荆山湖退洪闸质量检测与结构安全复核分析

张 龙

（安徽省茨淮新河工程管理局,安徽 蚌埠 233000）

1 工程概况

荆山湖行蓄洪区位于怀远县境内,面积72.1 km2,耕地8.6万亩。荆山湖行洪区的运用,对降低淮南至蚌埠水位,确保淮北大堤以及蚌埠、淮南城市圈堤的防洪安全发挥着重要作用。为灵活、有效地控制荆山湖行蓄洪区,加强对淮河洪水的调度,2003年水利部淮河水利委员会批复同意兴建荆山湖行蓄洪区退洪闸工程。荆山湖退洪闸是荆山湖行蓄洪区治理改造工程项目之一,工程于2004年2月10日开工,2006年汛前完工。2006年8月28日通过了投入使用验收,2007年4月8日通过水利部组织的竣工验收,工程正式投入运行。

该退洪闸为钢筋混凝土开敞式水闸,工程等级为大（2）型水闸,其主要建筑物为2级,次要建筑物为3级,堤防级别为3级,临时建筑物为4级。闸室主要部位均为C20钢筋混凝土结构,顺水流方向长19 m,闸室总宽度为340.6 m。闸墩采用钢筋混凝土实心结构,中墩厚1.4 m,边墩厚1.2 m。闸底槛高程为17.0 m,闸顶高程25.8 m。闸门为直升式露顶平板定轮钢闸门,共30孔,单孔净宽10 m。水闸设计流量为3500 m3/s,反向进洪流量2000 m3/s,设计退水流量1000 m3/s。设计防洪水位23.85 m,校核洪水位24.35 m。闸室底板为两孔一联分缝的分离式底板型式,大底板厚1.5 m,小底板厚1.2 m,大小底板间设搭接缝,缝间设橡皮止水。闸室2#、4#、27#、29#孔为单孔大底板。启闭机台布置在闸室下游,顶面高程为35.9 m,启闭机大梁支撑于排架上,启闭机台上设启闭机房,净高4.5 m、宽均为5.2 m,桥面净宽6 m,桥面高程25.8 m,两侧各设宽0.5 m的护轮缘石。荆山湖退洪闸全景见图1。

图1 荆山湖蓄洪区退洪闸上游全景

图2 荆山湖退洪闸闸门金属结构

鉴于荆山湖退洪闸运行多年以来,尚未进行质量检测和安全鉴定分析。因此,根据水利部《水闸设计规范》（SL 265-2016）[1]及《水闸安全鉴定管理办法》（水建管［2008］214号）等规范、规程要求,需对荆山湖退洪闸进行现场安全检测报告和工程复核计算分析。及时复核闸顶高程、过流能力、消能防冲、建筑物稳定和构筑物结构安全等方面,以此评价工程的安全运行状态。

2 工程地质条件

荆山湖退洪闸闸基中上部为近期河湖相冲、淤积地层。主要有：第四系全新统冲洪积层（Qal～pl）,具体为灰色淤积、淤泥质粘性土、①层灰黄～灰色轻粉质壤土、②层棕红～灰黄色重粉质壤土、③层灰色重粉质壤土、④层灰黄～灰色中粉质壤土、⑤层稍密状细砂,下伏下远古界（Pt1）混合花岗岩。

勘探深度范围内揭露地层主要为近期河湖相冲、淤积地层,上部为重～中粉质壤土层,局部夹轻粉质壤土和砂壤土夹层,中部为细砂层,下部为粉质粘土及花岗岩风化层。地下水主要以孔隙水的形式赋存于闸基地层中。根据试验结果,闸基主要地层的透水性分为以下几个级别：

①层轻粉质壤土,局部夹有粉土,其渗透系数为1.00×10-4cm/s～6.00×10-4cm/s,具中等透水性。

②层重粉质壤土,局部近粘土,其渗透系数为1.00×10-6cm/s～1.00×10-5cm/s,以微透水性为主,局部具弱透水性。

③层重粉质壤土,局部为粉质粘土,其渗透系数为5.00×10-6cm/s～2.00×10-5cm/s,具微透水性。

④层中粉质壤土,其上部多夹重粉质壤土,下部多夹轻粉质壤土,其渗透系数为2.00×10-5cm/s～7.00×10-5cm/s,具弱透水性。

⑤层细砂,局部为中砂,其渗透系数为5.00×10-3cm/s～2.00×10-2cm/s,以中等透水性为主,局部具强透水性。

3 工程质量检测

经现场检测,荆山湖退洪闸闸门表面防腐良好,无大面积锈蚀及锈坑,根据现场具备的检测条件,使用HCC-24型电脑涂层测厚仪测量闸门门体防腐涂层总厚度[2-4],检测结果见表1。

表1 闸门门体防腐涂层总厚度检测结果

以上结果说明闸门表面防腐良好,无大面积锈蚀及锈坑,抽检的6扇闸门防腐涂层总厚度检测结果符合设计图纸及《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》（DL/T 5018-2004）的技术要求。

闸门门体无明显变形及扭曲的现象,面板、主梁、纵梁等主要构件未发现碰撞变形, 闸门表面局部略有锈蚀；焊缝及其热影响区无异常变化；吊耳无变形及开裂；止水橡皮外观良好,无明显磨损、老化、开裂、破损等现象,止水橡皮压板固定用螺栓表面锈蚀；滚轮表面锈蚀,未发现轴孔磨损变形；轨道埋件无明显锈蚀；检修闸门外观正常,无明显变形及锈蚀。

