常州市大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程安全復(fù)核分析

張 興，胡鵬鑫，蔣 益

（常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州213000）

0 引言

水利樞紐建設(shè)完成后會(huì)導(dǎo)致外部環(huán)境出現(xiàn)不同程度的變化。例如，河道沉積導(dǎo)致河床變化。外部條件改變會(huì)對(duì)水利樞紐工程安全產(chǎn)生一定影響。因此，適時(shí)復(fù)核水利工程安全是十分必要的［1-3］。影響水利樞紐正常使用的重要條件包括滲流和穩(wěn)定性。結(jié)合常州市大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程，分析變形觀測(cè)成果以及復(fù)核滲流及穩(wěn)定性問(wèn)題。

1 工程概況

大運(yùn)河?xùn)|樞紐為常州運(yùn)河北片大包圍主要口門(mén)建筑物之一，是常州市水利分區(qū)運(yùn)北片的重要防洪控制工程。樞紐地處常州市中心城區(qū)，位于距丁塘港河口520 m的大運(yùn)河河道上。北側(cè)毗鄰常戚公路，由一座2×16 m節(jié)制閘和一座100 m3/s的排澇泵站組成，其主要功能是防洪、除澇和改善城市水環(huán)境。節(jié)制閘為兩孔，單孔凈寬16 m，采用下臥式平面鋼閘門(mén)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

圖1 大運(yùn)河?xùn)|樞紐

2 監(jiān)測(cè)成果分析

2.1 垂直位移觀測(cè)成果分析

至2017年11月平均累計(jì)位移量為1 mm，其中最大的5 mm，最小的為0 mm，抬升的有4點(diǎn)。底板的最大累計(jì)位移量為2 mm，位于底板西北角，相鄰最大不均勻量為3 mm，其歷時(shí)3年。翼墻最大累計(jì)位移量為5 mm，位于翼墻中部，相鄰最大不均勻量為3 mm，其歷時(shí)3年。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析說(shuō)明，大運(yùn)河?xùn)|樞紐垂直位移總體較趨于穩(wěn)定。

2.2 引河河道斷面觀測(cè)成果分析

河道斷面從2014年開(kāi)始觀測(cè)，共設(shè)8個(gè)斷面，外河側(cè)共設(shè)4個(gè)斷面，內(nèi)河側(cè)共設(shè)4個(gè)斷面，所有斷面樁均在河道兩側(cè)采用不銹鋼標(biāo)志進(jìn)行固定，并進(jìn)行斷面樁頂高程的考證。為能在河道斷面圖上進(jìn)行沖淤量比較，以首次測(cè)量斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面，沖淤量比較表中的計(jì)算水位采用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（外河側(cè)5.95 m，內(nèi)河側(cè)4.8 m）。

引河河道斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)定性和定量分析如下。

外河側(cè)：本年度汛前及汛后兩次觀測(cè)結(jié)果與去年基本保持一致，無(wú)突發(fā)性不合理變化。由于水流影響，本年度汛前斷面在C.S.1上0+050位置表現(xiàn)為河道底部與去年保持一致，兩側(cè)邊坡有0.1 m～0.2 m淤積；汛后兩側(cè)邊坡淤積更為明顯，與去年相比兩側(cè)邊坡淤積量達(dá)到0.1 m～0.3 m。斷面C.S.2上0+100及C.S.4上0+200位置汛前斷面與去年相比河道底部有0.2 m沖刷，河道右側(cè)邊坡基本一致，左側(cè)邊坡有0.2 m淤積。汛后斷面基本與汛前保持一致。斷面C.S.3上0+15位置汛前斷面與去年相比河道底部基本保持一致，左右兩側(cè)邊坡有0.1 m～0.2 m沖刷，汛后斷面與汛前斷面相比無(wú)明顯變化。

內(nèi)河側(cè)：本年度斷面C.S.1下0+050及C.S.2下0+100與去年相比均表現(xiàn)為河道底部及左側(cè)邊坡基本保持一致，右側(cè)邊坡有0.1 m～0.2 m淤積。汛后斷面與汛前斷面基本保持一致。斷面C.S.3下0+150位置汛前斷面與汛后無(wú)明顯變化，與去年相比，左岸邊坡基本保持原狀，河道底部及右側(cè)邊坡有0.1 m～0.3 m沖刷。斷面C.S.4下0+200位置汛前斷面與汛后基本保持一致，與去年相比，河道底部基本不變，兩側(cè)邊坡有0.1m～0.3m淤積，初步分析是由水流引起的。

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及以上分析可知，大運(yùn)河?xùn)|樞紐垂直位移較穩(wěn)定；河道固定觀測(cè)斷面在汛前及汛后與去年相比無(wú)突發(fā)性變化。

3 安全復(fù)核計(jì)算

3.1 滲流復(fù)核

3.1.1 水位組合

大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘滲流復(fù)核計(jì)算水位組合見(jiàn)表1。

表1 水位組合

滲流計(jì)算采用上下游水位差最大時(shí)的水位，故取工況3（正向）進(jìn)行滲流計(jì)算。上游側(cè)水位為5.95 m，下游側(cè)水位為4.00 m，水位差為1.95 m。

