響水引水閘安全復(fù)核計(jì)算與分析

蔣禮瑜

(通榆河薔薇河送清水工程管理處灌河響水地涵管理所,江蘇 鹽城 224600)

1 工程概況

響水引水閘位于江蘇省鹽城市響水縣，為通榆河北延送水工程的引水建筑物，工程位于響水船閘上閘首以南約950.0 m處，距引水河口240.0 m，工程于2009年建成，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主、次要水工建筑物分別為3級(jí)、4級(jí)。

引水閘共2孔，每孔凈寬8.0 m，閘室總寬19.1 m，閘室長(zhǎng)15.0 m；閘底板頂高程為-1.0 m，閘頂高程5.5 m；閘上交通橋采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，橋面寬度15.5 m；工作橋?qū)挾?.0 m，橋面高程15.0 m，工作橋上設(shè)啟閉機(jī)房，啟閉機(jī)房寬度4.6 m，凈高3.5 m；啟閉機(jī)房北側(cè)設(shè)控制室，三層框架結(jié)構(gòu)。

工作閘門采用直升式平面定輪鋼閘門，由繩鼓式啟閉機(jī)啟閉，門頂高程5.0 m，共2扇；上、下游翼墻為鋼筋混凝土扶壁或懸臂式結(jié)構(gòu)，墻頂面高程分別為5.5 m、4.0 m；上游護(hù)底長(zhǎng)40.0 m，上游護(hù)坡延長(zhǎng)至護(hù)底外21.0 m；下游消力池長(zhǎng)15.0 m，消力池以下為30.0 m長(zhǎng)的漿砌石護(hù)底和6.0 m寬拋石防沖槽，下游護(hù)坡延長(zhǎng)至防沖槽外15.0 m。

響水引水閘主要作用是向連云港市送水期間開(kāi)閘引水，設(shè)計(jì)流量50 m3/s；非送水期關(guān)閘擋水，最高擋水位4.5 m。2012年4月沿線工程聯(lián)合試運(yùn)行，10日內(nèi)完成啟閉23次，泄放水量近3000.0萬(wàn)m3;2017年為灌南縣田樓水廠試供水，歷時(shí)8 d，累計(jì)有效供水69.4萬(wàn)m3。

2 安全評(píng)價(jià)與復(fù)核計(jì)算

2.1 土建檢測(cè)

響水引水閘邊墩、排架、翼墻混凝土強(qiáng)度分別為25.73 MPa、25.58 MPa、24.87 MPa，滿足原設(shè)計(jì)要求；各處碳化深度分布均勻，值在5.5～19.0 mm之間，表面基本完好；實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度均大于最大碳化深度，保護(hù)層評(píng)定標(biāo)度為1，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性的影響不顯著。

2.2 金屬電氣結(jié)構(gòu)檢測(cè)

響水引水閘鋼閘門整體及主要構(gòu)件無(wú)折斷、損傷；閘門軌道、滾輪正常；閘門止水完整；焊縫質(zhì)量符合要求；蝕余厚度符合要求；涂層厚度符合要求。引水閘啟閉機(jī)及其附屬設(shè)施完整，運(yùn)行正常；啟閉機(jī)主要零部件無(wú)損傷、裂紋、變形和缺件；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常；聯(lián)軸器、軸承正常；控制柜標(biāo)識(shí)清晰，啟動(dòng)設(shè)備信號(hào)齊全；保護(hù)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)良好，運(yùn)行正常；制動(dòng)輪、齒輪硬度符合要求。

2.3 安全復(fù)核計(jì)算

2.3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

防洪標(biāo)準(zhǔn)按復(fù)核要求：閘頂高程≥設(shè)計(jì)(校核)防洪水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高；風(fēng)速根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[1]計(jì)算，基本組合時(shí)計(jì)算風(fēng)速為27.1 m/s，特殊組合時(shí)計(jì)算風(fēng)速為18.1 m/s；根據(jù)水閘工程等級(jí)，對(duì)應(yīng)的波列累積頻率取5%；安全超高按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[2]取定。計(jì)算得閘墩頂高程成果如表1所示。最大計(jì)算高程為5.2 m，工程實(shí)際高程為5.5 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足要求。

