改进阻力系数法验算闸基抗渗稳定性分析

李婵娟，林强，于军国，吴晓磊

（1.北京市密云水库管理处，北京 101512；2.北京市密云区水务局，北京 101500）

关键字：闸基；抗渗稳定性；改进阻力系数法；闸室稳定计算

0 引 言

密云水库是一座以防洪、供水为主要功能的多年调节大型水利枢纽，总库容43.75亿m³，为华北地区最大的水库，按千年一遇洪水标准设计，万年一遇洪水标准校核，主要建筑物包括两座主坝、五座副坝、三座溢洪道、一座调节池和七条输泄水隧洞。水库已安全运行近60a，累计供水384亿m³，历史最大入库洪峰流量3670m³/s（1994年7月13日），最高库水位153.98m，相应蓄水量33.576亿m³（1994年9月16日）。

自南水北调以来，密云水库逐步进入高水运行阶段，经过安全检查发现，第一溢洪道存在严重的安全隐患，当库水位超过154.00m 后，1#闸墩的抗滑稳定性及基底应力不满足现行规范要求，混凝土老化病害等问题突出，还存在其他建筑物混凝土碳化、裂缝和渗水等问题，采取消隐措施对工程进行加固已经非常必要。

密云水库防洪标准为1000a 一遇洪水设计，10000a 一遇洪水校核。死水位126.0m，死库容为4.19 亿m³。主汛期限制水位152.0m，后汛期控制水位154.0m，100a 一遇防洪高水位及设计洪水位157.5m，校核洪水位158.5m，防洪库容为9.27 亿m³，调洪库容为11.08 亿m³。正常蓄水位157.5m，兴利库容为35.45 亿m³。

密云水库主要由挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物组成，包括2座主坝、5座副坝、3座溢洪道、1 座调节池、7 条输泄水隧洞等。

1 调节池泄洪闸消隐工程特性

密云水库第二溢洪道泄洪能力同原设计标准，即设计洪水位157.50m 时泄量为3650m³/s，校核洪水位158.50m 时泄量为4250m³/s。主要建设内容包括：改建泄槽底板及两侧1m 高边墙共5465 ㎡，处理挑坎表面，处理混凝土结构病害，对上游弧形翼墙及泄槽边墙改建部位的混凝土表面进行防碳化处理共1013 ㎡，增设门机夹轨器，增加泄槽段的水力学监测设施。

调节池泄洪闸是泄洪的重要建筑物。《密云水库安全评价报告》中提出泄洪闸存在的安全隐患问题及建议是：闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积不满足规范要求，混凝土强度不满足现行规范对结构耐久性的要求，且主要承载结构梁出现明显挠度变形，混凝土结构存在各种老化病害，建议进行彻底的除险加固。闸门和启闭机存在严重的安全隐患，应报废更新。

闸室段长17.2m，上游与铺盖段相接，下游与消力池段相接。综合考虑泄洪闸的泄流与挡水需求，改建闸室仍采用2 孔，单孔净宽8m，闸孔总净宽16.0m，设置溢流堰顶高程为88.00m，与原闸一致；同时将溢流堰更改为曲线型实用堰，提高泄流能力满足泄洪要求。闸室中墩厚2.0m，边墩厚1.5m，闸室总宽度21.0m，墩顶高程95.90m。溢流堰采用曲线顺接下游1 : 4 坡面，溢流堰堰顶处厚5.0m，斜坡段终点高程82.50m。闸室采用C25W6F200 补偿收缩混凝土。闸墩下游上部设交通桥[1-3]。

调节池泄洪闸既有建筑设计洪水位93.00m，设计洪水流量400m³/s，校核洪水位93.55m，校核洪水流量450m³/s，最高蓄水位94.00m。闸型位弧形钢闸门，利用固定卷扬式启闭机开启，闸顶高程95.00m，闸孔尺寸为2 孔8m×6m。

2 闸基抗渗稳定分析

2.1 改进阻力系数法计算原理

泄洪闸防渗段包括上游铺盖、闸室和消力池底板第一排排水孔以前部分，水平投影总长度为43.5m，其后消力池底板排水孔下部设反滤层。泄洪闸最高挡水位为94.00m，下游取消力池池底顶高程为82.50m，最大水头差为11.5m。本次采用改进阻力系数法验算闸基抗渗稳定性，计算公式如下：

