基于滲徑系數(shù)法的樅陽(yáng)閘抗?jié)B性能檢測(cè)

宋東國(guó)

（安慶市長(zhǎng)江河道管理處三分處，安徽 安慶 246000）

在大型水利工程項(xiàng)目中，水閘發(fā)揮及其重要的作用，也在項(xiàng)目整體中占有十分重要的地位。因此，水閘安全也是整個(gè)水利工程項(xiàng)目安全的核心所在[1]。為了確保水閘安全，必須要定期和不定期地對(duì)水閘進(jìn)行安全檢測(cè)。水閘安全檢測(cè)的內(nèi)容很多，僅對(duì)水閘構(gòu)成組件的檢測(cè)就多達(dá)十幾種，如閘墩檢測(cè)、排架柱檢測(cè)、工作橋檢測(cè)、翼墻檢測(cè)、護(hù)坡檢測(cè)以及閘門檢測(cè)等[2]。此外，還需要對(duì)水閘整體進(jìn)行抗?jié)B檢測(cè)、防沖檢測(cè)、穩(wěn)定性檢測(cè)等[3]。因此，水閘檢測(cè)不僅內(nèi)容多，還需要準(zhǔn)確高效的檢測(cè)方法。該文以樅陽(yáng)閘為具體研究對(duì)象，對(duì)威脅閘體安全最大的抗?jié)B性能展開深入分析。

1 樅陽(yáng)閘概況及其工程結(jié)構(gòu)

1.1 樅陽(yáng)閘概況

樅陽(yáng)閘位于安徽省安慶市長(zhǎng)江下游，它是菜子湖流域內(nèi)唯一的通江水閘，因此也稱菜子湖閘。樅陽(yáng)閘通過長(zhǎng)河和菜子湖連通，通過夾江河道和長(zhǎng)江連通，控制的流域面積超過3000 km2。樅陽(yáng)閘是一座功能齊備的大型水閘，綜合了防洪功能、泄洪功能、排澇功能和引水灌溉功能。在汛期，樅陽(yáng)閘發(fā)揮其防洪、泄洪以及排澇功能，防洪面積近200 km2，排澇面積近100 km2。在干旱季節(jié)，樅陽(yáng)閘發(fā)揮其蓄水灌溉功能，灌溉面積超過200 km2。 可見，樅陽(yáng)閘在菜子湖流域內(nèi)所發(fā)揮的巨大作用。

樅陽(yáng)閘的歷史非常悠久，是20世紀(jì)50年代省巢滁皖規(guī)劃的大型水利工程項(xiàng)目。1958年，樅陽(yáng)閘開始興建，并于1959年建成投入使用。截止到2022年，樅陽(yáng)閘的服務(wù)年限已經(jīng)超過63 年。為了確保閘基安全，樅陽(yáng)閘選址在白鶴峰山腳，此處和河道呈現(xiàn)出明顯的S型。

樅陽(yáng)閘系建造在巖基上的圬工水閘，設(shè)計(jì)最大排水流量1150 m3/s，校核排水流量為1288 m3/s，為安徽省沿江大型水閘之一。閘身由泄流孔和發(fā)電孔組成（發(fā)電孔目前已封閉），泄洪孔共10 孔，每孔凈寬4.5 m，凈高5.35 m，閘底檻高程6.75 m（吳淞高程，下同），閘室總寬度63.0 m，凈寬49.8m，閘底板長(zhǎng)20.0 m，可控制閘門10扇，閘門為潛孔式平面鋼閘門，每扇門重82.2 kN，配置10臺(tái)單吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉力為250 kN，啟閉機(jī)臺(tái)高程27.45 m，建有啟閉機(jī)房，設(shè)有主控制室，配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用，并及時(shí)采集閘門開度、荷重、水位等信息。

1.2 樅陽(yáng)閘的工程結(jié)構(gòu)

樅陽(yáng)閘的工程結(jié)構(gòu)，主要包括閘室、閘堤連接段、啟閉設(shè)備和閘門、消能設(shè)施、上下游翼墻等部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 樅陽(yáng)閘的結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 閘室

該閘閘室為鋼筋砼開敞式十孔一聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)，底板頂高程6.7 m，底部0.3 m漿砌條石上覆0.2 m厚鋼筋混凝土面層；閘孔頂高程（即胸墻底高程）12.01 m，每孔凈寬4.5 m，凈高5.4 m，閘孔凈尺寸為4.5 m×5.4 m；閘頂公路橋橋面高程為19.45 m，兩個(gè)發(fā)電孔，發(fā)電孔已封閉；閘孔過水總凈寬49.8 m，墩厚0.5 m，閘室總寬度（垂直流向）63.0 m，順流向上下游建筑總長(zhǎng)約（順?biāo)飨颍?50 m；控制閘門10樘，平面鋼閘門，裝10臺(tái)20 t卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)高程27.45 m，建有啟閉機(jī)房。

