上六圩闸现场检测、复核计算与安全评估分析

董 莹 刘 坤 徐亚萍 陈灿明 郑圣义

上六圩闸现场检测、复核计算与安全评估分析

董 莹1刘 坤1徐亚萍1陈灿明2郑圣义3

一、概况

江苏省靖江市上六圩闸位于长江大堤上，为3孔中型闸，钢筋混凝土整体结构，中孔为通航孔，净宽7.0m；两侧边孔净宽3.0m（纵剖面如图1）。中孔为升卧式平面钢闸门，配2×160kN固定卷扬式启闭机；两侧边孔为平面直升钢闸门，配1×100kN固定卷扬式启闭机，设计引排流量为104m3/s。1999年10月通过验收，由靖江市江河堤闸管理处负责日常运行管理。根据水利部有关规定，水闸实行定期安全鉴定制度，首次安全鉴定应在竣工验收后5年内进行，以后应每隔10年进行一次全面安全鉴定，为此该闸进行了首次全面安全鉴定。本文主要介绍上六圩闸安全鉴定的内容、方法和主要结果，根据现场调查检测、复核计算和安全评估，并经省水利主管部门组织鉴定，上六圩闸被评定为二类闸。

二、现场检测

采用现场巡视检查和测量、水下探摸、资料分析和材质参数与机电参数检测等方法，查明水闸的质量缺陷、运行损伤和老化病害等。

1.钢筋混凝土结构物

闸室主要钢筋混凝土结构施工质量良好，无明显施工缺陷，各结构间联接完好，无结构性裂缝，也无顺筋开裂、混凝土鼓胀等老化病害。但中孔二侧闸墩混凝土表面擦痕较多，左、右侧面各有一处0.90m×0.60m和0.50m× 0.60m混凝土破损，右侧面有一长0.20m钢筋外露；交通桥两端连接处有明显不均匀沉降。

上、下游翼墙施工质量较好，翼墙表面无结构性裂缝，也无顺筋开裂、混凝土鼓胀等老化病害；翼墙与水闸边墩间、一、二级翼墙的结构段间无明显水平错位和不均匀沉降；上、下游灌砌石护坡和浆砌石护坡总体完好，无明显破损。但上、下游翼墙左右两侧弧弯处均有船舶碰撞擦痕。

2.材质参数检测

检测混凝土抗压强度、混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度等指标，检测结果表明：闸墩、胸墙和翼墙等主要钢筋混凝土构件混凝土强度为31.3～34.6MPa，均达到设计要求，也满足现行规范对耐久性的要求；混凝土碳化深度0.5～3.5mm、平均1.6～2.3mm，钢筋保护层厚度24～69mm、平均33.6～55.5mm，表明水闸不会出现碳化引起的钢筋锈蚀等老化病害。

3.水下探摸检查

通过潜水员进行了水下探摸检查，上、下游灌砌块石护坦无淤积，无块石缺失，总体完好；消力池完好，无破损、露筋现象，消力池内无淤积；左、右两侧翼墙水下部分无损坏，相邻墙体分缝无错位，缝中填充物完好；闸室底板光滑，无明显破损，上、下游闸室底板与消力池伸缩缝处分缝完好，缝中填充物完好。

4.钢闸门

对钢闸门外观形态、锈蚀状况和焊缝质量进行检测和探伤，主要结果为：①钢闸门整体状况较好，闸门主轮、吊耳装置等零部件齐全、完好，联接牢固，止水橡皮无明显老化和龟裂。②门体构件表面涂层基本完好，闸门主轨、侧轨存在一般锈蚀。③闸门整体呈均匀锈蚀，主要构件平均锈蚀速率0.039～0.049mm/a。④中闸门纵梁后翼缘最大变形18mm，长约350mm；背拉杆最大变形15mm，长约1300mm；左侧侧导轨板最大变形95mm，长约800mm，联接部位局部已脱开。⑤闸门焊缝局部有少量焊瘤、咬边等外观缺陷，中闸门主横梁腹板对接焊缝有一处超标的制作缺陷（未焊透），缺陷最大当量RL+4dB。