表1 閘墩頂高程計(jì)算成果表

2.3.2 滲流復(fù)核計(jì)算

響水閘滲流復(fù)核計(jì)算水位組合為：設(shè)計(jì)工況下，上游水位3.0 m、下游水位2.0 m；校核工況下，上游水位4.5 m、下游水位2.0 m；考慮Ⅵ度地震工況下，上游水位3.0 m、下游水位2.0 m。滲流計(jì)算采用上下游水位差最大時(shí)，即校核工況下的水位進(jìn)行滲流計(jì)算。

閘基持力層為重黏土質(zhì)淤泥，根據(jù)規(guī)范允許滲徑系數(shù)為2～3，取[C]=3。運(yùn)行情況下其實(shí)際值為：L實(shí)=32.6 m，ΔH=2.5 m，則有C=L實(shí)/ΔH>[C]，因此閘基底板防滲長(zhǎng)度滿足要求。

根據(jù)閘室地下輪廓的特點(diǎn)，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算閘室滲流，各典型段阻力系數(shù)計(jì)算公式如：

(1)進(jìn)、出口段如式(1)：

(1)

式中：ζ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒坎的入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

(2)內(nèi)部垂直段如式(2)：

(2)

式中：ζy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù);Ln為垂直段長(zhǎng)度，m。

(3)內(nèi)部水平段如式(3)：

(3)

式中：ζx為水平段的阻力系數(shù)；Lx為水平段長(zhǎng)度，m；S1、S2為進(jìn)出口段板樁或齒墻的入土深度，m。

(4)進(jìn)、出口段水頭修正，如式(4)、式(5)：

(4)

(5)

計(jì)算得各典型段末滲壓水頭成果如表2所示。

表2 各典型段末滲壓水頭修正表 m

由于持力層為重黏土質(zhì)淤泥，取[J0]=0.60～0.70，[Jx]=0.30～0.40。滲流出口處平均滲透坡降J0=0.42<[J0]，水平段最大滲透坡降Jx=0.054<[Jx] 。

綜上水平坡降、出口坡降均滿足規(guī)范要求。

2.3.3 穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(6)計(jì)算：

(6)

式中:Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于閘底面以上的全部豎向荷載，kN；∑H為作用于閘室上的全部水平向荷載,kN；f為閘室底板底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.25。

地基應(yīng)力按式(7)計(jì)算：

(7)

式中:pmax(min)為閘室基礎(chǔ)底面應(yīng)力的最大值或最小值, kPa；∑M為作用于閘室的全部豎向和水平荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流向的形心軸的力矩, kN·m；W為閘室基礎(chǔ)底面對(duì)于該底面垂直水流向的形心軸的截面矩, m3；A為閘底板底面與地基接觸面積,m2。在各計(jì)算工況下響水引水閘的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其地基應(yīng)力不均勻系數(shù)的計(jì)算成果如表3所示。

表3 響水引水閘閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果表

可以得出，響水引水閘在各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)在各工況下均滿足規(guī)范要求。同理計(jì)算上下游翼墻抗滑穩(wěn)定性，在各工況上下游翼墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

2.3.4 結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

采用三維有限元方法分析引水閘結(jié)構(gòu)，根據(jù)該工程的結(jié)構(gòu)特征和受力特點(diǎn)，將閘室、地基一起建模，并考慮相互作用，各種結(jié)構(gòu)離散成四面體單元等參單元，荷載按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行處理。響水引水閘工程整體三維有限元模型如圖1所示。

圖1 引水閘整體三維有限元模型圖

按照上述計(jì)算模型和參數(shù)，對(duì)響水引水閘閘室結(jié)構(gòu)的各工況進(jìn)行了空間有限元計(jì)算。求出了各種工況下閘室結(jié)構(gòu)在荷載作用下的各點(diǎn)位移、應(yīng)力[3-4]。

