武障河閘擴建工程中現狀老閘安全復核計算分析

王楊潔

（連云港市鹽東水利工程管理處,江蘇 連云港 222500）

1 工程概況

灌南縣武障河閘位于新安鎮境內武障河與鹽河交匯處東側約500 m處（平面位置示意圖見圖1）,是鹽東控制工程的骨干工程之一,其主要工程任務有排澇入海、擋潮御鹵、蓄水灌溉等。武障河閘建于20 世紀60 年代~70 年代,原設計標準為3 級建筑物,原河閘共14 孔總凈寬88 m,其中,12 個中孔閘門寬為6 m,兩邊孔為通航孔凈寬8 m,閘底采用混凝土反拱式,順水流長14 m, 邊孔底板寬9.6 m,閘頂高程4.5 m,底板高程-2.5 m,鋼板閘門直升門,閘墩采用鋼筋混凝土結構,公路橋為梁板結構,橋面寬7 m,工作橋寬4.5 m,橋面高程為11.7 m,采用鋼筋混凝土排架結構[1]。 由于受當時技術、經濟、以及工期等因素的影響和限制,原水閘在設計、施工方面不滿足標準要求,從 1976 年運行至今,水閘已經過多次除險加固,但仍然存在較大的安全隱患,經安全鑒定為 三類閘,本文通過對武障河閘老閘進行安全復核計算分析,為確定河閘除險加固方案提供指導和參考依據。

圖1 武障河閘平面位置示意

2 存在的問題

鹽東控制武障河閘工程建設時因受技術、經費、材料等因素限制,采用了素混凝土反拱底板、預制砼薄殼拼裝等結構形式,閘門門頂高程僅為3.0 m,擋潮高度不足。2015 年,武障河閘經安全鑒定被評定為三類閘,安全鑒定后一直沒有采取除險加固措施,但經近幾年運行發現,工程存在問題進一步加劇,特別是閘室底板縱向通縫進一步增多,存在重大安全隱患,閘門、啟閉機長期頻繁高負荷運行、部分電氣設備老化,給運行管理帶來很大的不便。水閘雖經過多次除險加固, 但對水下部分基本沒有加固處理。2017 年3 月水下檢查結果及近幾年管理單位運行管理過程中發現的問題,該閘目前存在較多安全隱患,水閘帶病運行,本次水閘安全評定中工程質量分級為C級,評定武障河閘工程為三類水閘。

3 安全復核分析

本文按新的規劃水位對武障河現狀閘進行安全復核計算分析[2],計算內容包括閘頂高程復核、過流能力復核、結構強度復核等方面。

3.1 閘頂高程復核

根據《水閘設計規范》（SL 265-2016）第4.2.4 條,泄洪時閘頂高程應高于設計及校核洪水位加相應安全超高值,關門時應高于設計及校核洪水位加波浪計算高度和相應安全超高值[3],波浪高度按莆田試驗站公式計算,兩種工況閘頂高程復核成果見表1。

表 1 閘頂高程復核成果表

從表1可知,現狀閘墩頂高程4.5 m,小于復核水位組合下計算所需的閘頂高程,故現狀閘閘頂高程不能滿足規范要求。

3.2 水力復核計算

（1）過流能力復核

根據工程規模分析中鹽東控制布局優化成果,武障河閘原址擴建設計流量為848 m3/s,武障河閘現狀閘孔凈寬88 m,根據水閘設計規范附錄A.0.1堰流流量公式, 對現狀閘孔過流進行復核,本文不再單列公式,計算成果見表2。

表 2 過閘流量復核成果表

計算成果表明武障河閘閘孔凈寬不滿足最近規劃過流的要求。

（2）消能防沖復核計算

1）消力池計算

閘室現狀下游設鋼筋混凝土綜合式消力池,總長19 m,斜坡長4 m,消力檻頂高程為-2.50 m,消力池底板面高程為-3.50 m,底板始端厚度為1.1 m,末端厚度為0.6 m。海漫長度為45 m。消力池深度和長度分別按《水閘設計規范》附錄B中公式進行計算,本文不在列出,消力池計算成果見表3。

表 3 消力池計算成果表

計算成果表明,現狀消力池長度偏短,消力池深度、底板厚度滿足要求。

2）海漫及防沖槽計算

海漫長度和河床沖刷深度復核計算應根據《水閘設計規范》中附錄 B.2.1 和附錄 B.3.1 公式計算[4],經計算,現狀海漫長度為30 m,小于計算值51.65 m,故現狀海漫長度不滿足規范要求,復核成果見表4。河床沖刷深度最大值為15.44 m,考慮塊石蓋護厚度0.5 m,沖坑邊坡為1∶2（根據有關資料,粘土邊坡系數m推薦值2.0~4.0）,所需消力池斷面面積為31.83 m2,實際設防沖槽消力池斷面面積為3.375 m2,故消力池防沖槽斷面不滿足規范要求,即沖刷深度不滿足規范要求。河床沖刷深度復核成果見表5。

