徒駭河宮家閘除險加固方案比選及抗?jié)B穩(wěn)定分析

宋文燕， 范立群，李斌旭

(1.德州市水利局，山東 德州 253000;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

除險加固是攔河節(jié)制閘提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，恢復(fù)水位調(diào)節(jié)和下泄流量控制功能，確保水閘安全運(yùn)行并充分發(fā)揮工程效益，以及促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的再創(chuàng)造過程[1]。宮家節(jié)制閘是德州市徒駭河干流上的重要攔蓄水樞紐。工程興建于1968年，由于當(dāng)時建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、施工條件及質(zhì)量差[2-4]，加之近50a的服役，尤其是近10a來一直處于“帶病運(yùn)行”低效工況。2009年安全鑒定及2011年水利部病險水閘安全鑒定核查，認(rèn)定宮家閘為三類閘，存在河道淤積嚴(yán)重[5]、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)建物腐蝕嚴(yán)重[6]、抗?jié)B穩(wěn)定性不滿足要求、電氣設(shè)備老化失修等問題，安全泄洪及攔蓄灌溉條件日趨惡化，亟需進(jìn)行除險加固處理。本文針對宮家節(jié)制閘除險加固方案展開論證比選，并對閘基防滲排水體系布置進(jìn)行了探討。

1 工程概況

宮家閘位于臨邑縣臨南鎮(zhèn)宮家村南，徒駭河干流樁號213+815處，是一座大(2)型水閘。原設(shè)計防洪流量1080m3/s，排澇流量702m3/s，設(shè)計擋水位17.10m，設(shè)計蓄水量8.50×106m3，最大蓄水量1.140×107m3，年調(diào)節(jié)水量4.250×107m3。工程任務(wù)為蓄水灌溉和防洪排澇，滿足兩岸6333.33hm2(設(shè)計灌溉面積)種植作物的用水需求；同時水閘兼顧河道行洪除澇、改善生態(tài)環(huán)境和銜接兩岸交通等功能。宮家閘原設(shè)計最大過閘流量為1080m3/s，屬于1000～5000m3/s范疇，為Ⅱ等2級水工建筑物。

2 除險加固方案比選

2.1 水閘病險現(xiàn)狀

宮家閘建成運(yùn)行至今，在攔蓄灌溉、泄洪排澇等方面均發(fā)揮良好效益，但由于服役時間長、建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差等因素綜合影響，水閘現(xiàn)存在諸多安全隱患，主要表現(xiàn)為：①水閘整體混凝土強(qiáng)度偏低、碳化嚴(yán)重，造成內(nèi)部鋼筋銹蝕，多處混凝土開裂，嚴(yán)重影響水閘安全運(yùn)行。②機(jī)架橋及排架柱因存在混凝土碳化和裂縫，承載能力大為降低；主梁、部分雙向受力的面板及排架柱不滿足規(guī)范要求。③兩側(cè)邊墩繞滲嚴(yán)重；橋頭堡和刺墻受基礎(chǔ)不均勻沉陷和繞滲作用，已產(chǎn)生錯位，止水失效。④無啟閉機(jī)房；金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施已超過規(guī)定折舊年限。⑤觀測設(shè)施老化廢棄；電氣設(shè)備簡陋，老化嚴(yán)重。經(jīng)安全鑒定，水閘運(yùn)行指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程老化損壞嚴(yán)重，亟需進(jìn)行除險加固處理，以恢復(fù)其攔蓄灌溉、泄洪排澇等運(yùn)用功能，評定為三類閘。

2.2 除險加固方案比選

現(xiàn)狀節(jié)制閘閘墩、排架柱、機(jī)架橋、生產(chǎn)橋混凝土碳化、麻面、裂縫、露筋銹蝕嚴(yán)重，耐久性差；閘室小底板和大底板不均勻沉降，裂縫嚴(yán)重，配筋不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需進(jìn)行閘室全部拆除重建。綜合考慮閘址處地形地質(zhì)條件、構(gòu)建物布置、施工組織和運(yùn)維條件等因素，設(shè)計3個方案進(jìn)行對比分析：①方案一：地基改建為復(fù)合地基、閘室改建為倒π型結(jié)構(gòu)；②方案二：加固灌注樁基礎(chǔ)，閘室改建為倒π型結(jié)構(gòu)；③方案三：保留灌注樁基礎(chǔ)、閘室維持大小底板結(jié)構(gòu)。見表1。

從表1可知，方案三將閘室拆除改建，可以解決閘室混凝土老化、強(qiáng)度低、配筋不足等問題，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。水平承載力也能滿足要求，但安全系數(shù)裕度較小，且原灌注樁已經(jīng)埋入地下近50a，其承載力存在一定不確定性；方案二不但將閘室拆除改建，并通過補(bǔ)樁提高樁基的整體承載能力。但該方案仍采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)，存在閘底板與地基土“脫空”的可能性；方案一上部結(jié)構(gòu)與方案二相同，地基采用與閘室協(xié)同變形能力更好的水泥土攪拌樁復(fù)合基地，避免了閘底板與地基土“脫空”可能性，同時，采用復(fù)合地基不但能提高地基豎向承載力，而且能提高底板與地基間的摩擦系數(shù)，有利于閘室抗滑穩(wěn)定。另外，建筑工程投資方案二最高，方案三最小，方案一居中。

表1 宮家閘除險加固方案比較

綜上所述，3個方案均能滿足閘室穩(wěn)定及樁基承載力要求，但由于目前無法對原樁基承載力進(jìn)行可靠檢測，原樁基承載力存在一定的不確定性。同時，如仍采用原混凝土灌注樁存在閘底板與地基土“脫空”的可能性，為確保水閘除險加固后工程安全可靠，優(yōu)選與工程匹配性更高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的方案一。

