周庄套闸工程安全性态分析研究

周逢强，马永法

(1.无锡市水利设计研究院有限公司，江苏无锡214023；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009)

0 工程概况

周庄套闸工程位于江阴市周庄镇应天河干流上，东连张家港，西接白屈港河，贯通锡澄运河，为望虞河工程配套项目——望虞河西控制线上的配套建筑物，是防止望虞河泄洪入江时高水倒灌武澄锡低片的控制工程，兼有引排和通航效果。该工程由一座套闸和一座节制闸组成。工程1999年1月6日开工建设，1999年6月完成全部水下工程，拆除上下游施工围堰，1999年10月底竣工验收。

周庄套闸工程呈集中布置型式，上闸首与节制闸并列布置，套闸中心线与节制闸中心线相互平行，且相距20.0 m，套闸位于河道北侧。周庄套闸上下闸首净宽12.0 m，闸室尺度为16 m×160 m；节制闸闸室净宽10.0 m；周庄套闸上下闸首及节制闸均采用C20钢筋混凝土U型结构，底板顶面设计高程为0.00 m(吴淞高程，下同)，闸室墙及上下游翼墙均为浆砌块石重力式结构，挡墙临水侧外覆150 mm厚C20钢筋混凝土，闸室墙墙顶和上下游翼墙高程为5.50 m，闸室及上游翼墙顶部设50 cm高防洪墙，顶高程为6.00 m。上闸首、节制闸门顶高程为5.70 m，下闸首门顶高程为4.50 m。节制闸和套闸上下闸首均采用升卧式平面钢闸门，上下闸首采用QPQ2×16T卷扬式启闭机，节制闸采用QPQ2×16T卷扬式启闭机。上闸首、节制闸工作桥顶高程为12.10 m，下闸首工作桥顶高程为11.70 m。

周庄套闸工程是望虞河西控制线规模较大的重要控制工程，在防洪、排涝、航运、引水、水环境保护等方面发挥了重大作用。该工程已运行12年，部分结构混凝土胀裂严重并且钢筋外露，闸首、闸室及水工机械都出现不同程度的老化和锈蚀，为了工程的安全运行和效益发挥，有必要对该工程进行安全性态分析研究，确定其安全等级，为管理单位安全运行提供依据。根据《水闸安全鉴定规定》SL214-98[1]的要求，对周庄套闸工程现状进行了调查分析，对周庄套闸工程设计施工、技术管理等进行了探讨[2]，并就周庄套闸工程管理运用过程中存在的问题，对该工程现场安全检测、安全复核计算的内容提出了建议。

1 工程运行管理评价

周庄套闸工程当初建设标准较高，施工质量较好，且在管理所的精心管理维护下，每次汛期都提前制定相应的防汛应急预案，故尚未发生过安全责任事故，现状调查情况表明，工程处于较好的运行状态。根据江阴市白屈港水利枢纽工程管理处提供的《周庄套闸垂直位移观测统计表》可知，周庄套闸工程的平均沉降值分别为0.0150 m(2008年)、0.01244 m(2009年)和0.01152 m(2010年)。闸基较为稳定，无异常情况。

2 土建结构安全性态分析

根据现状调查分析报告和水闸安全鉴定的有关规定[1]，对周庄套闸工程的结构强度、混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度及结构病害进行了现场安全检测。检测采用了ZC3-A型回弹仪[3]、超声检测仪、钻机[2]等仪器设备，检测方法采用现场采样、现场测试和室内试验的方法，得出了较为准确的检测结果，最后还对检测结果进行了分析评价，并对安全复核计算内容提出了建议。

2.1 结构强度安全性态分析

分别采用综合回弹法[4]、钻芯法[5]对该工程进行混凝土强度检测，各构件混凝土强度推荐值[6]见表1。

表1 混凝土强度检测成果表

由表1可知，所有构件的实测混凝土强度均满足原设计要求，上闸首闸墩、上闸首工作桥大梁、下闸首工作桥大梁、节制闸工作桥大梁同时满足《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)有关混凝土最低强度等级要求；上闸首排架、下闸首闸墩、下闸首排架、上闸首翼墙、下闸首翼墙、闸室墙、节制闸闸墩、节制闸排架不满足《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)[7]有关混凝土最低强度等级要求。

2.2 混凝土碳化深度

由检测结果可知，该工程各构件中闸墩的碳化深度普遍较小，碳化深度在2.5 mm～8.0 mm，排架的碳化深度较大，其中上闸首右排架的碳化深度最大，其值达26.5 mm，节制闸左排架的碳化深度也较大，其值达28.0 mm。上闸首工作桥下游侧大梁碳化深度最大，其值达32 mm。

