老河身閘除險加固方案比選及抗滲穩定分析

韓良凱

(遼寧省丹東市水利勘測設計研究院，遼寧 丹東 118000)

除險加固是恢復攔河節制閘下游流量控制和水位調節功能，提高防洪標準保證水閘安全運行，充分發揮工程效益以及促進區域經濟發展的重要技術手段[1-4]。老河身閘建于20世紀70年代，由于建成年限較長、建設標準低、老化壞損嚴重，加之長期運行缺少有效的維修管理，老河身閘長期處于低效“帶病運行”狀態。2019年安全鑒定及核查認定老河身閘為三類閘，主要存在電氣設備老化失修、抗滲穩定不滿足要求、混凝土結構腐蝕嚴重、河道嚴重淤積等問題，加之攔蓄灌溉及安全泄洪條件惡化亟需實施除險加固整治。文章詳細論證老河身閘除險加固方案，并進一步探討了閘基防滲排水體系及其抗滲穩定性。

1 工程概況

1.1 基本情況

老河身閘位于大洋河紅旗溝段右岸，樁號5+955。防洪標準20a一遇，排澇標準5a一遇，設計排澇流量為4.39m3/s，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。當大洋河發生較大洪水時，關閉穿堤涵閘閘門擋水，小河沿及稻田水通過閘上泵站強排至穿堤涵閘外側。

1.2 病險現狀

截至目前，在防洪排澇、攔蓄灌溉等方面老河身閘發揮著重要作用，但由于施工質量差、建設標準低、服役時間長等因素，老河身閘存在許多病險問題，具體如下：①水閘碳化嚴重，強度整體偏低，混凝土多處開裂致使內部鋼筋銹蝕，對水閘安全運行構成潛在威脅；②由于存在裂縫和混凝土碳化，排架柱及機架橋的承載力大大下降，排架、部分雙向的受力面板及主梁無法滿足規范要求；③受兩側邊墩繞滲和基礎不均勻沉陷作用，刺墻、橋頭堡已經出現錯位喪失止水功能；④閘進口翼墻傾斜，閘框砂化，漿層脫落，露石、露筋，閘后沖刷嚴重，無消能工程；⑤啟閉機銹蝕難以正常啟動，電氣設備老化失修，貫徹設施簡陋廢棄。經安全鑒定，涵閘已運行多年，其中老河身閘年久失修，進口翼墻斷裂損壞嚴重，涵洞嚴重變形，無法發揮正常的作用，各項指標不滿足設計要求亟需進行除險加固處理，以恢復防洪排澇、攔蓄灌溉等功能。

2 除險加固方案比選

2.1 方案比較

現狀生產橋、機架橋、排架柱、節制閘閘墩露筋銹蝕、裂縫、麻面、混凝土碳化嚴重，整體耐久性明顯下降；閘室大小底板出現不均勻沉降裂縫，配筋達不到現行設計標準，需要拆除重建。綜合考慮水閘運維條件、施工組織、構筑物布置、閘址處地形條件等因素，初步設計3種不同方案，如表1所示。其中，方案1：閘室改建為倒π型結構、地基改建為復合地基；方案2：閘室改建為倒π型結構、加固灌注樁基礎；方案3：維持閘室的大小底板結構、保留灌注樁基礎。

表1 老河身閘除險加固擬定方案

由表1可以看出，拆除改建閘室(方案3)能夠有效解決閘室配筋不足、強度低、混凝土老化等問題，從而達到規范要求，水平承載力也可滿足設計要求，但原灌注樁埋入地下近50a無法準確計算其承載力，因此安全冗余系數較小；對于補樁增強樁基承載力并拆除改建閘室的方案2，其采用混凝土灌注樁基礎可能會存在地基土與閘底板“脫空”的情況；針對地基采用水泥土攪拌樁復合地基、上部結構與方案2相同的方案1，其閘室協調變形能力好且有效解決了地基土與閘底板可能“脫空”的問題，復合地基在提高地基與底板摩擦系數的同時還增大了地基豎向承載力，能夠更好地實現閘室抗滑穩定。從成本控制上，方案3最小、方案2最大、方案1居中。

綜上分析，3個方案的樁基承載力及閘室穩定性均能滿足設計要求，但現階段無法精準檢測原狀基承載力，所以原樁基承載力具有較大不確定性。此外，原混凝土灌注樁可能存在地基土與閘底板“脫空”的情況，為了實現除險加固后水閘的長效安全穩定運行，優選考慮技術經濟性更優、工程匹配性更高的方案1。

2.2 防滲排水措施

水閘的安全運行與滲流問題存在密切聯系，水體滲流會導致擋墻、閘墩發生滲透變形及水閘整體質量的破壞，甚至會導致水閘垮塌等安全事故的出現[5-8]。因此，必須科學分析水閘的防滲排水措施，并對加固整治后水閘的抗滲穩定性進行整體評價[9]。

