前柳林泄洪闸安全评价

柴江飞,张洪涛,王俊鹏,邢 远,王晓东,李兆宇

(1.北京市京密引水管理处，北京 101400；2．中国水利水电科学研究院，北京 100048；3．黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 工程概况

前柳林泄洪闸位于京密引水渠上，建成于1966年。闸室结构为开敞式，共计两孔，闸门型式为平板钢闸门，闸门宽2.5 m，高3.5 m。水闸设计流量30 m3/s，设计水位高程为50.42 m。泄洪闸闸室段长7 m，闸室底板高程47.51 m，闸室底板厚0.7 m，闸室下为分层夯实的黏性回填土。启闭设备为2台100 kN螺杆式启闭机。地震基本烈度为Ⅷ度。

前柳林泄洪闸工程自投入运行以来，发挥了巨大的经济效益和社会效益，但自投入运行至今未进行过系统的检测与安全评估。为确保前柳林泄洪闸安全运行，消除工程安全隐患，根据《水闸安全鉴定规定》(SL 214—2015)[1]和相关文献[2-4]，开展了安全评价，包括工程现状调查分析、现场安全检测(混凝土结构与金属结构)、工程复核计算分析。

2 工程现状调查分析

前柳林泄洪闸的工程现状调查分析，主要包括运行管理情况和工程安全状态现状两个方面。通过查阅运行管理、观测等技术资料，结合现场工程现状全面检查的情况，对工程现状进行综合分析。工程现状调查基本结论如下：

(1)前柳林泄洪闸由温泉管理所负责管理运行，工程管护范围明确可控，管理人员定岗定编明确，规章制度齐全并予以落实，能够满足管理要求。

(2)前柳林泄洪闸工程设施总体完好，能够得到有效的维护。混凝土结构外观良好，局部存在裂缝和混凝土剥蚀的现象。闸门整体状况完好，启闭机设备外观状况良好，性能状况基本正常，闸门和启闭机表面及零部件存在局部锈蚀现象。

(3)基于工程现状调查分析，前柳林泄洪闸需要进一步进行混凝土结构、钢闸门、启闭设备的质量检测，且需进行防洪标准、结构安全、渗流安全、抗震安全、金属结构安全以及机电设备安全等方面的安全复核。

3 混凝土结构安全检测

混凝土现场质量检测的范围主要包括混凝土闸室、上下游连接段、消力池等部位的混凝土结构等。主要针对混凝土现状调查、混凝土强度、裂缝情况、混凝土钢筋保护层厚度、混凝土碳化深度以及钢筋锈蚀程度等内容开展了检测分析。

检测结果表明：目前前柳林泄洪闸混凝土整体外观良好，局部出现裂缝、剥蚀等病害。采用水下机器人对水下混凝土工程进行检查，通过拍摄照片可以判断前柳林泄洪闸水下部分混凝土总体外观质量良好，无明显缺陷。无损强度检测[5]和钻芯法强度检测[6]混凝土强度高于30.0MPa，满足原设计要求；表面波检测得混凝土内部质量均匀；碳化深度检测表明碳化深度较浅，小于混凝土保护层厚度；关键位置钢筋未见明显锈蚀；下游左边墩存在深度分别为27 mm和63 mm的2条裂缝，其中一条裂缝深度较深，建议采取措施进行修补。

混凝土结构安全检测表明，前柳林泄洪闸混凝土安全检测结果基本满足标准要求，存在的部分质量缺陷不影响整座水闸的安全运行。

4 金属结构安全检测

为了解前柳林泄洪闸金属结构存在的问题与缺陷，需对金属结构进行检测，旨在对其安全性进行评价，为后续金属结构的修缮或更换提供科学依据。金属结构安全检测具体内容包括闸门安全检测和启闭机安全检测两部分。