2.3 混凝土保护层

对每个构件，根据受力主筋的走向，选择五个点，用瑞士PROCEQ公司制造的SCONLOG-B型钢筋位置测定仪测定混凝土保护层厚度。混凝土保护层厚度检测结果见图1。

图1 混凝土保护层测值和碳化深度分布图

由检测结果可知，该工程各所测构件的最小实测值均大于《水工混凝土结构设计规范规定》(SL191—2008)规定值和最大碳化深度；除上闸首右闸墩、节制闸左墩外，其他闸墩的实测混凝土保护层厚度均小于设计值；除上闸首排架、节制闸右排架外，其他排架的实测混凝土保护层厚度均小于设计值；各工作桥大梁的实测混凝土保护层厚度均大于设计值；各翼墙的实测混凝土保护层厚度也均大于设计值；各闸室墙的实测混凝土保护层厚度也均大于设计值。

2.4 结构病害检测

钢筋混凝土结构病害的检测主要是从裂缝宽度、长度、走向、位置、表面特征，混凝土是否膨胀、剥落、钢筋是否锈蚀等几个方面来进行检测并综合判断。

该工程各组成部分局部存在病害，主要有:①上闸首右排架上游侧向近牛腿处混凝土缺失一处，范围为5 cm×10 cm；②左闸室墙挡浪墙胀裂露筋严重；③右闸室墙挡浪墙普遍胀裂露筋；④上闸首上游右翼墙第三节浆砌块石翼墙压顶混凝土露筋严重；⑤下闸首与翼墙接缝处损坏；⑥上闸首右管理房渗水；⑦下闸首启闭机房渗水严重；⑧周庄节制闸右排架下游牛腿露筋一处，长15 cm。

2.5 建筑物安全性态分析

由以上检测结果可知，周庄套闸工程建筑物工作性态良好。

3 闸门与启闭机安全性态分析

对金属结构主要进行了启闭机[8]性能状态检测、闸门外观检查、闸门焊缝超声波探伤、闸门涂层厚度检测、启闭机运行参数检测，从而对其进行评价。具体分析如下:

(1)周庄套闸的启闭机底座良好；钢丝绳轻微锈蚀，缺少润滑；主动齿轮润滑不良；行程开关、开度指示器、制动器与制动毂、电动机与减速器等均完好，功能基本满足要求；启闭机主要零部件无损伤、无裂纹、无变形，无锈蚀；启闭机的外观形态无锈蚀和损伤；传动部件无严重磨损、损伤，配电柜较为简陋。

(2)周庄套闸钢闸门焊缝探伤符合要求，防腐涂层厚度基本符合要求，局部不符合要求；钢闸门整体及主要构件无折断、损伤，门体局部轻微锈蚀，主要构件轻微锈蚀；橡皮部分无损坏，压板、螺栓部分轻微锈蚀；门体局部变形量未超标，闸门的主轮、轨道、吊耳等零部件存在不同程度的轻微锈蚀，锈蚀总构件数远小于30%；锁定装置完好。

(3)周庄套闸的栏杆部分轻微锈蚀；连接爬梯基本无锈蚀，人行便桥底板出现锈穿等现象，影响安全；闸室防撞柱钢板一般锈蚀，局部有碰撞变形；门窗完好，基本无锈蚀。

(4)周庄套闸的电气控制箱简陋。上闸首、下闸首和节制闸的启闭机的三相电流、三相电压不平衡度皆满足规程要求。

4 安全复核计算分析

4.1 安全性态计算内容

本次安全性态计算针对闸孔孔径安全性态、消能防冲设施安全性态、防渗设施安全性态、闸室稳定安全性态、翼墙稳定安全性态和闸室底板、闸墩、工作桥结构、排架结构、闸门结构、翼墙结构进行了复核计算。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)[9]周庄套闸所处的地震动峰值加速度为0.05 g，相当于地震基本烈度6度。其中节制闸过流能力、消能防冲计算机防身计算考虑正向设计、反向设计两种工况，上下闸首、节制闸渗流计算、稳定及结构计算考虑正向设计、正向校核、反向设计、反向校核、闸室检修、闸首检修六种工况。

渗流计算主要是验算防渗长度，并且采用改进阻力系数法计算渗流出口坡降和水平坡降是否满足规范要求，渗流计算时取上下游水位差最大时的工况，计算结果见表2。

表2 渗流计算成果表

稳定计算主要考虑在自重、水重、水压力、扬压力[10]等荷载作用下，上下闸首、节制闸在各工况下抗滑安全系数、地基应力不均匀系数及地基承载能力是否满足规范要求。

经计算，周庄套闸工程上闸首最小抗滑安全系数出现在正向校核期，其值为1.48，大于允许值1.10；最大地基应力不均匀系数出现闸室检修期，其值为2.23，小于允许值2.50；最大平均地基反力出现在闸室检修期，其值为64.85 kPa，小于地基允许承载力125 kPa；最大地基反力出现在闸室检修期，其值为89.51 kPa，小于地基允许承载力的1.2倍。