3 水閘抗?jié)B穩(wěn)定性分析

滲流問題與水閘的安全運(yùn)行有著緊密的聯(lián)系，水體滲流會破壞水閘整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致水閘閘墩、擋墻等發(fā)生滲透變形，嚴(yán)重時還會引起水閘垮塌等惡性事故發(fā)生。因此，有必要對不同工況條件下的水閘滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析，整體評價水閘除險加固后的安全穩(wěn)定性[9-10]。

3.1 水閘防滲排水措施

水閘現(xiàn)狀上游鋼筋混凝土鋪蓋段長18m，閘底板水平長度14.0m。除險加固拆除改建上游鋪蓋，鋪蓋與閘室底板及翼墻底板之間設(shè)止水，改建段鋪蓋與原鋪蓋之間施工縫內(nèi)填塞遇水膨脹止水條，臨水面采用瀝青砂漿勾縫，挖除鋪蓋下砂壤土，采用水泥土回填。排水孔設(shè)在下游護(hù)坦上，共3排，其中第1排距閘室底板1.0m，排水孔下設(shè)反濾層。

除險加固拆除改建閘室底板及下游翼墻，需拆除改建影響范圍內(nèi)下游消力池底板，改建段長度為4.0m，底板與閘室底板及翼墻底板之間設(shè)止水，改建段底板與原底板之間施工縫內(nèi)填塞遇水膨脹止水條，臨水面采用瀝青砂漿勾縫。同時改建消力池底板下回填中粗砂，改建段底板設(shè)直徑5cm的PVC排水管，排水管共3排，每排間距1m，梅花形布置。

水閘兩岸連接采用混凝土扶壁式翼墻，前端為圓弧翼墻，其中與鋼筋混凝土鋪蓋銜接段順?biāo)飨蛲队伴L度為10m，后為直線翼墻，長8m，墻頂高程19.60m；鋼筋混凝土閘室邊墩，順?biāo)鞣较蜷L度14.0m，墩頂高程19.60m。翼墻與翼墻間、翼墻與邊墩間均設(shè)止水。翼墻和邊墩后填筑壤土，設(shè)計壓實度0.94，滲透系數(shù)建議值為9.0×10-5cm/s。下游擋土墻設(shè)3排孔徑為50mm的PVC排水管，排水管墻內(nèi)側(cè)端頭設(shè)土工布及粗砂反濾。

3.2 抗?jié)B穩(wěn)定分析

3.2.1閘基滲透穩(wěn)定分析

(2)計算工況及計算模型。計算工況：①正常擋水工況：閘前正常蓄水位17.10m，下游水位平閘底板；②加大擋水工況：閘前正常蓄水位17.60m，下游水位平閘底板。利用有限元軟件建立水閘滲流計算模型及網(wǎng)格劃分情況，模型中為簡化計算僅示意水閘鋪蓋、水閘底板以及閘門等關(guān)鍵部位。在水閘上部定義上游水位總水頭，水閘下部平底板部位定義下游水位總水頭。如圖1所示。

圖1 水閘滲流計算模型

(3)計算成果分析。經(jīng)有限元數(shù)值計算獲得水閘閘基滲流穩(wěn)定分析成果，見表2，如圖2—3所示。

圖2 閘基滲流等勢線圖(正常擋水工況)

表2 閘室滲透比降計算成果

根據(jù)表2計算成果可知，閘底板與基礎(chǔ)接觸面滲透比降最小值為0.125，閘后出逸點(diǎn)透比降最小值為0.303，均小于滲流坡降0.30和0.50允許值要求，且富裕度較大，水閘整體安全穩(wěn)定性較高。

3.2.2側(cè)向繞滲分析

由于閘室邊墩及翼墻兩側(cè)回填壤土，滲透系數(shù)為 9.0×10-5cm/s，小于地基土的滲透系數(shù)。根據(jù)SL 265—2001《水閘設(shè)計規(guī)范》，參照閘基滲流計算方法進(jìn)行分析得防滲長度：

圖3 閘基滲流等勢線圖(加大擋水工況)

L=CΔH

(1)

式中，L—防滲長度，m；ΔH—上、下游水位差，ΔH=5.5m；C—允許滲徑系數(shù)值，墻后回填壤土，取C=5。

經(jīng)計算，防滲長度L需要大于 27.5m，而宮家閘除險加固方案中上游翼墻及邊墩順?biāo)飨蛟O(shè)計總長度為32m，滿足防滲要求。

4 結(jié)論

除險加固是病險水閘全面消除安全隱患，恢復(fù)蓄水灌溉、防洪排澇和生態(tài)環(huán)境供水等功能和興利效益的重要工程措施。通過對宮家閘除險加固技改方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行論證分析，主要結(jié)論如下。

(1)根據(jù)現(xiàn)場檢測和安全鑒定復(fù)核成果，宮家閘屬長期“帶病超期超載”服役的病險水閘，水閘運(yùn)用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，存在嚴(yán)重的安全問題，被鑒定為三類水閘，亟需進(jìn)行除險加固以消除病險隱患，確保其功能和效益穩(wěn)定發(fā)揮。

(2)綜合考慮水閘病險現(xiàn)狀、主體結(jié)構(gòu)性能、構(gòu)建物布置等條件，設(shè)計優(yōu)選的水泥土攪拌樁復(fù)合地基拆除重建方案，能較好地適應(yīng)閘室沉降變形，且利于閘基滲流穩(wěn)定。

(3)閘基滲流和側(cè)向繞滲分析成果表明，除險加固防滲排水措施設(shè)置合理可靠，滲透比降及滲流長度滿足規(guī)范要求，整體安全穩(wěn)定。