大涌口水閘病險(xiǎn)分析及加固措施研究

胡緒寶 中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司

1.工程概況

大涌口水閘是位于坦洲涌入江口中珠聯(lián)圍干堤上的一座集防洪（潮）、排洪、抗咸，兼顧供水的綜合性水利工程，是聯(lián)圍主要的水工建筑物之一。該水閘初建于1959年，經(jīng)2006年重建。重建后水閘為12孔，過流總凈寬170.4 m，閘室總寬198 m，閘底板高程-3.5m，排澇標(biāo)準(zhǔn)能力達(dá)50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)，防洪潮標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100年一遇。大涌口水閘全貌見圖1。

圖1 大涌口水閘全貌圖

2.病險(xiǎn)問題分析

2.1 工程現(xiàn)狀調(diào)查

工程現(xiàn)狀調(diào)查反映出的水閘存在的主要病險(xiǎn)問題包括以下幾點(diǎn)：

閘室邊墩及1#～2#、2#～3#、4#～5#及8#～9#中墩出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落露筋或裂縫；閘室1#、2#、5#、7#工作橋面層混凝土保護(hù)層開裂剝落露筋；水閘交通橋外河側(cè)欄桿底部全部銹蝕破損，欄桿外側(cè)設(shè)有防浪墻（兼做欄桿），防浪墻縫墩位置內(nèi)側(cè)混凝土保護(hù)層剝落露筋；現(xiàn)狀各液壓支墩均存在不同程度的混凝土保護(hù)層剝落露筋；廊道外河側(cè)（胸墻）多處混凝土保護(hù)層開裂。

水閘原設(shè)計(jì)未考慮混凝土防腐處理。經(jīng)過多年運(yùn)行，水閘多處結(jié)構(gòu)，如水閘閘墩、液壓支墩、前后翼墻、防浪墻迎水側(cè)等位置的混凝土結(jié)構(gòu)受到較重腐蝕，影響到水閘的結(jié)構(gòu)安全。

現(xiàn)狀水閘主體與兩岸翼墻間結(jié)構(gòu)縫，翼墻間結(jié)構(gòu)縫均超過原水閘設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)縫最寬處達(dá)150.27mm，可能是因?yàn)橐韷Πl(fā)生位移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫變大，過大的結(jié)構(gòu)縫可導(dǎo)致分縫處止水拉裂失效。

大涌口水閘工作閘門全部為鋼閘門，運(yùn)行至今已有15年，由于閘門位于咸潮河段，受海水浸蝕，門體構(gòu)件均出現(xiàn)輕微銹蝕現(xiàn)象；受風(fēng)浪作用垂直水流方向晃動(dòng)幅度大，閘門主輪均有不同程度的傾斜，其中8#閘門右側(cè)下主輪已缺失，5#～7#工作閘門底部支承已缺失；閘門主輪不能有效與軌道接觸導(dǎo)致啟閉時(shí)滾輪與軌道間的滾動(dòng)摩擦變成滑動(dòng)摩擦，軌道均有一定銹蝕現(xiàn)象；閘門頂止水橡皮均有不同程度的老化、損壞、撕斷、缺失，止水壓板及螺栓銹蝕，閘門止水效果較差。啟閉機(jī)液壓桿普遍存在銹蝕現(xiàn)象，銹蝕主要發(fā)生在活塞桿下半部位，導(dǎo)致啟閉時(shí)液壓缸漏油，部分油缸漏油嚴(yán)重致使液壓桿吊點(diǎn)不同步，閘門無法正常啟閉；用于監(jiān)控工作閘門開度的液壓啟閉機(jī)的行程檢測裝置采用傳統(tǒng)的鋼絲繩纏繞的方式對(duì)閘門的開度進(jìn)行監(jiān)控，鋼絲繩易受外界環(huán)境影響，監(jiān)控精度不高。

電氣設(shè)備部分現(xiàn)在雖能正常運(yùn)行，保養(yǎng)維護(hù)也較好，但由于運(yùn)行時(shí)間較長，液壓啟閉機(jī)及控制柜、PLC等軟硬件需要更新升級(jí)，部分操作手柄老化腐蝕。

2.2 現(xiàn)場安全檢測

廊道、下游側(cè)胸墻、水閘液壓支墩等各主要構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度不滿足原設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)水下潛摸檢測，大涌口水閘6#、7#、9#、11#、12#閘槽有明顯漏水現(xiàn)象，止水效果較差。內(nèi)外河側(cè)消力池底板相對(duì)閘室底板面存在沉降，消力池底板與閘室底板分縫處存在一定縫隙。

