王家壩閘水工建筑物安全復核評價結果分析

(安徽省淮河河道管理局， 安徽 蚌埠 233000)

王家壩閘水工建筑物安全復核評價結果分析

李艷東

(安徽省淮河河道管理局， 安徽 蚌埠 233000)

王家壩閘位于淮河上中游分界處,是淮河干流蒙洼蓄洪區(qū)的進洪控制工程。為全面了解王家壩閘安全狀況，滿足工程達標要求，按有關規(guī)定需對其進行除險加固后首次安全鑒定。本文通過對王家壩閘過流能力、消能防沖、滲流、抗滑穩(wěn)定及主要結構的強度進行復核計算，介紹水工建筑物安全復核計算評價的方法和過程，為類似工程的安全復核計算提供參考和借鑒。

王家壩閘； 安全評價； 結果分析

1 概 述

王家壩閘為淮河干流蒙洼蓄洪區(qū)的進洪建筑物，與蒙洼蓄洪圈堤、曹臺孜退水閘共同組成蒙洼蓄洪工程。蓄洪區(qū)總面積180.40km2，設計蓄洪水位27.70m，相應蓄洪量7.50億m3。

王家壩閘被譽為“千里淮河第一閘”，王家壩水位也被稱為淮河防汛的“晴雨表”，是淮河災情的“風向標”。王家壩閘自建成以來，已有12個洪水年份15次開閘蓄洪記錄，累計蓄洪總量74.90億m3。王家壩閘始建于1953年，2003～2004年進行了全面除險加固。設計防洪水位29.20m(85國家基準高程，下同)，設計進洪流量1626m3/s，為Ⅱ等大(2)型工程，其中閘室、岸墻等主要建筑物級別為2級，上、下游翼墻等次要建筑物級別為3級[1,2]。王家壩閘附近堤防蒙洼淮堤級別為3級[1,2]。閘上公路橋設計汽車荷載等級為公路Ⅱ級。

王家壩閘安全復核條件如下：設計進洪流量1626m3/s，相應閘上水位29.20m，閘下水位27.70m；擋水期閘上水位29.20m，閘下無水。鑒于洪水調(diào)度時存在王家壩閘上水位超過29.20m不開閘的可能，而2007年開閘前，閘上實際最高擋水位已達29.59m，故應增加超標準洪水工況閘室穩(wěn)定分析計算?？紤]閘室為開敞式結構，復核計算取最大擋水位平閘門頂高程29.66m。

2 水工建筑物復核計算

2.1 水力計算與分析

2.1.1 閘孔泄流能力計算

進洪閘設計進洪條件：開閘蓄洪期閘上水位29.20m，閘下水位27.70m，設計進洪流量1626m3/s。底坎高程24.36m，共13孔，每孔凈寬8m。

過水能力復核系根據(jù)現(xiàn)有閘孔斷面，設計進口水深和出口水深，計算通過流量，與設計流量進行比較。根據(jù)水閘閘室的結構型式，在設計泄流條件下王家壩閘室為自由出流，閘孔過水能力按自由出流計算[3]。

在設計進洪條件下，進洪閘閘室過流能力為1798.70m3/s，滿足設計流量1626m3/s要求。

2.1.2 消能防沖計算

當王家壩閘上水位達到29.20m時，閘門逐步開啟進行蓄洪，復核閘下消能防沖性能。消能設施復核計算采用《水閘設計規(guī)范》(SL 265—2001)附錄B公式進行計算。

王家壩閘13孔閘門按照《王家壩閘控制運用辦法》，利用自動化啟閉方式逐步打開13孔閘門實施分洪。開啟閘門時，按照每序每次提升0.50m。王家壩閘消能防沖復核計算成果見表1。

表1 王家壩閘消能防沖復核計算成果

計算結果表明，王家壩閘現(xiàn)狀13孔孔徑過流能力滿足設計進洪流量1626m3/s的要求；現(xiàn)有消力池深度、長度和底板厚度均能滿足消能要求；海漫長度、防沖槽深度及上游護底首端齒墻深度滿足防沖要求。

2.2 穩(wěn)定復核計算和分析

根據(jù)確定的工程運行條件和建筑物級別，按照現(xiàn)行設計規(guī)范，對閘基滲流穩(wěn)定和閘室、翼墻抗滑穩(wěn)定及地基應力等進行復核計算。

