里运河东堤典型交叉建筑物安全评价

戴永琪， 刘爱军， 代 菊， 李宏恩， 刘晓青

(1.南京水利科学研究院 大坝安全与管理研究所， 江苏 南京 210029；2.河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098； 3.扬州水利局， 江苏 扬州 225000)

我国地域辽阔，江河湖泊情况复杂，部分区域洪涝灾害频繁，对周边地区和人民造成非常严重的损失和影响。堤防工程作为我国防洪工程体系的重要组成部分，是指沿河、渠、湖、海岸或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑的挡水建筑物[1]，能够有效地抵御洪水的侵袭，是我国国民经济的重要水利基础设施。但是，由于我国的堤防工程历史悠久，现有的堤防大多是在民埝或者旧堤基础上加高培厚从而逐渐形成的，没有经过专业的地质勘探和地基处理，也没有严格控制设计标准和施工填筑质量，并且在长期运行过程中历经多次加固、抢险和生物破坏，堤身和堤基的情况非常复杂，存在诸多安全隐患，严重威胁堤防工程的安全[2]。

里运河位于南水北调东线江苏省内，其沿线的江都、高邮段东堤全长74.4km，为国家一级堤防，防洪标准为100年一遇。里运河东堤沿线现存的清水潭、车逻坝、小蔡潭等13处险工险段不仅普遍存在不良地质条件段、穿堤涵闸多、多次加固堤段资料不详等工程问题，更具有位于南水北调东线输水主干线、部分沿线建筑为文物保护对象等工程特殊性。因此，针对上述问题开展的里运河东堤典型交叉建筑物安全评价研究，为里运河堤防工程的设计加固工作提供依据，对确保南水北调东线工程运行调度与沿线公众生命财产安全具有重要的实际意义和实践价值。

1 工程概况

车逻闸位于车逻镇南约500 m处，是里运河东堤沿线的典型交叉建筑物[3]，主要作用是引水灌溉。车逻闸为单孔水闸，底板高程4.0 m，闸顶高程10.1 m，闸身长19.29 m，闸孔净宽4 m，净高3.5 m，胸墙底高程8 m，下游消力池底高程3.84 m，最大泄水流量15.6 m3/s，配有8 t手电两用螺杆式启闭机一台。根据规范可知，车逻闸工程为2级水工建筑物；车逻闸所处场地地震动峰值加速度为0.10 g，相应的地震基本烈度为7度。车逻闸工程复核计算水位组合见表1。

2 地质条件

车逻闸工程所在地区土层情况自上而下分述如下：

第①层,素填土，层底高程5.36 m，层厚6.10 m，比贯入阻力2.67 MPa。

第②层，淤泥质黏土，层底高程4.06 m，层厚1.30 m，比贯入阻力0.46 MPa，承载力30 kPa。

第③层，黏土，层底高程3.06 m，层厚1.00 m，比贯入阻力2.14 MPa，承载力130 kPa。

第④层，黏土，层底高程2.36 m，层厚0.7 m，比贯入阻力2.11 MPa，承载力160 kPa。

表1 车逻闸工程复核计算水位组合表

第⑤层，黏土，层底高程1.36 m，层厚1.00 m，比贯入阻力1.88 MPa，承载力130 kPa。

第⑥层，黏土，层底高程-0.14 m，层厚1.50 m，比贯入阻力2.14 MPa，承载力160 kPa。

第⑦层，黏土，层底高程-1.34 m，层厚1.20 m，比贯入阻力2.01 MPa，承载力150 kPa。

3 安全复核计算

3.1 防洪标准复核计算

3.1.1 闸顶高程复核计算

根据《水闸设计规范》SL 265—2016[4]，防洪高程应按下式复核：

闸顶高程≥设计防洪水位+浪高+波浪中心线至静水面距离+安全超高；

闸顶高程≥校核防洪水位+浪高+波浪中心线至静水面距离+安全超高。

浪高和波浪中心至静水面高度的计算，风速根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60—2004[5]可以查得，基本组合时计算风速为25.6 m/s，特殊组合时计算风速为17.07 m/s。

由于水闸的级别为2级，故对应的波列累积频率取2%。

用下式计算浪高及波浪中心线至静水面距离：

(2)

(3)

各工况闸墩高程计算结果见表2。

表2 闸墩高程计算结果 单位：m

由表2可知，闸墩顶高程计算最大高程为9.083 m，实际高程为10.10 m，符合设计要求，评定为A级。

3.1.2 过流能力复核

车逻闸过流能力复核的水位见表3。

表3 车逻闸过流能力复核计算水位流量

过流能力计算方法如下：

(4)

车逻闸工程过流能力计算结果见表4。

表4 车逻闸工程过流能力计算成果

由表4可知，车逻闸设计流量为15.6 m3/s，计算流量为38.04 m3/s，该闸过流能力满足要求。

3.2 渗流复核计算

3.2.1 水位组合

车逻闸渗流复核计算水位组合见表5。

3.2.2 验算防渗长度

闸基地下轮廓布置如图1所示。该闸室闸基持力层为黏土，根据规范允许渗径系数取为3～2。

表5 车逻闸渗流复核计算水位组合 单位：m

图1 闸室闸基地下轮廓布置示意图(单位：高程m；长度mm)