根據(jù)大涌口閘底脫空安全檢測（沖擊影響法）結(jié)果，閘室檢測結(jié)果中共發(fā)現(xiàn)28 處較為嚴(yán)重缺陷部位，包含19 處為疑似脫空區(qū)域，9 處為疏松區(qū)域，其中10#閘室底板情況最為嚴(yán)重，疑似脫空占比最高；6#、7#、8#閘室底板整體存在疏松狀態(tài)，并零散分布疑似脫空點(diǎn)位，需要引起注意；3#閘室中心線底板下疑似存在一條由外河一側(cè)向內(nèi)河一側(cè)的貫穿通道。

檢測水閘1#、4#、8#工作閘門最大防腐涂層厚度183μm，不滿足《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.1 水閘消能防沖復(fù)核

大涌口水閘為雙向運(yùn)用，因此分別按排洪和引水進(jìn)行消能防沖計(jì)算。

該閘正向排洪消能防沖的防洪標(biāo)準(zhǔn)為：涌內(nèi)50 年一遇洪水設(shè)計(jì)，200 年一遇洪水校核，當(dāng)閘內(nèi)水位超過正常蓄水位0.55m 時(shí)水閘開閘泄水，此時(shí)遭遇閘外為歷年低潮平均值-1.07m 時(shí)最不利，故采用該工況進(jìn)行排洪時(shí)的消能防沖計(jì)算。以設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)的最大過閘流量的上、下游水位兩種工況進(jìn)行復(fù)核。

引水時(shí)，閘內(nèi)水位取最低內(nèi)水位為-0.60m，由于引水時(shí)機(jī)是由涌內(nèi)水量和外江洪潮水咸度決定的，而外江洪潮水位具有不確定性，故分別取1.60m、1.00m和平均高潮位0.45m進(jìn)行消能防洪計(jì)算。計(jì)算方法參考《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》。

排水工況時(shí)根據(jù)消能計(jì)算過程，海漫實(shí)際長度小于理論設(shè)計(jì)長度，其他均滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)最新實(shí)測地形圖，現(xiàn)狀外河消力池存在左岸淤積，右岸沉降。不影響水工建筑物安全。

引水工況時(shí)根據(jù)消能計(jì)算過程，消力池各種尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)最新實(shí)測地形圖，內(nèi)河消力池及海漫消能防沖設(shè)施基本完好，未受損壞，靠近海漫側(cè)消力池出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，不影響水工建筑物安全。

3.2 閘室穩(wěn)定復(fù)核

水閘閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算內(nèi)容包括閘室沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算、抗浮穩(wěn)定計(jì)算、閘室基底應(yīng)力、基底應(yīng)力不均勻系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算方法參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算工況包括內(nèi)河蓄水期、設(shè)計(jì)擋潮期、校核擋潮期、檢修期、天鴿洪水期、山竹洪水期，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

本工程水閘閘室采用φ1000灌注樁。每聯(lián)閘室段共布置63根樁，矩形布置。順?biāo)鞣较驑毒?.9m，垂直水流方向樁距3.8m，采用粗、礫砂層為持力層，水閘閘室入土樁長為40m-50m。

根據(jù)閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，閘室在設(shè)計(jì)擋潮期時(shí)最大應(yīng)力為79.77 KPa，故閘室段豎向力為79.77＊20＊33=52648.2KN，每段閘室有63 根，水閘閘室單樁平均豎向荷載最大值為835.68kN，根據(jù)收集到的本工程單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，單樁豎向承載力特征值不小于1700kN，同時(shí)根據(jù)理論計(jì)算單樁豎向承載力特征值為1090.95kN。

根據(jù)閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，閘室段在設(shè)計(jì)擋潮期時(shí)最大水平力為7376.69KN，運(yùn)行期基樁單樁水平荷載最大值為117kN，根據(jù)收集到的本工程單樁水平靜載試驗(yàn)，單樁極限水平承載力不小于95kN（經(jīng)水平承載力理論計(jì)算的單樁水平承載力特征值125.26 KN），滿足規(guī)范要求。

根據(jù)閘室樁基礎(chǔ)豎向承載力復(fù)核結(jié)果和閘室多年沉降觀測數(shù)據(jù)以及對(duì)閘室墩墻等結(jié)構(gòu)的調(diào)查，水閘閘室未發(fā)生不均勻沉降，故判斷閘室基礎(chǔ)滿足規(guī)范要求。

根據(jù)閘室樁基礎(chǔ)水平力承載力復(fù)核結(jié)果，抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及測量，閘室未發(fā)生明顯位移，說明抗滑穩(wěn)定安全。

