武障河闸扩建工程中现状老闸安全复核计算分析

王杨洁

（连云港市盐东水利工程管理处,江苏 连云港 222500）

1 工程概况

灌南县武障河闸位于新安镇境内武障河与盐河交汇处东侧约500 m处（平面位置示意图见图1）,是盐东控制工程的骨干工程之一,其主要工程任务有排涝入海、挡潮御卤、蓄水灌溉等。武障河闸建于20 世纪60 年代~70 年代,原设计标准为3 级建筑物,原河闸共14 孔总净宽88 m,其中,12 个中孔闸门宽为6 m,两边孔为通航孔净宽8 m,闸底采用混凝土反拱式,顺水流长14 m, 边孔底板宽9.6 m,闸顶高程4.5 m,底板高程-2.5 m,钢板闸门直升门,闸墩采用钢筋混凝土结构,公路桥为梁板结构,桥面宽7 m,工作桥宽4.5 m,桥面高程为11.7 m,采用钢筋混凝土排架结构[1]。 由于受当时技术、经济、以及工期等因素的影响和限制,原水闸在设计、施工方面不满足标准要求,从 1976 年运行至今,水闸已经过多次除险加固,但仍然存在较大的安全隐患,经安全鉴定为 三类闸,本文通过对武障河闸老闸进行安全复核计算分析,为确定河闸除险加固方案提供指导和参考依据。

图1 武障河闸平面位置示意

2 存在的问题

盐东控制武障河闸工程建设时因受技术、经费、材料等因素限制,采用了素混凝土反拱底板、预制砼薄壳拼装等结构形式,闸门门顶高程仅为3.0 m,挡潮高度不足。2015 年,武障河闸经安全鉴定被评定为三类闸,安全鉴定后一直没有采取除险加固措施,但经近几年运行发现,工程存在问题进一步加剧,特别是闸室底板纵向通缝进一步增多,存在重大安全隐患,闸门、启闭机长期频繁高负荷运行、部分电气设备老化,给运行管理带来很大的不便。水闸虽经过多次除险加固, 但对水下部分基本没有加固处理。2017 年3 月水下检查结果及近几年管理单位运行管理过程中发现的问题,该闸目前存在较多安全隐患,水闸带病运行,本次水闸安全评定中工程质量分级为C级,评定武障河闸工程为三类水闸。

3 安全复核分析

本文按新的规划水位对武障河现状闸进行安全复核计算分析[2],计算内容包括闸顶高程复核、过流能力复核、结构强度复核等方面。

3.1 闸顶高程复核

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）第4.2.4 条,泄洪时闸顶高程应高于设计及校核洪水位加相应安全超高值,关门时应高于设计及校核洪水位加波浪计算高度和相应安全超高值[3],波浪高度按莆田试验站公式计算,两种工况闸顶高程复核成果见表1。

表 1 闸顶高程复核成果表

从表1可知,现状闸墩顶高程4.5 m,小于复核水位组合下计算所需的闸顶高程,故现状闸闸顶高程不能满足规范要求。

3.2 水力复核计算

（1）过流能力复核

根据工程规模分析中盐东控制布局优化成果,武障河闸原址扩建设计流量为848 m3/s,武障河闸现状闸孔净宽88 m,根据水闸设计规范附录A.0.1堰流流量公式, 对现状闸孔过流进行复核,本文不再单列公式,计算成果见表2。

表 2 过闸流量复核成果表

计算成果表明武障河闸闸孔净宽不满足最近规划过流的要求。

（2）消能防冲复核计算

1）消力池计算

闸室现状下游设钢筋混凝土综合式消力池,总长19 m,斜坡长4 m,消力槛顶高程为-2.50 m,消力池底板面高程为-3.50 m,底板始端厚度为1.1 m,末端厚度为0.6 m。海漫长度为45 m。消力池深度和长度分别按《水闸设计规范》附录B中公式进行计算,本文不在列出,消力池计算成果见表3。

表 3 消力池计算成果表

计算成果表明,现状消力池长度偏短,消力池深度、底板厚度满足要求。

2）海漫及防冲槽计算

海漫长度和河床冲刷深度复核计算应根据《水闸设计规范》中附录 B.2.1 和附录 B.3.1 公式计算[4],经计算,现状海漫长度为30 m,小于计算值51.65 m,故现状海漫长度不满足规范要求,复核成果见表4。河床冲刷深度最大值为15.44 m,考虑块石盖护厚度0.5 m,冲坑边坡为1∶2（根据有关资料,粘土边坡系数m推荐值2.0~4.0）,所需消力池断面面积为31.83 m2,实际设防冲槽消力池断面面积为3.375 m2,故消力池防冲槽断面不满足规范要求,即冲刷深度不满足规范要求。河床冲刷深度复核成果见表5。