4 工程复核计算

在现有工程技术资料的基础上,以检查观测资料和安全检测成果为依据,按照水利水电工程各专业现行的规程、规范和规定的要求,对工程进行结构安全复核计算[5-10]。本次复核计算主要内容包括：（1）过流能力复核；（2）消能防冲复核；（3）抗渗稳定性复核；（4）整体稳定性复核。

4.1 过流能力复核

荆山湖退洪闸共30孔,每孔净宽10.0 m,闸室总宽340.6 m。水闸底槛高程为17.0 m,闸顶高程为25.8 m,闸室顺水流向长19.0 m,中墩厚1.4 m。荆山湖退洪闸具有多种运行条件,过流能力复核由设计水位：湖内侧24.00 m,下游23.85 m,设计过闸流量3500 m3/s。

本工程行洪工况下,考虑下游水深与计入行进流速的上游总水头之比大于0.9（即：hs/H0＞0.9）,该堰流处于高淹没度,过流能力复核可按下列公式进行计算：

式中：Q为过闸流量,m3/s；B0为闸孔净宽,m；μ0为淹没堰流的综合流量系数；hs为由堰顶算起的下游水深,m；H0为计入行进流速水头的上游水深,m。

过闸流量计算成果见表2。由计算结果可知,闸门现状复核流量为5516 m3/s,大于原设计流量3500 m3/s,说明闸门过流能力满足要求。

表2 过流能力计算成果

4.2 消能防冲复核

荆山湖退洪闸采用综合式消力池,反向进洪条件下湖内侧高程17.0 m,淮河侧23.85 m,设计进洪流量2000 m3/s；退水条件下湖内侧24.00 m,淮河侧22.5 m,退水流量1000 m3/s。消力池深度计算公式如下：

式中：d为消力池深,m；σ0为水跃淹没系数,可取1.05～1.10；q为过闸单宽流量,m3/（s·m）；T0为总势能,m；hc为收缩水深,m；a为水流动能校正系数,取a =1；Φ为流速系数,取Φ=0.95；hc''为跃后水深,m；ΔZ为出池落差,m；hs'为出池河床水深,m。

消能防冲计算结果见表3。分析可知,反向进洪及退水工况下消力池长度、池深、底板厚度及海漫长度计算值均小于现状值,均满足规范要求,说明闸门消能防冲设施现状满足要求。

4.3 抗渗稳定性复核

荆山湖退洪闸防渗体由上游铺盖、多头小直径截渗墙、闸室底板及消力池构成,合计防渗长度68.6 m。渗径复核时,取上下游最大水位差,即防洪校核水位,湖内侧17.0 m,淮河侧24.35 m,所需防渗长度为L=4×（24.35-17.0）=29.4 m,现状闸基防渗长度为68.6 m,闸基防渗长度满足规范要求。

规范要求水闸水平段和出口段的渗流坡降必须小于规定的水平段和出口段允许渗流坡降值,水平段和出口段的渗流坡降计算结果见表4。允许渗透坡降按壤土取值。根据《水闸设计规范》,渗流出口处设反滤时,允许渗透坡降值可增大30%。

表4 地基土渗透安全复核结果

从上述渗透计算结果可知,闸基水平段和出口段渗流坡降值分别为0.007和0.138,均小于规范允许值,满足规范要求。

4.4 闸室整体稳定性复核

荆山湖退洪闸的闸室均为钢筋混凝土结构,底板顺水流向长19 m,闸底板为分离式结构,大底板厚1.5 m,小底板厚1.2 m,中墩厚1.4 m,公路桥布置在闸上侧,启闭机房布置在闸下侧。为简化计算,选取一跨大底板作为计算单元进行抗滑稳定计算。闸室稳定计算荷载包括自重、水重、水压力、风浪压力、渗透压力等。退洪闸闸底板座落在表层重粉质壤土上,本次计算确定闸底板与地基之间的摩擦系数为0.3。闸室结构计算简图见图3。

图3 荆山湖退洪闸闸室结构计算简图（单位：mm）

在各种计算情况下,闸室平均基底应力不大于地基允许承载力,最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；闸室基底应力的最大值与最小值之比,基本组合不大于2.00,特殊组合不大于2.50；闸室基底应力按下式计算：

闸室稳定计算结果见表5。根据以上计算结果：各工况下基底压应力不均匀系数均满足规范要求。完建期闸室平均基底应力均大于天然地基允许承载力,由于地基已采用钢筋混凝土钻孔灌注桩进行加固,加固后闸室稳定可以满足规范要求。

各工况下闸室抗滑稳定计算见表6。从表中的结果可以看出,各个工况下,计算安全系数分别为1.52、1.34和2.88,均大于允许安全系数,闸室抗滑稳定均满足规范要求。

表6 闸室抗滑稳定计算成果

5 结论

本文以荆山湖行蓄洪区退洪闸安全鉴定工程为例,首先对该闸门金属结构和土建部分进行了系统的现场安全检测,之后从过流能力、消能防冲、抗渗稳定性以及闸室整体稳定性等方面对闸门结构安全进行复核计算分析,最终得到以下结论供闸门安全鉴定参考：

（1）闸门整体外观正常,无明显变形,焊缝及其热影响区无异常变化,滚轮表面和螺栓表面局部略有锈蚀；

（2）闸门现状复核流量为5516 m3/s,大于原设计流量3500 m3/s,闸门过流能力满足要求；

（3）各工况下消力池长度、池深、底板厚度及海漫长度计算值均小于现状值,闸门消能防冲设施现状满足要求；

（4）闸基水平段和出口段渗流坡降值分别为0.007和0.138,小于规范允许值,闸基渗流稳定满足规范要求；

（5）各个工况下闸室稳定安全系数分别为1.52、1.34和2.88,均大于允许安全系数,闸室抗滑稳定满足规范要求。