5.启闭机机械零部件检测

启闭机主要由电动机、制动器、减速器、联轴器、传动轴、开式齿轮副、卷筒、滑轮组、钢丝绳、开度指示及行程控制系统等组成。经检查启闭机设备运行、保养状况良好，电气线路布置规范，电气系统接地可靠。主要问题为：①启闭机开式齿轮副大、小齿轮齿面存在磨损、剥蚀及挤压变形等现象。②启闭机两级斜齿圆柱齿轮减速器内高速级双联齿轮副齿面存在磨损、挤压变形现象。③中孔闸门关闭时启闭机卷筒上钢丝绳缠绕为3圈，不满足规范要求。④钢丝绳存在断股、断丝、绳芯挤出及钢丝绳松散、起鼓等现象。

6.启闭机电气参数检测

对启闭机电动机的电流、电压、绝缘电阻、温升等进行检测，各项指标均满足安全运行要求，具体结果如下：①中孔三相电流18.7～20.9A，不平衡度4.0%～6.5%。两边孔三相电流6.9～8.0A，不平衡度 5.3%～8.1%。②相电压395～399V，不平衡度0.3%～0.5%。③电动机绝缘电阻（三相总对地）为10～70MΩ。④启闭机运行10min后（环境温度20℃）电动机温升约1℃。

7.电器设备检测

检测的上六圩闸主要电器设备的电器参数均满足安全运行要求，具体结果为：①变压器绝缘电阻吸收比为1.35（高压侧对低压侧加地）、1.52（低压侧对高压侧加地）；变压器高压侧和低压侧直流电阻为 18.87～19.10Ω、0.0210～0.0236Ω，折算到75度时最大偏差值为0.71%、0.65%；变压器接地电阻3.05Ω。②主配电柜交流接触器触点电阻1.550～4.630mΩ，主配电柜接地电阻3.75Ω。③启闭机控制柜交流接触器触点电阻为1.80～9.70mΩ，启闭机电机电缆绝缘电阻 300～1000MΩ；启闭机控制柜接地电阻为0.288Ω。④启闭机三相鼠笼异步电机电枢绕组对地绝缘电阻330～370MΩ，接地电阻为0.288Ω。

8.观测资料分析

上六圩闸在上、下游、闸身及二侧控制室共埋设沉降观测点53处，每年进行一次闸体沉降观测及河床冲淤观测，实测结果为：2008年7月～2011 年7月三年间水闸各观测点沉降为0.1～1.2mm，说明水闸地基已基本稳定；上下游河床变形相对稳定，河床及上、下游引河冲淤基本平衡，无明显的冲刷或淤积现象。

图1 上六圩闸纵断面示意图

三、复核计算

对水闸的闸顶高程、抗渗、过流能力、消能防冲、抗滑稳定以及地基应力和不均匀系数等进行计算复核，主要复核结果为：

1.闸顶高程复核

因水闸位于长江大堤上，依据规范最高挡水位工况下安全超高应不低于0.40m，波浪要素的估算采用官厅水库公式。根据计算，上六圩闸的门顶高程应不低于6.88m，实际中闸门门顶高程 6.90m，边孔胸墙顶高程7.40m，闸顶高程满足防洪要求。

2.抗渗复核

按最大水头差情况（水位差4.30m）分别采用勃莱系数法和改进阻力系数法进行抗渗复核。

闸基础为砂壤土夹砂土薄层，按现行规范要求的最小渗径长度为38.70m，实际地下渗透轮廓线长度46.0m，故勃莱系数法复核的该闸抗渗稳定满足规范要求。

根据改进阻力系数法计算，上六圩闸下游消力池段、闸底板水平段、上游消力池水平段的渗流坡降分别为0.100、0.069、0.099，均小于规范允许渗流坡降值0.25，出口段的渗流坡降为0.339，小于规范允许渗流坡降值0.40，抗渗稳定满足规范要求。

3.水闸过流能力复核

上六圩闸设计排涝流量104.0m3/s，相应水位组合为上游2.20m、下游1.90m。按堰流基本公式计算复核的设计水位组合时过闸流量为105.47m3/s，满足设计要求。

4.消能防冲复核

复核包括消力池和海漫两部分，计算工况为排涝期和引水期。经计算，消力池深度计算值0.43m，实有值0.50m；长度计算值11.73m，实有值14.50m；底板厚度计算值0.59m，实有值0.50m；上游海漫长度计算值29.16m，实有值40.00m；下游海漫长度计算值25.00m，实有值30.00m；各计算值均小于实有值，满足消能防冲要求。

