闸站工程安全鉴定中的建筑物复核计算

陈江华， 秦景洪

(1.泰州市高港区水利局， 江苏 泰州 225321； 2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司， 江苏 扬州 250009)

近年来，随着国民经济的进一步提升，工程技术水平也随之不断进步，对于水利基础设施建设提出了更高的要求。平原地区河流众多，水系发达，为了应对地区地势特点，水利工程通常采取闸、泵站以及涵洞等型式进行设计。这样一定程度上满足防洪排涝的需求，也形成了既能防洪挡水，又能排涝抽水的功能。主要建筑物对于整个闸站枢纽是核心成分，其安全稳定性能直接影响到工程的正常安全，基于此，需要在工程运行一定年限后进行安全鉴定[1-2]。安全鉴定主要划分为全面安全鉴定和专项安全鉴定，建筑物、机电设备以及金属结构是鉴定的最主要部位。闸站安全鉴定主要有现状调查分析、现场安全检测、工程安全复核计算分析、安全综合评价等，本文主要以泰州市高港区友谊闸站为例进行建筑物的复核计算以及评价[3-4]。

1 工程概况

友谊闸站位于泰州市高港区口岸街道南官河东港堤上，距长江边1 320 m处。该闸站包括友谊闸和友谊排涝站2座建筑物，友谊闸始建于1975年，设计流量6 m3/s，友谊排涝站始建于1991年，设计排涝流量3 m3/s，该工程灌溉受益范围为高港区港口路、江平线以南、新港大道以西沿江圩区，排涝范围为口岸街道大石、城南、东南、新明、龙窝口等部分地区，同时对临港工业园生态用水调度水源发挥了部分作用，于2014年对排架进行维修加固，是一座具有防洪、灌溉、排涝及兼顾城区水资源调度的多功能水工建筑物。

友谊闸穿堤建筑物，浆砌块石构造，单孔闸净宽2.3 m，闸底板顶高程1.90 m(废黄河零点基面，下同)，底板厚0.5 m，闸顶高程6.90 m，上下游翼墙均为重力式浆砌块石挡土墙，闸门结构型式为平面钢闸门，采用螺杆式启闭机。友谊排涝站，为墩墙式湿室型泵房，底板顶高程0.5 m，底板厚0.5 m，电机层楼板高程4.5 m。南官河港堤位于南官河东岸，长1.8 km。纯土堤段长约0.8 km，堤顶高程6.5 m；土堤加挡墙段长1.0 km，墙顶高程约7.5 m。堤顶为4.5 m宽水泥路面。临水侧边坡1∶3，采用灌砌石防护，背水侧边坡1∶2。泰州市长江洪水防御标准为100年一遇，区域洪水防御标准50年一遇。

2 建筑物存在的问题

友谊闸站自投入运行多年来，对高港区的排涝以及防洪起到了重要的作用。多年的运行，使得该建筑物的维修以及改造并未得到有效的保障，闸站的主要建筑物当前存在着以下问题。

(1)闸身以及泵房内外墙粉刷层剥落现象明显，表明裂缝较多，管理房屋屋顶存在渗水现象。

(2)出水池侧墙止水接缝脱落2处，排架中部混凝土胀裂，消力池底板混凝土开裂较为严重，左翼墙与边墩连接处止水脱落且漏水严重，上游左侧翼墙沉降开裂。

(3)工作便桥大梁露筋、开裂。

3 建筑物复核计算分析与评价

3.1 复核水位组合

友谊排涝站复核水位组合见表1所示

3.2 防洪条件复核

根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)，防洪高程应按下式复核：

顶高程≥设计运行水位+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，基本组合时，计算风速为30 m/s，特殊组合时计算风速为20 m/s。

由于排涝站的建筑物级别为2级，故对应的波列累积频率取2%。

再根据《水闸设计规范》(SL265—2016)，进行计算浪高及波浪中心线至静水面距离，计算结果见表2。

由表2可知，友谊排涝站侧闸墩顶高程计算最大高程为3.03 m，闸墩实际高程为5.10 m，满足防洪要求。

3.3 渗流稳定复核

渗流计算采用上下游水位差最大时的水位进行计算。友谊排涝站友谊中沟侧水位为▽1.70 m，墙后地下水位为▽3.80 m，水位差为2.10 m。

站身地下轮廓布置如图1所示。该持力层置于壤土夹砂壤土层上，根据规范允许渗径系数C取为3～5，未设板桩。

图1 站身基础地下轮廓布置示意图 (单位：m)