运行情况其实际长度：

L实=28.55m

ΔH=3.6m

C=L实/ΔH=28.55/3.6=7.93>3～2

故闸室闸基防渗长度满足要求。

3.2.3 闸室渗流计算

根据闸室地下轮廓的特点，采用改进阻力系数法计算，由图1可得到地下轮廓简化和分段，具体布置如图2所示。

图2 闸室设计工况地下轮廓简化和分段布置图(单位：高程m)

(1) 计算地基有效深度

L0=27.29m

S0=0.7m

L0/S0=38.99>5

Te=0.5L0=0.5×27.29=13.65m

闸基土质均匀，闸基渗流的影响范围以有效深度Te控制。

(2) 计算各典型段的阻力系数

进出口段：

(5)

内部垂直段：

(6)

水平段：

(7)

倾斜段：

(8)

进出口段水头修正：

(9)

(10)

闸室各典型段的几何特征及阻力系数计算见表6。

表6 闸室各典型段阻力系数计算结果

(3) 各典型段渗压水头损失计算

各典型段渗压水头损失：

(11)

各典型段渗压水头损失计算见表7。

表7 各典型段渗压水头损失计算 单位：m

(4) 渗透坡降计算

由于持力层为黏土，则

[Jx]=0.30～0.40；[J0]=0.60～0.70。

渗流出口最大渗透坡降：

水平段最大渗透坡降：

故地基渗流出口坡降满足要求，水平坡降满足要求，渗流稳定满足要求，评定为A级。

3.3 稳定复核计算

闸室结构计算简图如图3所示。

图3 闸室结构简图(高程：m；其余单位：mm)

3.3.1 计算工况

各计算工况的水位组合见表10。

3.3.2 计算方法

(1)闸室抗滑稳定安全系数：

(12)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑G为作用于闸底面以上的全部竖向荷载；∑H为作用于闸身上的全部水平向荷载；F为闸室底板底面与地基之间的摩擦系数。

(2)地基应力：

(13)

表8 进出口修正及相应典型段渗压水头损失调整计算 单位：m

表9 各角隅点渗透水头 单位：m

表10 稳定计算水位组合 单位：m

3.3.3 计算结果

根据以上方法，在各计算工况下该工程的闸室抗滑稳定安全系数、地基应力及其地基应力不均匀系数的计算成果见表11。

由表11可知，在各种计算工况下，闸室抗滑稳定安全系数、不均匀系数均满足规范要求，评定为A级；车逻闸基底为黏土，地基允许承载力130 kPa，闸室基底应力的最大值为56.96 kPa，小于基底土的允许承载力值130 kPa，故地基承载力满足要求，评定为A级。

3.4 消能复核计算

3.4.1 消能复核计算水位组合

车逻闸消能复核计算水位组合见表12。

3.4.2 消力池深度复核

闸下收缩水深计算方程：

(14)

hc对应的跃后水深：

(15)

出池落差：

(16)

消力池池深：

d=σ0hc''-hs'-ΔZ

(17)

消力池深度计算成果见表13所示。

由表13可知，消力池在计算中池深为0.71 m，而实际工程中消力池深度为0.16 m，不满足要求。

3.4.3 消力池长度复核

消力池池长：

Lsj=Ls+βLj

(18)

Lj=6.9(hc''-hc)

(19)

由表13计算得，hc=0.49m，hc''=2.35m。

Lj=6.9×(2.35-0.49)=12.834m，故消力池

表11 稳定复核计算成果

表12 工程消能复核计算水位组合

表13 消力池深度计算结果

全长为：L=13.98m。实际消力池全长为22.5 m，故满足要求。

3.4.4 消力池底板厚度复核

消力池底板厚度(抗冲)计算式为

(20)

消力池底板计算结果见表14。

表14 消力池底板计算结果

由表14可知，消力池底板厚度不得低于0.5 m，实际消力池厚度0.54 m，满足抗冲要求。

3.4.5 海漫长度复核

海漫长度复核计算式为：

海漫长度计算结果见表15。

表15 海漫长度计算结果

由表15可知，海漫计算长度为8.24 m，实际海漫长度10 m，满足要求。

综上可知，车逻闸消力池长度、底板厚度和海漫长度满足要求，但消力池深度不满足要求。按照《水闸安全评价导则》SL 214—2015[6]，该工程消能防冲设施不满足标准要求，故消能防冲安全评定为C级。

4 结 论

根据上述车逻闸防洪标准、渗流、稳定和消能复核计算结果，经综合分析评价，车逻闸工程运用指标无法达到设计标准，工程存在安全隐患。按照《水闸安全评价导则》SL 214—2015，虽然车逻闸防洪标准和渗流安全性都评定为A级，但是由于结构安全性评定为C级，故车逻闸综合评价为四类闸。