5.稳定复核

稳定复核包括闸室和翼墙整体抗滑稳定、基底应力和地基应力不均匀系数计算。经计算，最不利水位组合时闸室抗滑稳定安全系数 1.32，地基应力42.39～107.10kPa，符合要求。地基应力不均匀系数2.53，略大于规范允许值2.50，由于采用桩基础加固，应视为满足要求。

最不利水位组合时下游翼墙抗滑稳定安全系数 1.55，地基应力 70.97～152.29kPa，地基应力不均匀系数1.94；上游翼墙抗滑稳定安全系数1.30，地基应力43.68～98.05kPa，最大地基应力不均匀系数1.98，均符合规范要求。

6.钢闸门复核

根据现场外观检查和锈蚀检测结果，采用Super SAP程序对水工钢闸门在现状条件下最不利水位组合时的强度、刚度进行复核计算。计算时根据闸门结构形式和受力特点，将面板、主横梁、纵梁、边梁、底梁等离散为板单元，支承主轮轴离散为梁单元，建立闸门结构有限元计算模型，计算结果表明：①主横梁腹板轴线方向最大正应力σx为135.3MPa，垂直于轴线方向最大正应力σy为30.5MPa、最大剪应力τ为58.9MPa、最大折算应力σzh为129.5MPa，后翼缘轴线方向最大正应力σx为141.3MPa、最大折算应力σzh为153.6MPa，均小于相应的容许应力值。②纵梁垂直于轴线方向最大正应力σy为100.6MPa，纵梁轴向最大正应力σz为112.6MPa，纵梁最大剪应力τ为45.3MPa、纵梁最大折算应力σzh为122.9MPa，均小于相应的容许应力值。③边梁垂直于轴线方向最大正应力σy为150.2MPa、轴向最大正应力σz为-132.0MPa、最大剪应力τ为69.2MPa、最大折算应力σzh为158.5MPa，均小于相应的容许应力值。④小横梁最大正应力σx为83.8MPa，小于相应的容许应力值。⑤面板最大折算应力为143.1MPa，小于面板折算应力容许值。⑥根据规范，对于表孔工作闸门（中孔）和潜孔式工作闸门（边孔），主横梁最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/600和1/750，其主横梁最大挠度容许值为12.17mm 和4.8mm。计算的钢闸门横梁最大挠度8.92mm和2.49mm，闸门主横梁刚度满足要求。

四、安全评估

目前水闸评价方法主要有整体评估法、模糊集论评估法、结构可靠度法、专家系统法、灰色评估法、综合评估法、实用鉴定评级法以及与其他学科相交叉的神经网络法、经济分析法、风险分析法等。

此次选择实用鉴定评级法对上六圩闸进行评估，根据各部分安全性、适用性和耐久性的检查、检测及复核计算结果，逐项对照评级。可靠性鉴定评级划分为子项目、项目和评定单元三个层次，每个层次划分为四个等级进行评定。

主要设备设施安全评定等级为：闸室、胸墙、排架、工作桥、上游消力池、上下游护坦、上下游引河、管理房、下游护坡和电器评为A级，可正常维护。闸墩、钢闸门、启闭机、上游护坡、上下游翼评为B级，可对破损构件进行维修或更换。

水闸评定等级为二类闸。

五、结论与建议

靖江上六圩闸是一座以蓄水灌溉和排涝为主，兼有通航、陆路交通和调水冲污等综合效能的中型水利工程，运行十多年后进行了首次全面安全鉴定。通过对水闸工程现状的调查，现场检测、观测资料分析、复核计算和评估分析后认为，上六圩闸整体质量较好，主体结构没有明显的缺陷和影响正常运行的损伤，水闸稳定无沉降，复核计算的主要指标能达到规范要求，仅有部分设备设施存在局部老化，依据中华人民共和国行业标准《水闸安全鉴定规定》（SL214-98）的有关规定，并经省水利主管部门组织鉴定，上六圩闸评定为二类闸。

对水闸定期进行安全鉴定，对于加强水闸安全管理，及时消除安全隐患、保障水闸安全运行具有重要意义

（作者单位：1.江苏省靖江市水利局214500 2.南京水利科学研究院210029 3.河海大学 210098）