其实际长度：L=10.75 m；ΔH=2.10 m；

C=L/ΔH=10.75/2.10=5.11>[C]=3～5；

故防渗长度满足规范设计要求。

根据地下轮廓的特点，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，具体布置见图2。

由于持力层为壤土，根据规范，[Jx]=0.25～0.35，[J0]=0.50～0.60

故闸基渗流出口最大坡降及水平最大坡降均满足要求。

表1 友谊闸站工程复核计算水位组合

表2 友谊排涝站闸顶高程计算结果 单位：m

图2 友谊排涝站地下轮廓分段布置图(单位：m)

3.4 稳定安全复核

排涝站主体采用钢筋混凝土结构，排涝站为单向排水。取主泵房为计算对象，站身底板顺水流方向长6.0 m，垂直水流宽度为9.4 m。站身底板底高程为0.00 m，底板顶高程为0.50 m，站身设3孔。

根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)第6.3.9条，在各种计算工况下，闸室平均基底应力小于地基允许承载力，最大基底应力小于地基允许承载力的1.2倍。

由工程地质勘察资料可知：本工程持力层为壤土层，地基允许承载力为60 kPa。由表3可知：闸室基底应力的最大值为55.01 kPa，小于地基允许承载力值1.2倍为72 kPa。闸室基底应力的平均值为40.44 kPa，小于地基允许承载力值60 kPa。即在各种计算工况下，排涝站站身抗滑稳定安全系数和地基应力不均匀系数都满足规范要求，排涝站站身地基承载力满足要求。

3.5 结构强度复核

为了对该工程整体结构的受力状态有一个比较全面的了解，有必要采用三维有限元软件ANSYS WORKBENCH对其整体强度和稳定性进行研究分析，并对其安全性进行评价。有限元计算法是目前解决复杂空间结构力学问题最有效的数值方法之一。

3.5.1 闸站有限元模型

坐标系取为：x轴顺水流方向指向上游，y轴垂直水流方向左方，z轴垂直指向上方。泵房与地基整体三维有限元模型及泵房整体三维有限元模型包括单元总数为959 231个，节点总数为1 422 678个。

3.5.2 材料性质及力学参数

友谊排涝站站身结构采用线弹性材料模拟，土体为弹塑性材料，假定服从Mohr-Coulomb屈服准则，由于土体自重产生的变形已基本完成，故计算中不计入土体自重引起的应变。本次复核计算的材料强度值应选取原设计强度等级与检测结果中的较小值。泵房结构与地基土材料计算参数见表4。

3.5.3 计算结果

各工况下沉降差较小，最大沉降差为0.6 mm，闸室地基沉降的最大值与最小值的比值约为1.03～1.05。地基沉降量最大值为12.6 mm，根据规范，地基最大沉降量不宜超过150 mm，故地基沉降满足要求。

随着混凝土强度的研究进一步完善，混凝土拥有较强的抗压能力，但水工建筑物正常使用中，过低的抗拉能力常引发水工事故。结构应力的分析成为衡量建筑物安全使用的关键点。各结构在各工况下友谊排涝站站身底板的最大主拉应力主要分布在底板面层中心，最大值为1.06 MPa，混凝土强度满足使用要求。

3.6 消能复核计算结果

友谊排涝站消能复核计算成果见表5所示。

表3 主体结构稳定计算结果

表4 结构材料计算参数

表5 友谊排涝站消能复核计算成果

由表5可知，该排涝站出水后消力池池深、长度、底板厚度能满足要求，海漫长度不满足要求。

3.7 建筑物安全类别评价

(1)防洪能力

友谊排涝站的防洪高程满足规范要求，满足近期防洪规划。

(2)渗流安全

友谊排涝站的出口坡降、水平坡降满足规范要求。

(3)结构安全

友谊排涝站各工况下抗滑稳定安全系数、基底应力比及地基承载力均满足规范要求。消力池池深、长度以及底板厚度满足要求，海漫长度不满足要求。通过三维有限元计算，排涝站底板，站墩等混凝土强度均满足抗拉强度要求。

(4)抗震安全

在地震工况下，友谊排涝站的抗滑稳定安全系数、基底应力比及地基承载力均满足规范要求。

4 结 论

经过该闸站主要建筑物复核分析计算，结果表明该闸站主要建筑物是安全的，其运用指标基本达到设计标准，建筑物类别评定为二类，进而可以为后期的更新改造提供理论支持。建筑物需要定期进行安全鉴定以及复核，才可以保障安全稳定运行，发挥出应有的作用。