表 4 海漫长度复核成果表

表 5 河床冲刷深度复核成果表

3）渗流复核计算

武障河闸基防渗长度L=45 m,上、下游最大水位差发生在反向校核工况,上游水位H上=3.60 m,下游水位H下=-2.22 m,故ΔH=5.82 m。闸基土层为粉质粘土, 根据《水闸设计规范》表4.3.2,取有滤层的粘土地基允许渗径系数为 3,故闸室纵向防渗长度按规范要求根据 L=CΔH（《水闸设计规范》4.3.2）,计算得允许渗径长度L=17.46 m,另经计算,侧向绕渗长度为22.4 m,故闸基防渗长度、侧向绕渗长度均满足设计要求,但4#孔闸底板在上游闸门中间一条纵向裂缝向上游延伸,长度6.8 m,存在渗径长度不足的安全隐患。

3.3 闸室抗滑稳定计算

武障河闸底板为连拱反拱结构,底板共分 4 联,两边孔各为一联,中间12 孔分为六孔一联,共二联,边孔底板拱脚处高程-2.17 m,中间12 孔底板拱脚处高程-2.5 m,14 孔拱底处高程均为-3.0 m。稳定复核时,取边孔一联和中跨六连孔一联进行抗滑稳定复核计算。

根据《连云港市武障河闸加固工程初步设计报告》,闸室持力层为黄色粉质粘土,标准贯入击数一般10~15击。该层土的土质指标 C=28 kPa~32 kPa、φ=12°~14°, 闸室抗滑稳定安全系数按《水闸设计规范》公式 7.3.6-2 计算,其成果见表 6、表 7。

表 6 单孔闸室稳定计算成果表

由表 6 可知,边孔闸室正向设计和正向校核工况下不均匀系数和抗滑安全系数均满足规范要求,反向设计和反向校核工况下不均匀系数不满足规范要求,抗滑安全系数满足规范要求。

表 7 六连孔闸室稳定计算成果表

由表 7 可知,六连孔闸室正向设计和正向校核工况下不均匀系数和抗滑安全系数均满足规范要求,反向设计和反向校核工况下不均匀系数不满足规范要求,抗滑安全系数满足规范要求。

综上所述,根据计算成果,现状水位组合下,闸室抗滑安全系数仍能满足规范要求,但部分工况下不均匀系数不满足规范要求。

3.4 闸底板、闸墩结构强度复核

（1）闸底板结构强度复核

本工程闸底板原设计混凝土标号C20,底板按无铰拱计算,同时考虑外荷载及拱脚不均匀沉陷引起的内力,确定外荷载时考虑地基反力按反拱底面积及墩基底面积 比例分配,反拱与墩基各占50%两种情况,取其大值。闸室以闸门底止水与底板交接处为界,分为上游段（长9.55 m和下游段（长4.45 m）分别计算,垂直水流向取单宽1 m, 拱脚不等沉陷引起的内力按圆弧无铰拱弹性中心法计算,假定中孔拱脚不等沉陷0.2 cm, 边孔不等沉陷0.3 cm。经计算,中孔、边孔内力计算结果见表 8。

表 8 底板强度复核成果

边联底板实配钢筋为 Φ16@30,不满足结构强度要求,中联底板仅拱脚处配筋, 实配钢筋为 Φ16@30,不满足结构强度要求,且中孔跨中无配筋,不满足现行《水工混凝土结构设计规范》要求。

（2）闸墩强度复核

边墩厚度0.8 m,中墩厚度1.00 m,缝墩厚度0.80 m,墩底高程-2.50 m,顺水流向长14.0 m,原设计混凝土标号C15,闸墩为素混凝土偏心受压构件,按《水工混凝土结构设计规范》中 5.2.2-4 公式：

式中：N 为构件正截面承受的轴向压力计算值；fc为混凝土的许可压应力,取6.2 N/mm2；φ为素混凝土构件的稳定系数,取 0.74；b、h分别为矩形截面的宽度和高度,m；e0为轴向压力的偏心距。

闸墩受力主要考虑以下 2 种工况组合：1）闸墩自重、闸墩上部结构自重、启门力、汽车制动力；2）闸墩自重、闸墩上部结构自重、一孔检修时水压力。经计算,混凝土σmax=1.95 MPa

门槽部位纵向按轴心受拉构件计算,取墩条上游段为脱离体,计算得每米墩条高度范围内所受最大拉力N=94.4 kN。按《水工混凝土结构设计规范》7.4.1 公式计算：

式中：N为轴向拉力计算值,kN；K为承载力安全系数；fy为纵向钢筋的抗拉强度设计值,N/mm2；AS为纵向钢筋的全部截面面积,cm2。

经计算,AS≥5.62 cm2,实配钢筋Φ10@25 为3.14 cm2,故门槽顺水流方向配筋不满足规范要求。

综上所述,新的水位组合下,上下游水位差加大,底板及闸墩配筋不能满足规范要求。

4 结论及建议

本文通过新规划流量水位组合下,对老闸进行安全复核,分析可知现状老闸存在闸孔净宽不满足最近规划过流的要求,闸孔净宽不足,闸下消能防冲设施不足,存在渗径长度不足的安全隐患,上下游水位差加大,底板及闸墩配筋不能满足规范要求等问题,河闸存在重大的安全隐患,现已无法运行,必须提出武障河闸的除险加固方案和措施,以消除工程安全隐患,保护该区域人民的生命财产安全。