2.2.1 閘基滲流穩(wěn)定復核

王家壩閘閘基防滲輪廓線主要由上游護坦和閘底板組成。閘室底板拆除重建，水平防滲長度按底板實際長度12m計，而上游防滲護坦混凝土缺陷因加固未處理，計算水平防滲長度仍按實際護坦長度的2/3計，亦為12m。加固時在上游護坦前端增設一道多頭小直徑攪拌樁截滲墻，墻深12m，深入相對不透水層1m，增加了垂直防滲長度，進出口齒墻深均為2.40m。

閘基滲流計算采用阻力系數(shù)法[3]。該閘上游設計防洪水位29.20m，下游無水，水位差4.84m，最不利工況閘上水位齊閘門頂高程29.86m，閘下無水，水位差5.50m。閘基座落在粉質黏土層上，水平段和出口段允許滲流坡降值[J]分別取0.30和0.60。滲流計算結果見表2。

表2 閘基土滲透坡降計算成果

注滲流出口處設置反濾層，出逸坡降允許值可加大30%，故[J]=0.78。

由計算結果知，防洪期閘基土的水平段和出口段計算滲流坡降在規(guī)范規(guī)定的允許值以內(nèi)，在止水和排水設施完好的情況下，閘基滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

2.2.2 閘室穩(wěn)定計算

根據(jù)王家壩閘閘室采用開敞式結構、筏式鋼筋混凝土底板，具有大小底板分離式的結構特點，閘室穩(wěn)定計算選取兩相鄰順水流向永久縫之間的大底板閘段作為計算單元，大底板垂直水流方向上、下面寬分別為12.84m和12.20m，順水流方向長12m，上部結構有閘墩、公路橋、工作橋啟閉機房、檢修便橋等。閘底板坐落在工程地質條件較好的粉質黏土上，含水量較低，強度較高，地基承載力在210kPa以上。根據(jù)室內(nèi)飽和固結快剪試驗測得，地基土內(nèi)摩擦角φ平均值12.7°，黏結力c平均值41.60kPa。王家壩閘閘室穩(wěn)定復核計算結果見表3。

表3 閘室穩(wěn)定計算成果

依據(jù)表3所列的計算成果可知：各種工況下，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值1.30，滿足抗滑穩(wěn)定要求；計算基底應力均小于堤基設計承載力210kPa，基底應力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定值2，滿足地基承載力穩(wěn)定要求。

2.2.3 翼墻穩(wěn)定分析

王家壩閘上、下游翼墻均為重力式結構，墻身采用1∶3水泥砂漿砌塊石，設計墻頂高程29.56m，墻身最大擋土高度5.20m。斷面設計墻背為斜線，坡比1∶0.59；墻前為折線，上部3.90m高為垂直段，3.90～5.50m高為1∶0.25斜坡，混凝土底板總寬5m，厚0.40m，墻前懸挑0.80m，墻后懸挑0.40m。鑒于墻前水位越低，對翼墻穩(wěn)定越不利，故抗滑穩(wěn)定復核選用墻前無水工況。計算結果如下：基底最大壓應力為148.81kPa，最小壓應力為78.02kPa，不均勻系數(shù)1.91?？够踩禂?shù)為3.98，抗傾安全系數(shù)為7.94。翼墻在不利工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定值1.30，滿足抗滑穩(wěn)定要求；計算基底應力均小于堤基設計承載力210kPa，基底應力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定值2，滿足地基承載力穩(wěn)定要求。

2.3 主要結構強度驗算和分析

根據(jù)王家壩閘結構特點，在現(xiàn)有資料的基礎上，對閘室結構、公路橋、檢修便橋等主要部位進行結構強度復核。強度復核的基本資料取自安全檢測報告的數(shù)據(jù)，包括構件的混凝土標號及碳化深度。

2.3.1 閘室底板強度復核

閘室底板地基為粉質黏性土，采用彈性地基梁法[3]進行復核計算。鑒于底板連同閘墩在順水流向的剛度很大，而垂直水流向結構單薄、剛度小、承載能力低，所以只驗算垂直水流向的閘室底板強度。在垂直水流方向截取單位寬度的板條進行分析，取大、小底板各1塊作為計算單元。按相關規(guī)范[4]規(guī)定進行復核，結果見下頁表4。

