长期闭门状态下水闸淤积调查与分析

孙刘林 胡升 安徽省交通科学研究院

陈亮 张林飞 鲁文妍 南京水利科学研究院

1.引言

水闸是水利工程泄水建筑物调节的咽喉，其作用是按需全部或局部开启，以调节上下游水位、通航、泄放流量及其他控制功能，一旦发生事故将可能威胁到人民生命财产安全，其安全问题一直以来备受关注。付军等调查发现退水闸前静水区及泵站前池淤积后，影响退水闸应急退水工作。张云霞等采用声呐检测系统调查管道淤积，并估算了管道淤积量。王予匀等分析了六垛南闸下游引河淤积的原因，总结了类似水闸工程引河淤积的共性规律和减淤途径。杨洲等研究表明闸门前后出现泥沙淤积是导致闸门难以提起的主要原因。部分水工建筑物闸门在特定时间段内需保持较长时间关闭状态，如河道节制闸，闸门较长时间固定于水下，且无法定期开闸冲砂，河流泥砂及其他杂物将不断在闸门前后沉积，会对闸室稳定、闸门结构以及过流能力等产生影响。

某老运河是历史上重要的通航河道，新运河开挖后，将老运河切断，为维持老运河通航、控制新运河与老运河之间的水位并兼顾排涝功能，原规划在老运河上修建东、西两座船闸，之后规划调整，未修建完整船闸，只在临近新运河侧保留了东、西两座闸首，如图1。两闸首长期处于关闭状态，至今已运行20余年，闸首长12.7m，净宽10m，闸顶高程6.0m，采用钢筋混凝土平底板，底板平面尺寸为12.7m×18.4m，其中东闸首闸底板高程-1.5m，底高程-3.4m，西闸首底板高程-1.0m，底高程-2.8m。工作闸门均为升卧式平板钢闸门，平面尺寸为10m×6.8m，闸门顶高程5.3m。上游老运河长期处于相对静水状态，静水中杂物、泥沙等在闸前沉积，从而在闸首上游侧产生淤积；下游新运河河水流动携带泥沙进入闸后区域，在闸首下游侧产生淤积。

图1 东、西两闸首平面布置图

为全面了解两闸首水下淤积环境以及淤积深度对闸首安全的影响，本文应用超声测深仪对东、西闸首开展淤积情况调查，并进行水下泥沙淤积高程三维可视化处理；分析淤积对闸首稳定、闸门结构安全、过流能力、消能防冲以及闸门启闭的影响。

2.长期闭门状态下闸首水下淤积调查

依据《工程测量规范》（G B 50026-2020），确定两闸首的水深测量区为自闸门向上下游各60m，将测量区划分为垂直水流方向间隔2m、顺水流方向间隔3m的网格，采用超声波测深仪测量网格点的水深。闸首段的水下淤积高程如图2、图3。

图2 东闸首淤积高程图

图3 西闸首淤积高程图

调查结果显示，东、西两闸首及上下游测量范围内，水下均产生了淤积现象，总体下游淤积深度较上游淤积深度大。东闸首淤积深度在0.37m～1.25m之间，上游铺盖淤积深度在0.40m～1.56m之间，上游连接段淤积深度在0.43m～1.26m之间；下游消力池淤积深度在0.28m～1.63m之间，下游连接段淤积深度在0.37m～1.60m之间。西闸首淤积深度在0.07m～1.52m之间，上游铺盖淤积深度在0.25m～0.95m之间，上游连接段淤积深度在0.59m～2.92m之间；下游消力池淤积深度在0.95m～2.32m之间，下游连接段淤积深度在0.39m～1.61m之间。