3.1.2 防滲復(fù)核

（1）驗(yàn)算滲流長(zhǎng)度

閘基地下輪廓布置見(jiàn)圖2。地基持力層置于灰、褐黃色粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土層上，因此，根據(jù)規(guī)范粘土的允許滲徑系數(shù)取為2～5。

圖2 閘基地下輪廓布置示意圖（單位：高程m；長(zhǎng)度cm）

其實(shí)際長(zhǎng)度：L實(shí)=30.16 m；ΔH=1.95 m；

C=L實(shí)/ΔH=30.16/1.95=15.47＞[C]=2～5；

故閘基底板防滲長(zhǎng)度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（2）滲流計(jì)算

采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算，得到地下輪廓簡(jiǎn)化和分段，見(jiàn)圖3。

①計(jì)算地基有效深度：L0=26 m；S0=1.2 m

L0/S0=26/1.2=21.67＞5

Te=0.5L0=0.5×26=13 m

閘基土質(zhì)均勻，閘基滲流的影響范圍以有效深度Te控制。

②計(jì)算各典型段的阻力系數(shù)：

各典型段阻力系數(shù)計(jì)算公式如下：

進(jìn)出口段：

式中：ξ0進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；S板樁或齒坎的入土深度，m；T地基透水層深度，m。

內(nèi)部垂直段：

式中：ξy內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

水平段：

式中：Lx、ξx水平段長(zhǎng)度、阻力系數(shù)；S1、S2進(jìn)出口段板樁入土深度，m。

進(jìn)出口段水頭修正h0"=β"h0

式中：h0、h0"修正前、后進(jìn)出口段水頭損失值；β"阻力修正系數(shù)；S"底板埋深與板樁入土深度之和，m；T"另一側(cè)透水層深度，m。

上閘首各典型段的幾何特征及阻力系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表2。

②各典型段滲壓水頭損失計(jì)算

表2 阻力系數(shù)計(jì)算表

表3 各典型段末滲壓水頭損失計(jì)算表 單位：m

表4 各典型段末滲壓水頭損失修正表 單位：m

④滲透坡降計(jì)算

滲流計(jì)算采用上下游水位差最大時(shí)的水位，故取工況3運(yùn)行水位進(jìn)行滲流計(jì)算。上游側(cè)水位為5.95 m，下游側(cè)水位為4.00 m，水位差為1.95 m。

持力層為灰、褐黃色粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土，滲透坡降系數(shù)為J0［］=0.5～0.60；Jx［］=0.25～0.35。

滲流出口最大滲透坡降：

水平段最大滲透坡降：

故閘基底板滲流出口坡降滿足要求，水平坡降都滿足要求。

3.2 穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

3.2.1 閘室結(jié)構(gòu)

節(jié)制閘為整體塢式結(jié)構(gòu)，取節(jié)制閘一孔為計(jì)算對(duì)象，閘底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)26 m。閘底板上游底面高程為-1.6 m，下游底面高程為-1.5 m，底板厚為1.8 m，閘墩頂高程為6.8 m。

具體閘室結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 閘室結(jié)構(gòu)布置圖（單位：高程m；長(zhǎng)度cm）

3.2.2 計(jì)算工況

大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程節(jié)制閘計(jì)算水位組合見(jiàn)表5。

表5 節(jié)制閘穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算水位組合表

3.2.3 計(jì)算荷載

計(jì)算考慮的荷載為結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、地震慣性力等。大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程所處場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，相當(dāng)于地震基本烈度7度。地震烈度為7度時(shí)，須進(jìn)行抗震計(jì)算。地震荷載主要考慮地震慣性力、地震動(dòng)水壓力。閘室承受的水平地震慣性力按下式計(jì)算：

式中：Fi作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平地震慣性力代表值；ah水平向設(shè)計(jì)地震加速度；ζ地震效應(yīng)折減系數(shù)，ζ=0.25；GEi集中在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值；αi質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)。

3.2.4 計(jì)算方法

（1）閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：Kc安全系數(shù)；∑G作用于閘底以上豎向荷載；∑H作用于閘室水平荷載；φ0作用于閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地質(zhì)之間的摩擦角（依據(jù)地質(zhì)資料）；

（2）地基應(yīng)力計(jì)算按下式計(jì)算

3.2.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上方法，在各計(jì)算工況下大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘的抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其不均勻系數(shù)的計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6 大運(yùn)河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程節(jié)制閘穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算成果表

表6復(fù)核計(jì)算成果表明：由地質(zhì)資料可知，大運(yùn)河?xùn)|樞紐閘室底板底高程在-3.3 m，持力層為粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土層，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值130 kPa，故地基承載力、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各工況下均滿足要求。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析垂直變形和河道變形成果可知，大運(yùn)河?xùn)|樞紐垂直位移較穩(wěn)定；河道固定觀測(cè)斷面無(wú)突發(fā)性變化。

（2）通過(guò)滲流復(fù)核計(jì)算，不同水位組合下節(jié)制閘防滲長(zhǎng)度、滲透坡降等滲流參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

（3）通過(guò)穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算，不同荷載組合條件下節(jié)制閘的抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其不均勻系數(shù)均滿足要求。綜合分析可知，節(jié)制閘整體穩(wěn)定性較好。