屈家店樞紐北運河節(jié)制閘安全鑒定分析

李洪蕊 郭建琦 高 誠

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222；2.天津龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司 天津 300270）

1 原工程概況

北運河節(jié)制閘位于天津市北辰區(qū)永定新河和北運河匯流處，距永定新河入?？?2km。北運河節(jié)制閘是屈家店樞紐的重要組成部分，其功能主要是向海河下泄清水，控制汛期永定河、北運河洪水注入海河，是海河的控制性工程。本工程Ⅰ等工程，主要建筑物為1級建筑物。工程總體布置見圖1。

節(jié)制閘為帶胸墻式水閘，胸墻底高程為5.25m，頂高程8.5m，孔高4.45m。全閘共分6孔，單孔凈寬5.8m，閘墩厚1.8m，總凈寬34.80m，閘室總寬43.80m。閘室上游設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，下游采用兩級消力池消能，其中一級消力池長13.3m，其前以1∶4的斜坡段與閘室相接，池底高程-0.5m，消力坎頂高程0.8m，為連續(xù)式梯形尾坎。二級消力池長10m，池底高程由-0.5m降至-0.8m，底坡為1∶28.33，坎頂高程-0.1m。海漫長34m。均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

閘室底板由五塊中墩底板和兩塊邊孔底板組成。底板長21.1m，板頂高程0.8m。中墩底板為承臺結(jié)構(gòu)，1990年除險加固前閘室底板基礎(chǔ)為木樁，每塊底板下有木樁117根，1990年加固時，每塊底板下增設(shè)14根灌注樁，分兩排對稱布設(shè)于靠中墩兩側(cè)。

閘墩上下游兩端分別布置檢修橋和交通橋。上游檢修橋?qū)?.90m，橋面高程8.50m，下游檢修橋橋面寬1.80m，橋面高程6.00m。交通橋位于閘室下游側(cè)，橋面凈寬7.0m，橋面高程7.30m。

工作閘門采用6扇平板定輪鋼閘門，由液壓啟閉機啟閉。該6孔閘門可同時操作，亦可單孔操作。

圖1 屈家店北運河節(jié)制閘布置圖

2 水閘安全調(diào)查分析

現(xiàn)場調(diào)查調(diào)研情況和所收集到的資料表明，目前工程并未遇到影響正常運行的問題。根據(jù)現(xiàn)場測量復(fù)核，主要問題是地區(qū)沉降，閘底板頂高程由0.8m降至-0.017m，沉降量為0.817m。

與此相對應(yīng)，閘室上下游水位并沒有發(fā)生變化。水位相對水閘的上升造成了一系列影響：①水流情況發(fā)生變化，水閘的泄流與消能情況均發(fā)生變化，故需要復(fù)核其過流能力與消能防沖能力。②水閘所承受的水平荷載發(fā)生變化，必須復(fù)核樁的水平承載力。③揚壓力發(fā)生變化，需要復(fù)核水閘的滲流穩(wěn)定。④閘頂、交通橋與檢修橋的超高是否能滿足規(guī)范要求，需要重新確認。

3 現(xiàn)場安全檢測

3.1 混凝土檢測

（1）北運河節(jié)制閘交通橋、檢修橋、工作門導(dǎo)向柱、閘墩、上下游翼墻和減載空箱上未發(fā)現(xiàn)裂縫，未發(fā)現(xiàn)鋼筋外露和銹蝕現(xiàn)象，上下游堤岸砌石護坡完好，沒有砌石剝落、塌陷情況。

（2）北運河節(jié)制閘交通橋混凝土碳化深度在13.5mm～15.3mm之間；檢修橋混凝土碳化深度在10.5mm～12.5mm之間；工作門導(dǎo)向柱混凝土碳化深度在6.2mm～6.8mm之間；閘墩混凝土碳化深度在6.8mm～7.3mm之間；翼墻混凝土碳化深度在20.7mm～24.2mm之間。

（3）采用回彈法和鉆芯法進行混凝土抗壓強度檢測。節(jié)制閘交通橋、檢修橋、工作門導(dǎo)向柱回彈法檢測強度推定值在25.3MPa～28.6MPa之間，鉆芯法檢測強度值在27.8MPa～30.2MPa之間，均滿足C25的設(shè)計要求；閘墩和翼墻回彈法檢測強度推定值在22.7MPa～29.9MPa之間，鉆芯法檢測強度值在26.6MPa～32.5MPa之間，均滿足C20的設(shè)計要求；閘底板混凝土鉆芯法檢測強度值為41.7MPa，滿足C20的設(shè)計要求。

表1 過流400m3 /s所需閘門開度

表2 滲流穩(wěn)定計算成果表

表3 消能防沖計算成果表

圖2 消力池縱剖面圖

3.2 金屬結(jié)構(gòu)檢測

北運河節(jié)制閘與閘門和啟閉機相關(guān)的水力學(xué)條件、水工建筑物無異常跡象，附屬設(shè)施完善、有效。北運河節(jié)制閘整體及主要構(gòu)件無折斷、損傷和局部明顯變形，閘門和啟閉機的零部件也無損傷、變形、脫落情況，閘門止水裝置完好，閘門表面涂層完好，未見銹蝕現(xiàn)象。

4 水閘安全復(fù)核計算

4.1 泄流能力復(fù)核

設(shè)計洪水位為5.75m，控制泄流量為400m3/s，相應(yīng)下游水位為5.19m；校核洪水位為6.5m，控制泄流量400m3/s，相應(yīng)下游水位為5.19m。