3.淤积对闸首安全的影响

3.1 淤积对闸首稳定性的影响

根据《水闸设计规范》（SL265-2016），稳定性复核包括基底应力与抗滑稳定性。计算工况见表1。

表1 计算组合表（单位：m）

在基本组合工况下，将闸首稳定处于临界状态时的上下游淤积高程，记为淤积临界组合工况。

东、西闸首稳定计算结果分别见表2和表3。结果表明基本组合和特殊组合工况下，东、西闸首基底应力平均值、不均匀系数和抗滑稳定性均满足规范要求。淤积高程对平均基底应力以及抗滑稳定安全系数影响不大，且各种工况下平均基底应力不足允许值的50%，抗滑稳定安全系数不小于3，地基承载力和抗滑稳定有足够的安全裕度。

当上游淤积高程为-1.22m，下游淤积高程为1.20m时，闸首平均基底应力和抗滑稳定系数均满足规范允许值，但此时地基不均匀系数η为2.00，达到了规范规定的允许值［η］=2.00。若下游继续淤积，地基不均匀系数将超过2，因此闸首上下游淤积高程差不宜超过2.4m。西闸首底板高程-1.0m，下游水位1.0m，当下游淤积至水面、上游无淤积时，淤积高差为2.0m，未超过2.4m，不均匀系数不超过规范允许值。

因此应定期进行水下环境调查，合理制定清淤方案，在清淤作业过程中控制上下游淤积高程差。

3.2 淤积对闸门安全性的影响

两闸首挡水工作闸门均采用升卧式平板钢闸门，设有4道水平主梁，主横梁高度由125cm渐变为80cm，与双腹板端柱相接，纵梁、横梁相接采用斜面渐变的方式，门叶宽均为9.96m，东闸首闸门高6.8m，西闸首闸门高6.3m。建立东、西闸首闸门有限元模型，东闸首闸门有限元网格节点数为28942个，单元总数为9824个；西闸首闸门有限元模型节点总数为99763个，单元总数为33660个。坐标系均定义为：x轴为沿主横梁轴向，y 轴铅直向上，z 轴水平指向上游。闸门底部受铅直向约束，闸门在边梁支承处受顺水流方向和垂直水流方向约束。

闸门构件材料为Q235钢，弹性模量2.06×10MPa，泊松比0.3，密度7850kg/m，重力加速度9.8m/s，闸门荷载考虑闸门自重、静水压力和淤沙压力。取表2和表3中基本组合和特殊组合工况进行闸门结构有限元计算分析。

表2 东闸首稳定计算成果表

表3 西闸首稳定计算成果表

东、西闸首闸门面板、主横梁、纵梁及边梁应力计算结果以及依据规范确定的各组合工况下闸门结构应力容许值见表4～5。计算结果表明，在特殊组合工况下，东闸首面板最大折算应力超过容许值，西闸首面板最大折算应力、以及纵梁、边梁的最大折算应力和正应力均超过容许值。以下分别对东、西闸首闸门结构计算结果进行分析。

表4 东闸门强度各工况计算结果（单位：MPa）

对于东闸门，两种组合工况下，最大值出现在面板与中间两根主横梁连接处，范围较小。在基本组合工况下，面板强度满足规范要求。在特殊组合工况下，面板最大折算应力为259MPa，大于钢材折减后的容许应力。东闸门主横梁、纵梁以及边梁的抗弯、抗剪强度及折算应力满足规范要求。

对于西闸门，基本组合工况下，面板强度满足规范要求。特殊组合工况下，面板最大折算应力为270MPa，大于容许应力200MPa。

表5 西闸门强度各工况计算结果（单位：MPa）

西闸门主横梁抗弯、抗剪强度及折算应力均满足规范要求。在基本组合工况下，纵梁、边梁满足规范要求。特殊组合工况下，纵梁、边梁最大折算应力为213MPa，大于容许折算应力193MPa；最大正应力为206MPa，大于容许抗拉（弯）应力值175MPa。在特殊组合工况下，纵梁、边梁的抗剪强度满足规范要求，最大正应力和折算应力超过容许值，抗弯及折算应力均不满足要求。