3.3 閘室主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

計(jì)算主要依據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)閘室邊墩、底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。結(jié)合地質(zhì)報(bào)告分析，水閘邊墩及檢修橋環(huán)境類別為四類環(huán)境，底板環(huán)境類別為三類環(huán)境。

根據(jù)回彈法檢測和鉆芯法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度檢測，墩墻現(xiàn)齡混凝土強(qiáng)度推定值為27.0MPa，檢修橋現(xiàn)齡混凝土強(qiáng)度推定值為24.5MPa。

經(jīng)過配筋復(fù)核計(jì)算，基本組合時(shí)底板、縫墩、邊墩面層鋼筋受拉截面面積和底板底層鋼筋受拉截面面積均滿足規(guī)范要求，偶然組合時(shí)底板面層鋼筋受拉截面面積和底板底層鋼筋受拉截面面積均滿足規(guī)范要求，底板現(xiàn)狀情況的配筋滿足規(guī)范要求。其中中墩不滿足受力鋼筋最小配筋率的要求。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008），對(duì)三類、四類環(huán)境，配筋混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)為C 25，胸墻、支墩及廊道結(jié)構(gòu)經(jīng)檢測局部現(xiàn)齡期混凝土強(qiáng)度尚達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，閘室的閘墩主體結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)性安全，閘室底板配筋率不滿足要求及裂縫寬度均不滿足要求。閘室結(jié)構(gòu)不滿足混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求。

3.4 閘室抗震驗(yàn)算

由計(jì)算結(jié)果可知，根據(jù)閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，閘室在地震期時(shí)最大應(yīng)力為79.18KPa，故閘室豎向力為79.18＊20＊33=52258.8KN，該段翼墻有63 根鉆孔灌注樁，閘室單樁平均豎向荷載最大值為829.5kN，根據(jù)收集到的本工程單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，單樁豎向承載力特征值不小于1700kN；經(jīng)理論計(jì)算，單樁豎向承載力特征值不小于1090.95kN。

根據(jù)閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，外河翼墻在地震期時(shí)最大水平力為2795.22KN，閘室單樁水平荷載最大值為65.5kN，根據(jù)收集到的本工程單樁水平靜載試驗(yàn)，單樁極限水平承載力不小于95kN（經(jīng)水平承載力理論計(jì)算的單樁水平承載力特征值125.26 KN），滿足規(guī)范要求。

本工程坐落于淤泥質(zhì)土層，水閘地基采用樁基，地震作用會(huì)使地基與閘底板脫離而產(chǎn)生掏空或集中滲流。

現(xiàn)狀閘室下游側(cè)閘墩頂部交通橋簡支于閘墩上，無防落梁，設(shè)置橡膠支座，由于橡膠支座的自振周期較長，對(duì)上部交通橋地震慣性力的下傳有較大的消減作用。

水閘閘室結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分縫設(shè)置在閘墩上，止水采用紫銅片止水，鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)抗震效果較好。

4.結(jié)論及建議

大涌口水閘存在一定安全隱患，建議采取以下改進(jìn)及加固措施：

（1）針對(duì)胸墻、支墩等結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)層局部脫落、露筋，混凝土表面存在一定程度碳化、鋼筋保護(hù)層厚度不滿足規(guī)范要求的問題，建議進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

（2）針對(duì)交通橋結(jié)構(gòu)安全性，橋板為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼束不滿足最新規(guī)范要求，部分閘孔的交通橋支座存在安全隱患，建議對(duì)交通橋進(jìn)行限重限行并對(duì)支墩進(jìn)行維修加固。

（3）針對(duì)水閘底板疑似脫空的問題，建議對(duì)底板疑似脫空的位置進(jìn)行充填灌漿處理。

（4）針對(duì)翼墻與水閘、翼墻與翼墻之間分縫較大的問題，建議對(duì)較大分縫進(jìn)行填縫處理。

（5）金屬結(jié)構(gòu)建議對(duì)閘門主輪進(jìn)行維修；更換啟閉機(jī)液壓油管管夾，管夾采用不銹鋼材質(zhì)；對(duì)啟閉機(jī)油路加強(qiáng)日常巡視檢查工作。

（6）大涌口水閘機(jī)電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長，存在安全隱患，建議做以下機(jī)電設(shè)備現(xiàn)場改造：更換高壓開關(guān)柜、變壓器、低壓開關(guān)柜；計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件升級(jí)改造；視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件升級(jí)改造，更換并新增網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。