由下頁表4可知，閘室底板斷面承載力計算均滿足設計要求?；炷两Y構閘室底板承載能力極限狀態(tài)能滿足規(guī)范要求。

表4 閘室底板結構復核計算成果

2.3.2 閘墩結構強度復核

閘墩結構的特點是：順水流向剛度大，承載能力也大，而垂直水流向結構單薄，剛度小，承載能力低，所以只驗算垂直水流向的閘墩強度。閘墩為C20鋼筋混凝土結構，厚1m，墩頂高程為31.20m。選取公路橋及排架柱下閘墩底部(▽24.36m)比較危險截面單寬進行抗壓、抗彎及抗剪復核計算。正截面和斜截面計算結果見表5。

表5 閘墩正、斜截面承載力計算結果

由上述可知，兩個危險截面承載力計算結果滿足規(guī)范要求?？紤]檢測閘墩碳化最大深度35mm，閘墩鋼筋混凝土結構底部斷面承載能力極限狀態(tài)能滿足規(guī)范要求。

2.3.3 公路橋強度復核

2.3.4 啟閉機梁強度復核

新建啟閉平臺高程39m，平臺寬5m。采用兩片C20預制混凝土簡支“π”形梁結構，共13跨，單跨長9m?！唉小毙瘟旱膬?nèi)外肋梁共4根，梁高0.80m，肋寬0.30m。梁與梁之間設橫梁連接，橫梁截面尺寸為0.25m×0.50m(寬×高)。面板和活動檢修蓋板厚0.10m?？紤]檢測啟閉機梁碳化最大深度5.50mm，啟閉機梁承受最大彎矩為956.86kN·m，小于彎矩允許值1096.26kN·m；最大剪力336.66kN，小于剪力允許值609.74kN，故啟閉機梁強度滿足規(guī)范要求。

3 結 論

a.王家壩閘現(xiàn)狀13孔孔徑過流能力滿足設計進洪流量1626m3/s的要求。

b.王家壩閘現(xiàn)有消力池深度、長度和底板厚度均能滿足消能要求；海漫長度、防沖槽深度及上游護底首端齒墻深度滿足防沖要求。

c.防洪期王家壩閘閘基土的水平段和出口段計算滲流坡降均在規(guī)范規(guī)定的允許值以內(nèi)，在止水和排水設施完好的情況下，閘基滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

d.各種工況下，閘室及翼墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應力均滿足規(guī)范要求。

e.閘室混凝土結構底板、閘墩斷面承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)均能滿足規(guī)范要求。

f.公路橋承載能力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)復核均滿足規(guī)范要求。

g.啟閉機梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)均滿足規(guī)范要求。

王家壩閘水工建筑物工程復核計算分析不存在安全隱患問題?！?/p>

[1] GB 50201—94 防洪標準[S].

[2] SL 252—2000 水利水電工程等級劃分及洪水標準[S].

[3] SL 265—2001 水閘設計規(guī)范[S].

[4] SL 191—2008 水工混凝土結構設計規(guī)范[S].

[5] JTG D60—2004 公路橋梁設計通用規(guī)范[S].

AnalysisofSafetyReviewEvaluationResultsinWangjiabaGateHydraulicBuilding

LI Yan-dong

(Anhui Huaihe River Watercourse Administration, Bengbu 233000, China)

Wangjiaba Gate is located on upstream and midstream boundary in Huaihe River. It belongs to flood entrance control project in Huaihe River main stream Mengwa flood district. Primary safety identification after risk removal reinforcement should be conducted according to related regulation in order to fully understand security situation of Wangjiaba gate and meet engineering standard satisfying requirements. Wangjiaba gate flow capacity, energy dissipation and erosion, seepage, sliding resistance stability and major structural strength are reviewed and calculated in the paper. Method and process of hydraulic building safety review and calculation evaluation are introduced, thereby providing reference for safety review and calculation in similar projects.

Wangjiaba gate; safety evaluation; result analysis

TV698

B

1005-4774(2014)09-0057-04