下闸首最小抗滑安全系数出现在闸室检修期，其值为1.56，大于允许值1.10；最大地基应力不均匀系数出现闸首检修期，其值为1.30，小于允许值2.50；最大平均地基反力出现在闸室检修期，其值为63.27 kPa，小于地基允许承载力125 kPa；最大地基反力出现在闸室检修期，其值为67.11 kPa，小于地基允许承载力的1.2倍。

节制闸最小抗滑安全系数出现在正向校核期，其值为1.67，大于允许值1.10；最大地基应力不均匀系数出现反向设计期，其值为1.67，小于允许值2.00；最大平均地基反力出现在正向校核期，其值为63.38 kPa，小于地基允许承载力125 kPa；最大地基反力出现在反向设计期，其值为77.51 kPa，小于地基允许承载力的1.2倍。

闸室底板、闸墩结构计算采用河海大学水工结构有限元[11-13]计算软件进行。周庄套闸上下闸首、节制闸均为单孔坞式结构，闸室底板为整体式平底板，经简化后利用有限元结构建模，作用的荷载主要有底板和闸墩自重、不平衡剪力、水压力、土压力等，通过有限元软件计算出闸室底板、墩墙所受的最大弯矩值，计算模型见图2。

图2 结构内力计算模型

周庄套闸上下闸首、节制闸底板及闸墩结构强度计算结果见表3。

表3 周庄套闸上下闸首、节制闸底板及闸墩结构强度计算结果表

工作桥、排架、闸室墙、翼墙、闸门结构计算均采用最不利工况对其结构强度、闸门启门力进行复核计算。

4.2 安全复核计算结果

(1)套闸上下闸首、节制闸防渗长度、水平坡降最大值、出逸坡降最大值满足规范要求；

(2)套闸上下闸首、节制闸在各工况下抗滑安全系数、地基应力不均匀系数、地基承载能力均满足规范要求；

(3)闸室边段和中段在各工况下抗滑安全系数、地基应力不均匀系数、地基承载能力均满足规范要求；

(4)上下游各级翼墙的抗滑安全系数、地基应力不均匀系数、地基承载能力均满足规范要求；

(5)闸室底板底层、面层、闸墩配筋在各工况下均满足要求；

(6)工作桥悬臂板、横梁、纵梁配筋量均满足要求；

(7)闸门主梁、面板强度满足要求，启闭机容量满足要求。

5 结 语

根据以上分析，周庄套闸工程主体为混凝土结构，各水工建筑物、机电设备、金属结构等处于良好的安全状态；主要设计指标均基本能满足要求，按照《水闸安全鉴定规定》[1](SL214-98)第6.0.2条，周庄套闸安全级别定为一类闸。为了保证周庄套闸工程的安全运行，有必要对该工程的安全性态进行分析研究。本文通过工程运行管理、建筑物及金属结构安全检测以及工程安全复核计算等方面对该闸安全性态进行了分析研究，并提供了较为可靠的运行参数，从而为管理单位安全运行提供了科学依据。

[1]中华人民共和国水利部.SL214-98.水闸安全鉴定规定[S].北京:中国水利水电出版社，1998:4-8.

[2]孟怡凯，曹邱林.江苏省大套船闸工程安全性态分析研究[J].水利与建筑工程学报，2010，8(5):88-89，96.

[3]中华人民共和国建设部.JGJ/T23-2001.回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[4]中华人民共和国水利部.SL352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社，2006.

[5]中国工程建设标准化协会.CECS03-2007.钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国水利水电出版社，2007.

[6]扬州大学水建学院工程测试中心.周庄套闸工程建筑物现场安全检测报告[R].扬州:扬州大学，2011:3-11.

[7]中华人民共和国水利部.SL191-2008.水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国水利水电出版社，2008.

[8]中华人民共和国水利部.SL101-94.水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[S].北京:中国水利水电出版社，1994.

[9]GB18306-2001.中国地震动参数区划图[S].北京:中国标准出版社，2001.

[10]陈宝华，张世儒.水闸[M].北京:中国水利水电出版社，2001.

[11]王元汉，李丽娟，李银平.有限元法基础与程序设计[M].广州:华南理工大学出版社，2001.

[12]雷晓燕.有限元法[M].北京:中国铁道出版社，2000.

[13]傅永华.有限元分析基础[M].武汉:武汉大学出版社，2003.