高碑店節(jié)制閘安全檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算

金 澤 桂 彬 時(shí)連仲 李 萌

（1.北京市城市河湖管理處，北京 100089；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100089）

1 工程概況

高碑店節(jié)制閘是北京市通惠河上的一座中型水閘，主要用于城區(qū)通惠河景觀用水，保證通航水位，汛期能夠及時(shí)宣泄北京市城區(qū)及西郊大部分地區(qū)的洪水的要求，是關(guān)系首都城市水景觀、防洪安全和城市人們生活的重要水工建筑物。高碑店節(jié)制閘全閘共4孔，每孔凈寬7 m，底板厚1.5 m，沿流線長(zhǎng)12 m。節(jié)制閘二十年一遇設(shè)計(jì)流量434 m3/s，百年一遇校核流量640 m3/s。工作閘門(mén)為舌瓣式平板鋼閘門(mén)，閘門(mén)總高為5 m，舌瓣擋水高1 m，啟閉機(jī)為2×15 t固定卷?yè)P(yáng)式弧門(mén)啟閉機(jī)。

2 高碑店節(jié)制閘安全檢測(cè)

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

（1）混凝土安全檢測(cè)內(nèi)容。

根據(jù)《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL 214—2015）要求，本次對(duì)高碑店節(jié)制閘混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)項(xiàng)目主要包括混凝土外觀缺陷檢查、混凝土強(qiáng)度檢測(cè)（回彈法和鉆芯法）、混凝土碳化深度檢測(cè)、鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)、鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)、典型裂縫深度檢測(cè)、混凝土內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)結(jié)論。

①水閘整體外觀狀況較好，部分混凝土結(jié)構(gòu)存在剝蝕、脹裂、箍筋外露等情況。閘室未出現(xiàn)明顯的異常沉降、傾斜和滑移等情況?；炷翉?qiáng)度檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土內(nèi)部質(zhì)量較好，無(wú)明顯缺陷。

②閘墩及上下游翼墻均存在多道裂縫，裂縫寬度在0.2～2.3 mm之間，最大縫深43.7 cm，已超過(guò)鋼筋保護(hù)層厚度。

③混凝土結(jié)構(gòu)均存在一定程度的碳化，碳化深度可超過(guò)30 mm。工作橋框架梁混凝土碳化最深，最大的碳化深度達(dá)31.3mm，平均碳化深度超過(guò)20 mm。

④根據(jù)鋼筋銹蝕抽樣檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合碳化深度及鋼筋保護(hù)層厚度綜合判斷，水閘混凝土結(jié)構(gòu)主要受力鋼筋應(yīng)未出現(xiàn)鋼筋銹蝕，但部分結(jié)構(gòu)箍筋已發(fā)生銹蝕。

2.2 高碑店節(jié)制閘金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

（1）金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)內(nèi)容。

根據(jù)水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則要求，對(duì)其平板定輪閘門(mén)和固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。本次對(duì)高碑店閘金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)項(xiàng)目包括巡視檢查、閘門(mén)外觀形態(tài)及腐蝕狀況檢測(cè)、啟閉機(jī)性能狀態(tài)檢測(cè)考核、焊縫超聲波檢測(cè)。

（2）金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)結(jié)論。

①高碑店節(jié)制閘4套固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)總體保養(yǎng)狀況較好，設(shè)備運(yùn)行噪聲超出允許值；大、小齒輪及制動(dòng)輪硬度均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

②高碑店節(jié)制閘4扇閘門(mén)啟閉正常，閘門(mén)及埋件均存在銹蝕；閘門(mén)止水水封老化龜裂，止水螺栓銹禿；閘門(mén)主支撐輪已銹死，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)；閘門(mén)舌瓣部分由于長(zhǎng)期過(guò)水，背水面銹蝕非常嚴(yán)重；閘門(mén)擋水時(shí)，均存在不同限度的漏水現(xiàn)象。

3 高碑店節(jié)制閘安全復(fù)核計(jì)算

3.1 水閘抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核

高碑店節(jié)制閘滲流復(fù)核計(jì)算應(yīng)用改進(jìn)阻力系數(shù)法，是在獨(dú)立函數(shù)、分段法和阻力系數(shù)法等方法的基礎(chǔ)上綜合發(fā)展的一種精度較高的近似計(jì)算方法。

（1）閘址地質(zhì)情況。

高碑店節(jié)制閘所在地區(qū)土層自上而下分別為飽和軟塑砂黏和黏砂、飽和可塑砂黏土、粉砂層。

（2）各分段水頭損失。

鋪蓋及閘室地下輪廓一共化為12段。在設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位工況下，由阻力系數(shù)法計(jì)算得到各段水頭損失。

滲流計(jì)算分段如圖1所示。

圖1 滲流計(jì)算分段

上游校核洪水位情況下的閘室底板滲壓水頭分布如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)和校核洪水工況下閘室底板滲壓水頭分布（單位：m）

（3）閘底板水平段滲透坡降和滲流出口處坡降計(jì)算。

底板水平段平均滲透坡降：

滲透出口處平均滲透坡降：

兩種工況下二者滲透坡降值如表1所示。

表1 各工況下閘室底板水平段及滲流出口處坡降

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2001），滲流出口處砂黏土的允許滲流坡降值[J0]可取0.5，因滲流出口處設(shè)有墊層，該值可增加30%至0.65，由此可見(jiàn)在兩種水位情況下計(jì)算坡降值小于允許值。水平段基礎(chǔ)換填沙礫料和砂壤土的允許滲流坡降值[J0]分別為0.13～0.17和0.15～0.25，在兩種工況下坡降值均小于允許值，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