式中：Te—土基上水闸的地基有效深度（m）；

L0—地下轮廓的水平投影长度（m）；

S0—地下轮廓的垂直投影长度（m）；

ξ0—进、出口段的阻力系数；

S—齿墙的入土深度（m）；

T—地基透水层深度（m）；

ξy—内部垂直段的阻力系数；

ξx—水平段的阻力系数；

Lx—水平段长度（m）

S1—进口段齿墙的入土深度（m）；

S2—出口段齿墙的入土深度（m）；

hi—各分段水头损失值（m）；

ξi—各分段的阻力系数；

n—总分段数；

h0—进、出口段水头损失值（m）；

他的身体如出膛的炮弹，猛地朝着远处那团红影射过去。身在空中，六只节足盘绕拧转，合成了一柄巨大的尖锥。这柄尖锥将盘旋的黑风撕开一道豁口，破开前方密密麻麻拥上来的骷髅头，直射天葬师！

β'—阻力修正系数；

S'—底板埋深与齿墙入土深度之和（m）；

T'—齿墙另一侧地基透水层深度（m）

2.2 闸基抗渗稳定

依据地勘资料，泄洪闸基底位于砂卵石层，由《水闸设计规范》可知：水平段允许渗流坡降值为0.22~0.28，出口段允许渗流坡降值为0.50~0.55；当渗流出口处设滤层时，上述允许值可加大30%。

2.3 计算结果验证

经计算，水平段最大渗流坡降0.21，出口段渗流坡降0.53，满足规范渗流坡降要求。此外，泄洪闸上游池底现状有1m 厚黏土水平铺盖，堤坡现状为混凝土板衬护防渗，消隐工程充分利用新旧防渗结构做好连接。

3 闸基稳定计算

3.1 荷载及其组合分析

闸基承受来自闸室的荷载主要包括自重、水压力、土压力、扬压力及地震荷载等，荷载效应组合见表1。

表1 闸室荷载组合表

3.2 闸基稳定计算

由该泄洪闸闸室地基为土基，根据相关规定，土基地面的抗滑稳定安全系数，一般由Kc 值来确定，Kc 的计算公式为：

式中：Kc为闸室基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载（kN）；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）；f为闸室基础底面与土质地基之间的摩擦系数，取0.4。计算成果见表2。

表2 闸室稳定计算成果表

3.3 闸基稳定计算结果

从计算成果表中可以看出，闸室在不同的荷载组合状态时，计算得到不均匀系数，根据水工建筑物规范规定的允许值，可以比较清楚的判定荷载在基本组合工况时，计算所得的不均匀系数η 最大值为1.87，小于允许不均匀系数[η]为2.5。同样在特殊组合工况时，计算所得的不均匀系数η 最大值为1.81，也小于允许不均匀系数[η]为3.0。因而从不同工况时产生的荷载应力来看，闸基稳定是安全可靠的。

为了确保闸室稳定，通常还要进行结构稳定复核, 闸室在不同的荷载组合状态时，计算得到闸基抗滑安全系数值，根据水工建筑物规范规定的允许值，可以比较清楚的判定荷载在基本组合工况时，计算所得的抗滑安全系数最小值为1.40，大于抗滑安全系数[Kc]为1.25。同样在特殊组合工况时，计算所得的抗滑安全系数最小值为1.25，也大于允许抗滑安全系数1.05。因而从不同工况时产生的抗滑安全性来看，闸基也是安全可靠的[4-5]。

闸基稳定计算结果经计算验证，闸基承载力满足要求，闸室稳定满足规范要求。

4 结 论

1）调节池泄洪闸是泄洪工程项目的重要建筑物，基于改进阻力系数法计算闸基抗渗稳定性是保障工程安全的重要任务，对于工程建设的安全可靠运行意义重大。

2）闸基稳定计算过程中，要考虑各种工况条件或者工况组合条件下，出现的最不利的荷载，由此作为极端应力值来判别闸基出现的不均匀应力是否超限。基本组合工况时不均匀系数1.87，小于允许不均匀系数2.5；特殊组合工况时的不均匀系数为1.81，小于允许不均匀系数3.0，闸基抗渗稳定安全可靠。

3）闸室在不同的荷载组合状态时，计算得到闸基抗滑安全系数值如果大于允许抗滑安全系数，则认为闸基也是安全可靠。为此，分析闸室荷载组合状态，在基本组合工况时抗滑安全系数为1.40，大于允许抗滑安全系数1.25；在特殊组合工况时抗滑安全系数1.25，大于允许抗滑安全系数1.05，闸基稳定满足规范要求。