表 4 海漫長度復核成果表

表 5 河床沖刷深度復核成果表

3）滲流復核計算

武障河閘基防滲長度L=45 m,上、下游最大水位差發生在反向校核工況,上游水位H上=3.60 m,下游水位H下=-2.22 m,故ΔH=5.82 m。閘基土層為粉質粘土, 根據《水閘設計規范》表4.3.2,取有濾層的粘土地基允許滲徑系數為 3,故閘室縱向防滲長度按規范要求根據 L=CΔH（《水閘設計規范》4.3.2）,計算得允許滲徑長度L=17.46 m,另經計算,側向繞滲長度為22.4 m,故閘基防滲長度、側向繞滲長度均滿足設計要求,但4#孔閘底板在上游閘門中間一條縱向裂縫向上游延伸,長度6.8 m,存在滲徑長度不足的安全隱患。

3.3 閘室抗滑穩定計算

武障河閘底板為連拱反拱結構,底板共分 4 聯,兩邊孔各為一聯,中間12 孔分為六孔一聯,共二聯,邊孔底板拱腳處高程-2.17 m,中間12 孔底板拱腳處高程-2.5 m,14 孔拱底處高程均為-3.0 m。穩定復核時,取邊孔一聯和中跨六連孔一聯進行抗滑穩定復核計算。

根據《連云港市武障河閘加固工程初步設計報告》,閘室持力層為黃色粉質粘土,標準貫入擊數一般10~15擊。該層土的土質指標 C=28 kPa~32 kPa、φ=12°~14°, 閘室抗滑穩定安全系數按《水閘設計規范》公式 7.3.6-2 計算,其成果見表 6、表 7。

表 6 單孔閘室穩定計算成果表

由表 6 可知,邊孔閘室正向設計和正向校核工況下不均勻系數和抗滑安全系數均滿足規范要求,反向設計和反向校核工況下不均勻系數不滿足規范要求,抗滑安全系數滿足規范要求。

表 7 六連孔閘室穩定計算成果表

由表 7 可知,六連孔閘室正向設計和正向校核工況下不均勻系數和抗滑安全系數均滿足規范要求,反向設計和反向校核工況下不均勻系數不滿足規范要求,抗滑安全系數滿足規范要求。

綜上所述,根據計算成果,現狀水位組合下,閘室抗滑安全系數仍能滿足規范要求,但部分工況下不均勻系數不滿足規范要求。

3.4 閘底板、閘墩結構強度復核

（1）閘底板結構強度復核

本工程閘底板原設計混凝土標號C20,底板按無鉸拱計算,同時考慮外荷載及拱腳不均勻沉陷引起的內力,確定外荷載時考慮地基反力按反拱底面積及墩基底面積 比例分配,反拱與墩基各占50%兩種情況,取其大值。閘室以閘門底止水與底板交接處為界,分為上游段（長9.55 m和下游段（長4.45 m）分別計算,垂直水流向取單寬1 m, 拱腳不等沉陷引起的內力按圓弧無鉸拱彈性中心法計算,假定中孔拱腳不等沉陷0.2 cm, 邊孔不等沉陷0.3 cm。經計算,中孔、邊孔內力計算結果見表 8。

表 8 底板強度復核成果

邊聯底板實配鋼筋為 Φ16@30,不滿足結構強度要求,中聯底板僅拱腳處配筋, 實配鋼筋為 Φ16@30,不滿足結構強度要求,且中孔跨中無配筋,不滿足現行《水工混凝土結構設計規范》要求。

（2）閘墩強度復核

邊墩厚度0.8 m,中墩厚度1.00 m,縫墩厚度0.80 m,墩底高程-2.50 m,順水流向長14.0 m,原設計混凝土標號C15,閘墩為素混凝土偏心受壓構件,按《水工混凝土結構設計規范》中 5.2.2-4 公式：

式中：N 為構件正截面承受的軸向壓力計算值；fc為混凝土的許可壓應力,取6.2 N/mm2；φ為素混凝土構件的穩定系數,取 0.74；b、h分別為矩形截面的寬度和高度,m；e0為軸向壓力的偏心距。

閘墩受力主要考慮以下 2 種工況組合：1）閘墩自重、閘墩上部結構自重、啟門力、汽車制動力；2）閘墩自重、閘墩上部結構自重、一孔檢修時水壓力。經計算,混凝土σmax=1.95 MPa

門槽部位縱向按軸心受拉構件計算,取墩條上游段為脫離體,計算得每米墩條高度范圍內所受最大拉力N=94.4 kN。按《水工混凝土結構設計規范》7.4.1 公式計算：

式中：N為軸向拉力計算值,kN；K為承載力安全系數；fy為縱向鋼筋的抗拉強度設計值,N/mm2；AS為縱向鋼筋的全部截面面積,cm2。

經計算,AS≥5.62 cm2,實配鋼筋Φ10@25 為3.14 cm2,故門槽順水流方向配筋不滿足規范要求。

綜上所述,新的水位組合下,上下游水位差加大,底板及閘墩配筋不能滿足規范要求。

4 結論及建議

本文通過新規劃流量水位組合下,對老閘進行安全復核,分析可知現狀老閘存在閘孔凈寬不滿足最近規劃過流的要求,閘孔凈寬不足,閘下消能防沖設施不足,存在滲徑長度不足的安全隱患,上下游水位差加大,底板及閘墩配筋不能滿足規范要求等問題,河閘存在重大的安全隱患,現已無法運行,必須提出武障河閘的除險加固方案和措施,以消除工程安全隱患,保護該區域人民的生命財產安全。