各工況下分段水頭損失統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 各工況下分段水頭損失統(tǒng)計(jì)

3.2 閘室穩(wěn)定復(fù)核

閘室穩(wěn)定計(jì)算的荷載組合分為基本組合和特殊組合兩類(lèi)?；竞奢d組合包括水閘及固定設(shè)備自重、設(shè)計(jì)洪水位下的水重、設(shè)計(jì)洪水位下的靜水壓力、設(shè)計(jì)洪水位下閘底板的浮托力和滲透壓力、浪壓力等。特殊荷載組合包括水閘及固定設(shè)備自重、校核洪水位下的水重、校核洪水位下的靜水壓力、校核洪水位下閘底板的浮托力和滲透壓力、浪壓力和地震力等。在基本組合中取設(shè)計(jì)洪水位工況；特殊組合中取校核洪水位和設(shè)計(jì)洪水位+地震工況。在計(jì)算中保守地未將閘上房屋的重量計(jì)算在內(nèi)。

浪壓力按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2001）規(guī)定計(jì)算，北京市50年一遇風(fēng)速取28 m/s（按基本風(fēng)壓值0.45 kN/m2反算）。

閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)如表3所示。

表3 閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

（1）閘室基底應(yīng)力平均值小于地基允許承載力200 kPa；閘室基底應(yīng)力最大值也小于地基允許承載力200 kPa的1.2倍。

（2）閘室基底的應(yīng)力不均勻系數(shù)在設(shè)計(jì)洪水位工況、校核洪水位工況以及設(shè)計(jì)洪水位+地震荷載工況下比規(guī)范要求的允許值小，滿足要求。

（3）閘室抗滑安全系數(shù)均大于允許的數(shù)值，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明閘室安全穩(wěn)定。

3.3 水閘過(guò)流能力復(fù)核

閘孔出流與堰流的區(qū)分，主要根據(jù)過(guò)閘水面是否受閘門(mén)（或胸墻）的影響判斷。閘門(mén)開(kāi)度與堰上水頭比值小于等于0.65時(shí)，為閘孔出流；閘門(mén)開(kāi)度與堰上水頭比值大于0.65時(shí)，為堰流。本次復(fù)核采用閘門(mén)全部開(kāi)啟和半開(kāi)兩種情況分別驗(yàn)算閘孔凈寬，即采用堰流和孔流兩種工況分別驗(yàn)算。

（1）平底閘堰流時(shí)的閘孔總凈寬計(jì)算方法。對(duì)于平底閘，為堰流時(shí)，閘孔總凈寬計(jì)算：

（2）閘孔出流時(shí)的閘孔總凈寬計(jì)算方法。

有胸墻的水閘或開(kāi)敞式水閘閘門(mén)部分開(kāi)啟時(shí)，過(guò)閘水流表面受到上部胸墻或閘門(mén)的影響，此時(shí)過(guò)閘水流為孔流狀態(tài)，其閘孔總凈寬計(jì)算：

閘孔過(guò)流能力復(fù)核計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 閘孔過(guò)流能力復(fù)核結(jié)果統(tǒng)計(jì)

復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，在上述三種工況下閘孔凈寬均滿足過(guò)流能力要求。

3.4 消能防沖復(fù)核

（1）消力池計(jì)算。

消力池深度：

將式（14）移項(xiàng)變?yōu)椋?/p>

該式屬于收斂的迭代公式，用循環(huán)迭代方法可以求hc。消力池長(zhǎng)度計(jì)算：

式中：Lsj——消力池長(zhǎng)度（m）；Ls——消力池斜坡段水平投影長(zhǎng)度（m）；β——水躍長(zhǎng)度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8，計(jì)算采用0.75；Lj——水躍長(zhǎng)度（m）。

（2）海曼長(zhǎng)度計(jì)算。

式中：Lp——海漫長(zhǎng)度（m）；qs——消力池末端單寬流量（m2/s）；Ks——海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)。

（3）計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)消能計(jì)算原理和閘室、消力池的實(shí)際布置形式，三種不同工況計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 消能防沖復(fù)核計(jì)算結(jié)果 單位：m

由此可見(jiàn)，在三種不同洪水水位工況下，消力池深度、長(zhǎng)度以及海漫長(zhǎng)度均能滿足消能要求。

4 結(jié)語(yǔ)

高碑店節(jié)制閘工程質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，部分混凝土構(gòu)件存在剝蝕、裂縫、箍筋外露等問(wèn)題，部分金屬構(gòu)件銹蝕較重。高碑店節(jié)制閘安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果均滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

（1）對(duì)破損的混凝土結(jié)構(gòu)采用聚合物砂漿等材料及時(shí)修復(fù)，對(duì)裂縫進(jìn)行灌漿處理，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行防碳化處理，防止碳化深度進(jìn)一步發(fā)展。

（2）對(duì)銹蝕的金屬結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行除銹防腐處理，對(duì)銹蝕嚴(yán)重的金屬構(gòu)件及時(shí)進(jìn)行更換。

（3）結(jié)合水閘整體運(yùn)行情況，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展相關(guān)的除險(xiǎn)加固工程。