浆砌石水闸上部结构抗震分析

詹文芳

浆砌石水闸上部结构抗震分析

詹文芳

(福建省漳州市水利水电勘测设计研究院，福建 漳州 363000)

上世纪80年代之前，由于物资短缺以及社会发展的需要，漳州市建设了大量的浆砌石水闸。由于运行时间普遍较久和外部环境等因素的影响，以及其自身材料的局限性，目前绝大部分浆砌石水闸均存在问题，已经制约了经济社会的发展。本文分析指出了浆砌石水闸上部结构抗震能力不足，阐明了其除险加固的必要性。

浆砌石；水闸；抗震；上部结构

1 漳州水闸概况

漳州市位于福建省东南部，境内有山区，有平原,有沿海。区内河流较多，主要水系有九龙江、鹿溪、漳江、诏安东溪，还有一些独立入海的小支流，如汤溪、佛昙溪、杜浔溪、梅洲溪等。水闸具有防洪、防潮、引水、纳潮、蓄水、排水等功能，与人们的生产生活密切相关，因此区内各类水闸数量众多，分布广、类型全。据水利普查资料统计，漳州市境内现有大(1)型水闸8座，大(2)型水闸11座，中型水闸72座，各类小型水闸583座。其中位于河流下游并且临海的龙海市、漳浦县、云霄县和诏安县共计约500座，约占总数的74%。漳州市水闸建设年代分布情况表见表1。

表1 漳州市水闸建设年代分布情况

由于上世纪90年代之前，我国工业发展水平较低，钢筋水泥产量较低，大部分水闸采用浆砌石结构。

2 浆砌石水闸出现的问题

浆砌石水闸大多建设年份较早，运行时间长，且受当时水闸设计、施工水平和物资材料的限制，管理和维护措施不足，以及受运行条件改变等因素影响，水闸安全性、适用性、耐久性严重下降。目前，正在使用中的浆砌石水闸存在的主要问题有：防洪标准偏低；地基处理不彻底导致水闸不稳定；基础不均匀沉降引起的结构损坏；渗流导致的破坏；混凝土和浆砌石结构的老化破损，浆砌石砂浆脱落、开裂；闸下游消能防冲设施冲刷破坏；启闭设备老化失修，配件无处购置更换；管理经费不足。

现阶段，这部分水闸均存在不同程度的问题，已经危及到水闸运行安全，水闸除险加固势在必行。而在水闸除险加固之前，必须完成水闸安全鉴定工作，主要包括水闸安全评价、水闸安全评价成果和水闸安全鉴定报告审定三个基本程序。其中水闸安全评价是前提，包括一系列的安全复核：防洪标准复核、渗流安全复核、结构安全复核、抗震安全复核、金属结构安全复核和机电设备安全复核。

3 浆砌石水闸抗震复核分析存在的问题

一般情况下，浆砌石水闸仅工作桥和启闭房屋顶采用钢筋混凝土梁板结构，其余部分采用浆砌石。

《水工建筑物抗震设计规范》中规定，水闸的抗震计算应包括抗震稳定和结构强度计算。然而，在水闸安全评价抗震复核过程中，往往较注重地震工况下水闸的整体抗震稳定和基底应力计算，而忽略了水闸结构自身的抗震分析。浆砌石水闸，特别是排架为浆砌石结构的水闸，受震后工作桥与排架大部分产生裂缝，甚至断裂，倒塌断裂部位多数在弯矩、剪力最大的排架底部和顶部。由于顶部变形较大，震后工作桥大梁与排架脱开，甚至整个桥面塌落下来。也就是说在浆砌石水闸受震整体失稳前，水闸上部结构其实已经倒塌，该状况下水闸的整体抗震稳定应另当别论。

4 结构抗震计算方法

水闸地震作用效应计算方法主要是动力法和拟静力法。规范规定，设计烈度为8、9级或地基为可液化土的大型水闸应采用动力法。而对于中小型水闸，目前大都采用拟静力法计算。

拟静力法公式，沿着建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值为

Fi=ahζGEiai/g

(1)

式中Fi——作用在质点i的水平向地震惯性力代表值；

ζ——地震作用的效应折减系数，除另有规定外，取0.25；

GEi——集中在质点i的重力作用标准值；

ai——质点i的动态分布系数，应按《水工建筑物抗震设计规范》中水闸的有关条文取值；

g——重力加速度，取9.81m/s2。

根据式(1)，可以推出hi以上的水平向地震惯性力F为

(2)

式中GE(h)——重力作用标准值关于高度h的分布函数；

计算出地震力后，根据结构力学计算各点弯矩，再根据下列公式进行应力复核和稳定复核:

(3)

抗剪断稳定复核：

(4)