計(jì)算得閘室結(jié)構(gòu)最大沉降位移發(fā)生在校核水位工況，最大沉降量為8.81 mm，最大沉降差為1.33 mm，滿足規(guī)范要求；水平方向位移均較小，最大值發(fā)生在校核水位工況，為0.425 mm，整體結(jié)構(gòu)的空間位移均較小，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。各工況下閘室結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力主要分布在閘墩及底板銜接處，閘身混凝土結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力≤1.25 MPa，閘墩最大主應(yīng)力≤1.13 MPa，結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度滿足要求。

2.3.5 過(guò)流能力復(fù)核計(jì)算

過(guò)流能力采用式(8)計(jì)算：

(8)

當(dāng)堰流處于高淹沒(méi)度(hs/H0≥0.9)時(shí)采用式(9)計(jì)算：

(9)

式中：Q為過(guò)閘流量，m3/s；B0為閘孔總凈寬，m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；m為堰流流量系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ為堰流淹沒(méi)系數(shù)；hs為堰頂起算的水深，m;μ0為淹沒(méi)堰流的綜合流量系數(shù)。

計(jì)算得響水引水閘過(guò)流流量為68 m3/s，各種工況下均滿足要求。

2.3.6 鋼閘門安全復(fù)核計(jì)算

校核工況下閘門受到的總水壓力最大，對(duì)閘門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

閘門面板厚取9.46 mm選擇5號(hào)梁進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，l0=1352 mm，b=900 mm，l0/b=1.502，ξ1=0.581。面板兼做主梁翼緣的有效寬度B=ξ1b=523 mm，B≤60δ+b1=568 mm。因此B取523 mm。σ1=111.83 kN/m<0.9[σ]=144 N/mm2，σ2=92.74 kN/m<0.9[σ]=144 N/mm2，閘門主梁強(qiáng)度滿足要求。

主梁撓度計(jì)算可將主梁視為在計(jì)算跨度內(nèi)受均布水壓力，其最大撓度按下式計(jì)算：fmax=9.4 mm<[f]=10.83 mm，主梁剛度滿足要求。

閘門面板長(zhǎng)邊中點(diǎn)應(yīng)力較大，選取該區(qū)來(lái)驗(yàn)算其長(zhǎng)邊中點(diǎn)的折算應(yīng)力，面板的邊長(zhǎng)比b/a=1.88>1.5，驗(yàn)算面板的折算應(yīng)力41.54 N/mm2，σzh=123.08 N/mm2<1.1α[σ]=264 N/mm2，鋼閘門蝕余厚度符合要求，面板強(qiáng)度滿足要求。

經(jīng)計(jì)算：閉門力FW=-12.37 kN，可依靠自重關(guān)閉閘門；啟門力FQ=193.63 kN，選用QP2×160 kN雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)滿足要求。

綜上響水閘工程閘門結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

響水引水閘建成運(yùn)行以來(lái)，嚴(yán)格遵守工程調(diào)度運(yùn)用原則，健全了管理制度和操作規(guī)程；工程設(shè)施完好，維修養(yǎng)護(hù)及時(shí)，安全管理評(píng)價(jià)為A級(jí)；響水引水閘邊墩、排架、翼墻表面基本完好，檢測(cè)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，工程質(zhì)量評(píng)定為A級(jí)；經(jīng)檢測(cè)分析，啟閉機(jī)性能狀態(tài)符合要求；閘門總體性能符合要求；金屬結(jié)構(gòu)總體性能符合要求，所檢金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量為A級(jí)，機(jī)電設(shè)備質(zhì)量為A級(jí)；防洪標(biāo)準(zhǔn)安全評(píng)定為A級(jí)，滲流安全評(píng)定為A級(jí)；結(jié)構(gòu)安全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，評(píng)定為A級(jí)。經(jīng)綜合分析評(píng)價(jià)，工程質(zhì)量、運(yùn)用指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)影響正常運(yùn)行的缺陷，按常規(guī)維修養(yǎng)護(hù)即可保證正常運(yùn)行，響水引水閘工程安全類別為一類閘。