現狀水閘底板的水平長度14.0m、上游鋪蓋鋼筋混凝土段長18.0m。將上游鋪蓋進行拆除改建，翼墻底板、閘室底板與普高之間設止水，將遇水膨脹止水條填塞至原鋪蓋與改建段鋪蓋之間的施工縫內，采用瀝青砂漿對臨水面進行勾縫，鋪蓋下砂壤土挖出后利用水泥土回填。下游護坦上設置3排排水孔，排水孔下布設反濾層且保持底板距離第1排1.0m。

將下游翼墻及閘室底板進行拆除改建，改建段長4.0m，將下游消力池底板受影響范圍進行拆除改建，翼墻底板、閘室底板與底板之間設止水，將遇水膨脹止水條填塞至原底板與改建段底板之間的施工縫內，采用瀝青砂漿對臨水面進行勾縫；同時，采用中砂回填消力池底板，改建段底板布設3排PVC排水管，直徑為5cm，按照梅花形、每排間距1m的形式布置。

采用扶壁式翼墻連接水閘兩岸，前、后端翼墻為圓弧形和直線形，順水流方向鋼筋混凝土鋪蓋銜接段的投影長度為10m，后翼墻長8.0m，最大高程21.50m；順水流方向閘室邊墩長度14.0m，最大高程21.50m；邊墩與翼墻間、翼墻間設止水，邊墩與翼墻后填筑壤土，滲透系數設計值8.0×10-5cm/s、壓密度0.95。將孔徑50mm的PVC排水管沿下游擋墻布設3排，并以粗砂及土工布設于排水管墻內側端頭以發揮反濾作用。

2.3 抗滲穩定分析

2.3.1 閘基滲流穩定

1)地質條件。總體上，可將水閘閘址區勘探深度范圍內土層劃分成黏土層(Q3alp)、壤土層(Q3alp)、黏土層(Q3alp)、壤土層(Q4alp)、黏土層(Q4alp)、砂壤土層(Q4alp)、壤土層(Q5)。老河身閘現狀閘基土體依次為黏土、壤土和黏土，所對應的滲透系數為2.7×10-6、6.4×10-6、4.8×10-6cm/s。黏土層滲透變形形式按照《水利水電工程地質勘察規范》可以判定為流土，閘基黏土層滲漏為水閘面臨著主要問題，出口段和水平段允許滲流坡降值為0.60、0.30。

2)計算模型。設計正常擋水和加大擋水兩種工況進行，即下游水位平閘底板條件下閘前正常蓄水位為17.30m、17.80m兩種條件，如圖1。通過網格劃分和水閘滲流計算利用有限元軟件建立模型，為簡化計算模型僅展示閘門、水閘底板和水閘鋪蓋等關鍵部位。將上游水位總水頭定義為水閘上部，下游水位總水頭為水閘下部平地板[10-13]。

(a)正常擋水工況

(b)加大擋水工況

3)成果分析。經數值模擬，確定不同計算工況下閘基滲流穩定計算結果，如表2。從表2可以看出，閘后出溢點的最小滲透比降(0.305)以及基礎與閘底板基礎面的最小滲透比降(0.128)均小于允許值0.30、0.60，并且具有較大的安全冗余，能夠保證水閘的安全穩定。

表2 閘室滲透比降模擬計算

2.3.2 側向繞流分析

翼墻兩側及閘室邊墩回填土壤的滲透系數9.2×10-5cm2小于地基土，參照閘基滲流計算方法和《水閘設計規范》確定防滲長度，其計算式為：

L=C·△H

(1)

式中：C、△H為墻后回填壤土的允許滲透系數值和上下游水位差，文中C取5.0，△H為5.5m。采用以上公式確定老河深閘的防滲長度L不應低于28m，而除險加固方案中邊墩順水流向及上游翼墻總設計長度為35m，因此能夠達到防滲要求。

3 結 語

除險加固是恢復病險水閘生態環境供水、防洪排澇和蓄水灌溉等功能的重要手段。文章通過論證分析除險加固方案的經濟性、可行性，得出的結論如下：

1)經安全鑒定符合和現場檢測，老河身閘存在安全隱患，各項指標難以滿足運行要求，長期處于帶病運行狀態，被鑒定為三類閘，為保證其功能效益的發揮亟需實施除險加固整治。

2)考慮構筑物布置、主體結構性能、水閘病險現狀等因素，確定有利于閘基滲流穩定、閘室沉降變形適應能力好的水泥土攪拌樁符合地基拆除重建方案為最優方案。

3)側向繞滲和閘基滲流計算表明，除險加固方案中滲流長度和滲透比降符合規范要求，防滲排水措施科學合理能夠保證整體安全穩定。