5 实例分析计算

此次以港口渡水闸为对象进行分析，因为其建设年份、结构设计、施工工艺在浆砌石水闸当中具有很强的代表性。

5.1 工程概况

港口渡水闸位于诏安县四都镇境内的港口村西侧，地处独立入海的梅洲溪出海口，是诏安县解放后最早的围垦工程，工程担负着堤内垦区的挡潮、排涝和引水灌溉任务，同时也是连接诏安与东山两县的交通要道。垦区内受保护耕地面积2.62万亩，保护3个乡镇23个行政村，保护人口8.5万多人，灌溉面积为1.45万亩，其中已建左干渠4.8km、右干渠2.2km。工程上游集雨面积172km2，海堤堤面为东山县与诏安县两县交通要道——公竹公路，距诏安县城24km。

港口渡共有3座水闸，均属于中型水闸。港口渡1号水闸位于梅洲溪的左岸，有3孔，总净宽8.0m。3号水闸位于右岸，有7孔，总净宽18.5m，其中深孔2孔、浅孔5孔。2号水闸位于3座水闸的中间，共有9孔，总净宽22.5m，其中左侧4孔为深孔、右侧5孔为浅孔。工程中除了3号水闸4个深孔为1989年扩建外，其余均为1956年3月动工兴建，于1957年3月竣工。港口渡水闸的具体情况见表2。

表2 港口渡水闸情况

根据相关资料及现场调查可知，水闸闸室下部均为M5浆砌条石底板、浆砌条石闸墩，闸墩上建M5浆砌条石排架，截面尺寸0.6m×1.2m，每层厚约30cm，上设C20钢筋混凝土工作桥后建启闭房。以2号水闸为例，由于水闸深孔和浅孔为分开布置，此次以5个浅孔段为例进行分析。水闸纵横断面见图1、图2。

图1 水闸横剖面简图 图2 水闸纵剖面简图

依据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)和《中国地震动峰值加速度区划图》福建省区划一览表，工程区抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度值为0.15g，地震动反应谱特征周期中硬场地为0.35s。按照《水工建筑物抗震设计规范》的规定，该工程建筑物应按基本烈度为Ⅶ度进行抗震设防。

5.2 计算条件

在水闸破坏之前，浆砌石排架与工作桥及闸墩按固端连接计算，水闸上部按浆砌石排架、钢筋混凝土工作桥和启闭房三部分进行简化。

根据《砌石坝设计规范》，浆砌条石的弹性模量取6.5GPa ，M5水泥砂浆砌条石的容许应力为：压应力不大于4.5MPa，拉应力不大于0.68MPa；抗剪断稳定系数不低于1。

排架以上的水平向地震力各参数如下：

ah=0.15g，c′取0.25MPa ，f′取0.5。

重力标准值简化为

5.3 计算成果

通过计算，可得水闸浆砌石排架在地震工况下的受力情况，见表3。

表3 水闸浆砌石排架受力情况

从表3可以看出，在地震工况下，浆砌石排架的压应力和拉应力均超过允许应力值，抗剪断稳定系数小于1，水闸上部结构浆砌石排架在地震情况下将开裂、倾覆坍塌。

6 结 语

由于浆砌石水闸整体性较差，浆砌石排架是其较为薄弱的节点，在地震工况下水闸上部结构极易发生开裂、倾覆坍塌。因此，为保证安全运行，现有大量的浆砌石水闸需进行除险加固，建议上部改为钢筋混凝土结构以提高整体性；有条件的地方，水闸需整体进行重建。

[1] DL 5073—2000水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国电力出版社，2000.

[2] 华东水利学院.水闸设计[M].上海：上海科学技术出版社,1985.

[3] 卫明,王锡忠,等.水闸震害及抗震动力分析[J].上海水利.1998(4)：14-24

[4] 康立荣,徐文俊,吝江峰.江苏大中型病险水闸概况及主要加固措施探讨[J].水利建设与管理,2014(3):36-58

[5] 张年成，陈雁翔,袁静.以浆砌石为主体结构的中小型水闸病害及检测分析[J].江苏水利,2015(9)：16-18

Analysis on Upper Structure Shock Resistance in Masonry Sluice

ZHAN Wenfang

(FujianZhangzhouWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Zhangzhou363000,China)

Large quantities of masonry sluices are constructed in Zhangzhou due to material shortage and social development demand before the 1980s. Currently, most masonry sluices have problems due to generally longer operation time, influence of external environment factors, and limitations of own materials. They have restricted the economic and social development. It is proposed that the upper structure shock resistance in masonry sluice is weak through analysis in the paper, and the necessary of reinforcement is illuminated.

masonry; sluice; earthquake; upper structure

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.014

TV662

A

1673-8241(2017)06- 0059- 04