平面直升式鋼閘門，配備QP-2×250 kN-11m 卷揚式啟閉機。工作閘門上游側設檢修門槽，檢修門為浮箱式疊梁門，采用CDI-20 kN-12D電動葫蘆啟閉。閘門上方設工作橋，橋面高程21.5 m、寬5.0 m，上設啟閉機房。閘身下游側布置凈寬7.0 m的交通橋，橋面高程14.5 m，汽車荷載等級采用公路-Ⅱ級。交通橋與閘兩側堤頂道路相接，閘室兩側均設路堤墻，墻頂高程14.5 m。啟閉機房東、西側分別設控制室和樓梯間。

3 種閘室結構方案投資比較詳見表1，綜合比選詳見表2。

表1 溢洪道閘3種閘室結構方案投資比較

表2 溢洪道閘閘室結構方案綜合比選

經比較，3 種方案技術上均可行，方案1 閘門偏下游側布置，有效利用了上游水重來滿足擋洪期閘室穩定要求，節省了工程量，且啟閉機房位于下游，和管理所同側，方便管理。方案2、3 閘室結構無法有效利用上游水重，為滿足閘室穩定要求，需加長加厚底板或在涵洞上部空箱內填土壓重，且投資均比方案1高，故本次擬選用方案1。

3 溢洪道閘結構安全復核分析

3.1 溢洪道閘水位組合

本次復核計算所用水位組合，詳見表3。

表3 溢洪道閘復核計算水位組合

3.2 溢洪道閘堤頂高程復核

根據《水閘設計規范》（SL265-2016）第4.2.4條，閘頂高程計算結果為13.77 m，實際閘頂高程14.50 m，溢洪道閘閘頂高程滿足要求。

3.3 溢洪道閘過流能力復核

根據《水閘設計規范》，溢洪道閘的過流能力計算結果詳見表4。

表4 溢洪道閘過流能力計算成果

由表4可知，該閘過流能力均滿足要求。

3.4 溢洪道閘滲流復核

3.4.1 溢洪道閘防滲長度驗算

溢洪道閘閘基地下輪廓布置，如圖1 所示。該工程持力層為粗中砂、灰礫石，局部有少量黏土，根據規范允許滲徑系數取7。

圖1 溢洪道閘閘基地下輪廓布置示意

因L實= 32.99 m、ΔHmax= 7.51m（設計工況下H上=13.01 m、H下=5.5 m），故C=L/ΔH= 32.99/7.51=4.39<[C]= 7，閘基防滲長度不滿足要求。

3.4.2 溢洪道閘滲流復核計算

根據地下輪廓的特點，采用改進阻力系數法計算，地下輪廓簡化和分段如圖2所示。

圖2 溢洪道閘地下輪廓簡化、分段布置示意

由于地基土為粗中砂及礫石，取[J0]=0.40～0.45、[Jx]=0.15～0.17。經計算，閘身出口最大滲透坡降J0=0.272/0.55= 0.49>[J0]=0.40～0.45，閘身水平段最大滲透坡降Jx= 3.877/20= 0.19>[Jx]=0.15～0.17，閘身水平段、出口滲透坡降均不能滿足要求。

3.5 溢洪道閘消能復核

根據《水閘設計規范》，消能復核計算成果詳見表5。

表5 溢洪道閘消能復核計算成果

由表5 可知，消能Ⅰ、Ⅱ工況的消力池池長不滿足要求，池深、底板厚度及海漫長度均滿足要求；消能Ⅲ工況的消力池池深、長度不滿足要求，底板厚度、海漫長度均滿足要求。

3.6 溢洪道閘閘室穩定復核

3.6.1 溢洪道閘閘室結構

取溢洪道閘閘身上游段為計算對象，閘室共分為4孔，加固前，閘孔凈寬6.0 m，總凈寬24.0 m，底板為反拱底板，順水流方向長20 m，垂直水流方向長27.1 m，中墩厚0.7 m，邊墩厚度0.5 m，設胸墻，胸墻高程為8.5 m。加固后，閘孔凈寬為5.8 m，總凈寬23.2 m，底板厚0.6 m，反拱底板采用混凝土填平，中墩厚0.9 m，邊墩厚度0.6 m，底板頂高程為4.5 m，閘上布置工作橋、公路橋和工作便橋。閘室結構，如圖3所示。

圖3 溢洪道閘閘身上游段結構布置

3.6.2 溢洪道閘閘室穩定計算成果

根據《水閘設計規范》，閘身上游段穩定計算成果詳見表6。

表6 溢洪道閘閘身上游段穩定計算成果

由表6 可知，溢洪道閘閘身上游段的抗滑穩定安全系數、地基應力不均勻系數均不滿足要求，地基承載力滿足規范要求。

3.7 溢洪道閘結構復核計算

3.7.1 溢洪道閘閘室結構復核

采用有限元法對閘室結構進行受力分析，經計算，閘室配筋成果詳見表7。

由表7 可知，門槽附近底板、其他位置底板面層、上下游段閘墩、排架、撐梁等結構經過配筋計算，其結構承載能力均滿足要求。其他位置底板底層實際上未配鋼筋，但其混凝土抗拉強度基本能滿足要求。

表7 溢洪道閘閘室結構配筋計算成果

3.7.2 溢洪道閘工作橋結構復核

（1）工作橋結構。工作橋橋面高程16.0 m、寬2.95 m，采用梁板現澆的C25 鋼筋混凝土結構，具體結構如圖4所示。

圖4 溢洪道閘工作橋結構

（2）橫梁配筋計算。橫梁和縱梁整澆在一起，與縱梁的連接為半固定狀態，計算內力時可作簡化處理，計算正彎矩時按簡支考慮，計算負彎矩時按固定支座考慮，計算成果詳見表8—9。由表8—9 可知，工作橋橫梁強度滿足要求。

表8 溢洪道閘橫梁底部縱筋配筋計算成果

表9 溢洪道閘橫梁頂部縱筋配筋計算成果

（3）縱梁配筋計算。①正截面強度復核：縱梁兩端擱置在排架上，可按簡支梁計算，結果詳見表10。由表10可知，縱梁正截面強度滿足要求。②斜截面抗剪強度復核：實際φ8@200 的箍筋沿全梁布置，則Vcs=0.7ftbh0+1.25fyv Asvh0/s=202.24 kN>KV=193.2 kN，故縱梁斜截面抗剪強度滿足要求。

表10 溢洪道閘縱梁正截面承載力配筋計算成果

4 結語

經計算分析，溢洪道閘頂高程滿足要求，在各種工況下過流能力均滿足要求。該閘消能Ⅰ、Ⅱ工況的消力池池長不滿足要求，池深、底板厚度及海漫長度均滿足要求；消能Ⅲ工況的消力池池深、長度不滿足要求，底板厚度、海漫長度均滿足要求。閘基防滲長度不滿足要求；閘身水平段滲透坡降基本滿足要求，出口滲透坡降不能滿足要求。溢洪道閘原設計標準低，且已運行超過40 a，混凝土病害嚴重，被評定為四類水閘。建議盡快立項實施拆除重建，確保工程安全運行；同時，應加強安全觀測，必要時采取應急措施。