4.1 闸门安全检测

闸门的安全检测内容主要包括闸门外观检测、腐蚀量检测、材料检测、以及焊缝无损探伤检测。

前柳林泄洪闸两扇工作闸门总体状况相似，闸门整体状况完好，主要构件未见损伤变形。综合试样材料化学成分分析、硬度及抗拉强度的检测结果，确定闸门主要构件所使用的材料为碳素结构钢Q235。泄洪闸工作闸门焊缝超声波探伤结果表明闸门面板对接焊缝存在1处未焊透制造缺陷(缺陷当量为RL+3.2 dB)，但未焊透，深度未超过《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》(GB/T 14173—2008)[7]规定的要求，允许存在，无须处理，其余受检焊缝均未发现有缺陷存在。闸门主要构件如主轮、侧导装置、止水装置均存在主体轻微腐蚀，门槽导轨局部有锈坑，门槽埋件底部20cm范围内腐蚀较重，有锈皮脱落现象。

4.2 闸门启闭机检测

前柳林泄洪闸配备2台手电两用螺杆式启闭机，一机一门担负2扇平面钢闸门的启闭任务。检测发现，启闭机运行控制系统控制功能设置健全，设备维护保养状况良好，启闭机设备状况及运行状况总体正常。在实测水位(49.33 m)下，对启闭机启闭力进行了测试，结果显示启闭机实测最大启门力为30.6 kN，小于启闭机的额定容量(100.0 kN)；闸门实测最小闭门力为-9.0 kN，闸门能依靠自重关闭。

现场检测也发现了启闭机设备存在的一些问题：启闭机无过负荷保护装置和螺杆抗压安全保护装置；两台启闭机螺杆普遍存在压弯变形现象；螺杆上闸门吊点至螺纹终止线之间的光杆部分锈蚀现象明显。

5 安全复核分析

基于现场安全检测结果，依据现行设计标准，根据水闸最新的规划流量和设计指标，对水闸进行安全复核分析，以综合评估水闸的安全状况。主要安全复核分析内容包括：防洪标准复核、结构安全复核、渗流安全复核、抗震安全复核以及金属结构安全复核。

5.1 防洪标准复核

设计水位高程为50.42 m时，前柳林泄洪闸处于非高淹没度，按照非高淹没度公式进行复核计算。水闸设计流量为30 m3/s，上下游水深分别为2.91 m和2.70 m，计算得闸孔总净宽为4.54 m，目前闸孔总净宽为5.00 m，因此在设计洪水位工况下闸孔净宽满足过流能力要求。

根据闸顶高程复核计算结果(见表 1)，在设计水位下，闸顶高程应不低于51.12 m，现状前柳林泄洪闸闸顶高程为51.22 m，大于防洪高程，因此闸顶高程满足防洪要求。

5.2 抗渗安全复核

采用改进阻力系数法对闸基渗透稳定进行复核计算，复核计算得水平段渗流坡降为0.088，出口段渗流坡降为0.267。闸基范围内基础为回填黏土，根据规范GB/T 14173—2008要求，出口段允许的渗流坡降值为0.6～0.7，水平段允许的渗流坡降值为0.3～0.4。根据渗流稳定复核结果，前柳林泄洪闸在设计洪水位工况下水平段和出口段的渗流坡降分别小于规定值，满足规范要求。

表1 闸顶高程复核计算结果 m

5.3 结构安全复核计算

水闸结构安全复核计算包括闸室稳定复核、启闭机工作桥大梁复核和消能防冲安全复核，对工程结构在目前运行工况下的稳定性进行复核分析。

5.3.1 闸室稳定计算

闸室稳定计算取相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元，在设计水位工况下，前柳林泄洪闸在设计工况闸室基底应力最大值为33.67 kPa，小于地基承载力标准值210 kPa；基底应力的最大值与最小值之比未超过规范规定值2.0，满足规范要求；闸室抗滑稳定安全系数为2.55，满足规范要求。综上，前柳林泄洪闸的闸室稳定满足规范要求，能够保证建筑物安全运行。