3.3 淤积对闸首排涝过流的影响

东西闸首排涝水位：上游侧3.82m，下游侧3.67m。为研究淤积深度对闸首过流能力的影响，根据《水闸设计规范》（SL 265-2016），计算不同淤积深度的水闸排涝流量，结果如图4。

图4 东、西两闸首排涝流量与淤积深度的关系

结果表明，闸首淤积会显著影响水闸过流能力，随淤积深度增大，排涝流量逐渐减小。未淤积时，东闸首排涝流量83.5m/s，西闸首排涝流量74.9m/s；当淤积深度达到2.5m时，东西闸首排涝流量均约减小至未淤积时排涝流量的50%；当淤积深度达到4m时，东闸首排涝流量减小至18.7m/s，为未淤积时排涝流量的22.4%，西闸首排涝流量减小至10.4m/s，为未淤积时排涝流量的13.9%。根据超声测深法获取的水下淤积调查成果，东闸首淤积深度为0.37m～1.25m，西闸首淤积深度为0.07m～1.52m，截止调查完成时，东、西闸首排涝流量维持在未淤积时排涝流量的70%～80%。为确保安全排涝，建议定期对闸首水下淤积进行清理。

3.4 淤积对消力池消能防冲的影响

根据调查结果，自闸门向下游40m范围内闸首轴线淤积高程如图5，东闸首底板高程-1.5m，西闸首底板高程-1.0m，东、西闸首消力池底板高程均为-2.1m，东闸首下游消力池轴线淤积高程约为-1.2m～-0.8m，西闸首下游消力池轴线淤积高程约为-0.4m～-0.1m，消力池轴线核心区域被淤积物填满，淤积高程均超过消力池尾坎高程，淤积将影响消力池消能防冲，甚至导致消力池丧失消能防冲作用。因此建议定期检查消力池淤积情况，并及时清淤。

图5 闸首轴线消力池附近淤积高程图

3.5 淤积对闸门启闭的影响

东、西闸首闸门为升卧式平板钢闸门，采用QP-2×250kN卷扬式启闭机控制。根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-2019），平面钢闸门启闭力计算涉及摩阻力、闸门自重、底缘上托力、止水上托力、下吸力、闸门水柱压力等。淤积将增加面板摩阻力和支承摩阻力，甚至滚轮卡阻，导致闸门启闭困难；闸门长期关闭，水下主梁或次梁上淤积有大量泥沙或其他沉积物，闸门自重相应增大，所需启门力增大。因此，淤积可能会影响闸门启闭安全。

4.结论

本文对东、西闸首开展了淤积情况调查，分析了淤积对闸首稳定、闸门结构安全、过流能力、消能防冲以及闸门启闭的影响。主要结论如下：

1）东、西两闸首及上下游测量范围内，水下均产生了淤积现象，且下游淤积深度较上游淤积深度大。

2）东、西闸首基底应力平均值、不均匀系数和抗滑稳定性均满足规范要求。闸首上下游淤积高程差不宜超过2.4m。

3）当前淤积情况下，上下游处于基本组合水位工况时，东、西闸首闸门结构强度满足规范要求；上下游处于特殊组合水位工况时，东闸首闸门面板最大折算应力大于容许应力，西闸首面板最大折算应力以及纵梁、边梁最大正应力均超过容许值，其他结构各应力满足规范要求。

4）闸首淤积会显著影响水闸过流能力，随淤积深度增大，排涝流量逐渐减小。淤积深度达到2.4m时，两闸首排涝流量减小至未淤积时排涝流量的50%，截止调查完成时，两闸首排涝流量为未淤积时排涝流量的70%～80%。

5）东西闸首下游消力池轴线核心区域被淤积物填满，淤积高程均超过消力池尾坎高程，淤积严重影响消力池消能防冲作用。

建议定期进行水下环境调查，并合理制定清淤方案，在清淤作业过程中注意控制上下游淤积高程差。