節(jié)制閘為平底胸墻式水閘。計算工況下，水流流態(tài)為孔流。根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范進行計算，控制泄流400m3/s所需閘門開度見表1。

從表1可知，設(shè)計水閘過流能力可以滿足控泄400m3/s的要求，并且有一定的富裕度。

4.2 閘頂高程復(fù)核

根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范，擋水時，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應(yīng)安全超高之和；泄水時，閘頂高程不應(yīng)小于設(shè)計洪水位（或校核洪水位）與相應(yīng)安全超高值之和。北運河節(jié)制閘以泄水為主，擋水不起控制作用。北運河節(jié)制閘級別為1級，相應(yīng)的水閘安全超高下限值分別為1.5m（設(shè)計洪水位）和1.0m（校核洪水位）。經(jīng)過計算，確定節(jié)制閘的閘頂高程應(yīng)為7.5m。閘頂現(xiàn)狀高程為7.683m，滿足規(guī)范要求。

4.3 滲流穩(wěn)定復(fù)核

采用規(guī)范推薦的改進阻力系數(shù)法進行計算。

對三種工況進行計算：①上游水位5.75m，下游水位0.68 m；②上游水位5.75m，下游水位5.19m；③上游水位6.5m，下游水位5.19m。計算結(jié)果見表2。

復(fù)核結(jié)果表明：北運河節(jié)制閘水平段允許滲流坡降，出口段允許滲流坡降。三種工況下，閘底的水力坡降均小于允許滲流坡降，閘室滲流穩(wěn)定滿足要求。

4.4 閘室穩(wěn)定復(fù)核

原設(shè)計閘室基礎(chǔ)穩(wěn)定由木樁和灌注樁共同承擔(dān)，其樁徑和樁數(shù)由水平荷載來確定，故本次復(fù)核仍以水平荷載復(fù)核其閘室的穩(wěn)定。

本工程，地震工況為最危險工況，故選取地震工況對閘室受力進行復(fù)核。據(jù)1∶400萬《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306-2001），工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，相當(dāng)于地震烈度Ⅶ度。

由于樁基礎(chǔ)的物理性質(zhì)與力學(xué)參數(shù)均未發(fā)生變化，因此仍沿用原設(shè)計的樁的承載能力。木樁的水平承載力為7kN，灌注樁的水平允許承載力為206kN。

中墩底板為承臺結(jié)構(gòu)，1990年除險加固前閘室底板基礎(chǔ)為木樁，每塊底板下有木樁117根，1990年加固時，每塊底板下增設(shè)14根灌注樁，分兩排對稱布設(shè)于靠中墩兩側(cè)。增設(shè)灌注樁后，每根灌注樁周邊的3根木樁不能充分發(fā)揮作用，設(shè)計中為安全計不考慮其水平承載力。另外，每孔閘下有11根木樁不在計算范圍之內(nèi)，故每孔閘只有64根木樁能充分發(fā)揮作用。

由荷載計算可知，地震工況下，承臺承受的水平荷載為3323.3kN。

每根木樁的水平承載力為7kN，每根灌注樁的水平承載力為206kN，故樁基總體的承載力為：

故樁基承載力滿足水平承載力要求。

4.5 消能防沖復(fù)核

本工程消能工為綜合式消力池，消力池平縱剖面見圖2。

在控制泄量400m3/s的情況下，水流沖擊最大，消能情況最不利。故分設(shè)計洪水位、校核洪水位兩種工況，根據(jù)水閘計算規(guī)范，分別計算最大泄量下的消能情況。計算成果詳見表3。

由表3可知：消力池內(nèi)可達到淹沒出流，滿足消能要求；海漫長度為34m，大于計算值，滿足消能要求。故節(jié)制閘消能工可以良好解決下泄水流消能問題。

4.6 閘門及啟閉機復(fù)核

經(jīng)金屬結(jié)構(gòu)檢測單位對閘門檢測，閘門表面涂層基本完好。在設(shè)計水位下，工作閘門面板、主梁、次梁、吊耳、主輪及主軌強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求。啟閉機容量滿足要求。檢修閘門及啟閉設(shè)備滿足要求。

4.7 機電設(shè)備復(fù)核

通過對現(xiàn)場進行調(diào)研，目前北運河節(jié)制閘用電負荷及設(shè)備項目沒有發(fā)生變化，且經(jīng)每年例行的檢修和維護，目前電氣設(shè)備運行良好，未遇到問題，滿足規(guī)范和運行要求。

5 北運河節(jié)制閘安全評價

根據(jù)對北運河節(jié)制閘的現(xiàn)狀調(diào)查、安全檢測和工程計算復(fù)核成果的分析，北運河節(jié)制閘運用指標(biāo)能達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，無影響正常運行的缺陷，按常規(guī)維修養(yǎng)護即可保證正常運行。本次安全鑒定將北運河節(jié)制閘評定為一類閘。

節(jié)制閘在汛期運用中，小開度泄洪情況較多，由于閘控樓與閘室的位置基本在一軸線上，在操作中對開度控制很困難，建議增設(shè)閘門開度顯示裝置。

水閘安全鑒定是確保水閘安全運行的重要措施，也是實施水閘除險加固的重要的前期工作，為確保工程的安全運行，充分發(fā)揮工程效益，提供必要可靠的依據(jù)。通過此次水閘安全鑒定，可直觀了解北運河節(jié)制閘的安全狀態(tài)，有利于防汛調(diào)度和運行管理，并為今后類似除險加固工程的安全鑒定提供參考和借鑒。陜西水利