表2 闸室结构稳定计算结果

5.3.2 工作桥大梁复核计算

5.3.3 消能防冲安全复核

消能防冲安全复核计算依据规范《水闸设计规范》(SL 265—2016)[8]中附录B的规定开展。经复核，设计流量下消力池的深度应不小于0.35 m，长度应不小于10.4 m，厚度应不小于0.9 m，现行条件下消力池的实际深度为0.90 m，实际长度为15.0 m，始端和末端的厚度分别为1.3 m和0.9 m，因此消力池的深度、长度和底板厚度均能满足规范中对消力池消能防冲的要求。

5.4 抗震稳定

前柳林泄洪闸工程区地震动峰值加速度为0.2 g，地震动反应特征谱周期为0.35 s，根据规范GB/T 14173—2008的要求，采用拟静力法进行复核计算，采用0.2 g的地震动峰值加速度代表值对水闸设计水位工况下地震情况的抗滑稳定和坝基面应力进行了复核计算，计算结果表明在Ⅷ度地震情况下，闸室基底应力最大值为36.54 kPa，小于地基承载力标准值210.00 kPa；基底应力的最大值与最小值之比为1.22，未超过规范规定值2.0，能满足规范要求；闸室抗滑稳定安全系数为1.72，满足规范要求。因此水闸的抗滑稳定和建基面应力均满足规范要求，抗震措施有效。地震工况下闸室结构稳定计算结果如表 3所示。

表3 地震工况下闸室结构稳定计算结果

5.5 金属结构安全复核

闸门构件材料为Q235钢。闸门构件的厚度均小于等于20 mm，属于钢材尺寸分组中的第2组，考虑闸门使用年限，取容许应力的修正系数k=0.95×0.95=0.9025，可得闸门金属材料的抗拉、抗压和抗弯容许应力[σ]为135.37 MPa，抗剪容许应力[τ]为81.22 MPa。

考虑闸门静力压力水头为3.50 m的工况，对闸门上、下主横梁按实腹式梁进行复核计算，将小横梁按连续梁进行内力计算，将边柱按简支梁进行内力计算，根据各横梁边柱的截面特性，分别计算横梁和边柱的截面应力。截面最大应力计算结果如表 4所示，横梁和边柱的最大正应力σmax和剪应力τmax均小于容许应力[σ]和[τ]，因此泄洪闸金属结构满足标准要求。

表4 金属结构最大应力计算结果

6 结 论

以工程现状调查为基础，对前柳林泄洪闸开展了现场混凝土及金属结构检测，同时对防洪标准、结构安全、渗流安全、抗震安全、金属结构安全以及机电设备安全等方面进行了安全复核，评价结果可为前柳林泄洪闸的安全运行管理工作提供依据。

前柳林泄洪闸工程设施总体完好，能够得到有效的维护，工程安全状态较好。混凝土强度满足原设计要求，内部质量均匀；碳化深度较浅，小于混凝土保护层厚度；关键位置钢筋未见明显锈蚀；局部区域混凝土结构存在裂缝剥蚀等轻微老化病害现象。工作闸门整体状况良好；主要构件存在整体轻微腐蚀。启闭机设备布设规范、附属设施配置齐全、运行状况整体良好；局部位置存在锈蚀现象。闸孔过流能力、结构安全、渗流安全、抗震安全、金属结构安全以及机电设备安全复核计算结果均满足规范要求。

综合现场检测和复核分析结果，前柳林泄洪闸安全综合评价为二类闸。建议后续应采取适当工程措施对闸墩、底板、翼墙、工作桥等构件的混凝土局部剥蚀和裂缝进行修补加固处理，对检出的闸门和启闭机零部件、结构件锈蚀部位，进行除锈、防锈处理，预防工程的进一步老化锈蚀，避免出现严重险情。