1.2.2 閘堤連接段

閘室與江堤間用鋼筋砼引橋連接，引橋兩側(cè)填土采用錐坡，閘室頂設(shè)有汽-10級(jí)公路橋一座，橋面高程19.45 m（即閘頂高程）與江堤堤頂同高，橋面寬9.0 m。

1.2.3 啟閉設(shè)備和閘門

啟閉機(jī)房設(shè)在閘頂臨江側(cè)，位于排架頂部，排架頂高程27.00 m。啟閉機(jī)房采用磚混結(jié)構(gòu)，寬4.8 m，長(zhǎng)25 m，房頂高程31.15 m，啟閉機(jī)房安放10 臺(tái)QPQ-40型卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。啟閉機(jī)房?jī)蓚?cè)設(shè)置鋼螺旋樓梯供管理人員上下。

1.2.4 消能設(shè)施

閘室上游（臨江側(cè)）設(shè)有消力池，采用150#鋼筋砼澆筑，厚0.4 m，總長(zhǎng)31.5 m，池深1.5 m，池底高程3.7 m，消力池與閘室間以1∶6坡相接；消力池后接15 m長(zhǎng)的護(hù)坦，原護(hù)坦長(zhǎng)6 m，后進(jìn)行加固，在原干砌條石上澆筑厚200 mm的C20鋼筋混凝土，加固護(hù)坦后又新增9 m長(zhǎng)C20鋼筋混凝土護(hù)坦，護(hù)坦底高程6.7 m，厚0.4 m；護(hù)坦后接44 m長(zhǎng)干砌塊石海漫，海漫頂面坡度1∶6，厚0.4 m，首端高程6.7 m，末端高程6.4 m。海漫末端設(shè)拋石防沖槽，深1.17 m，長(zhǎng)10 m。

1.2.5 上下游翼墻

閘上游（臨江側(cè)）岸墻，為一半徑R=30.0 m的圓弧墻與岸坡相接，其結(jié)構(gòu)形式為漿砌塊石重力式。墻頂高程14.0 m，底板底部高程3.7 m。閘下游岸墻的首段，平面布置呈八字形，擴(kuò)散角為12 度。尾段用一半徑R=45 m的圓弧墻插入堤岸，結(jié)構(gòu)形式為重力式。墻頂高程為16.50 m，底板底部高程6.7 m。

2 樅陽(yáng)閘抗?jié)B性能分析

樅陽(yáng)閘抗?jié)B性能檢測(cè)采用滲徑系數(shù)法校核閘基防滲長(zhǎng)度，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算閘基底部滲透壓力。

2.1 滲徑系數(shù)法驗(yàn)算滲徑長(zhǎng)度

根據(jù)水閘抗?jié)B安全規(guī)范要求，可用滲徑系數(shù)法確定閘基防滲長(zhǎng)度。

抗?jié)B復(fù)核采用萊恩系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：參數(shù)L表示閘基防滲長(zhǎng)度，即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長(zhǎng)度總和；參數(shù)C表示允許滲徑系數(shù)值，考慮樅陽(yáng)閘閘基主要為粗面安山巖，迎江側(cè)消力池和護(hù)坦底部均為重壤土，按照SL265-2001要求，一般C=7～4（無濾層）。由于閘基未設(shè)板樁，本計(jì)算C取用大值7； 參數(shù)△H為水閘承受的最大上下游水位差，根據(jù)樅陽(yáng)閘的實(shí)際情況，有△H=18.95-12.88=6.07 m。

水閘抗?jié)B安全規(guī)范SL265-2001規(guī)定的允許滲徑系數(shù)值見表1。

表1 SL265-2001規(guī)定的允許滲徑系數(shù)值（單位：μm）

考慮汛期防洪的實(shí)際工況需求，此處的滲徑長(zhǎng)度設(shè)置如公式（2）所示。

如果水閘的止水設(shè)備完好無損并且正常工作，那么其地下滲透輪廓線水平總長(zhǎng)的計(jì)算應(yīng)如公式（3）所示。

式中：參數(shù)Ln表示正常長(zhǎng)度，Lv表示正常長(zhǎng)度偏離值。

對(duì)比上述兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，L實(shí)≥L。這表明，滲徑長(zhǎng)度的計(jì)算，滿足樅陽(yáng)閘的實(shí)際抗?jié)B需求。

2.2 改進(jìn)阻力系數(shù)法

使用滲徑系數(shù)的同時(shí)，還需要進(jìn)一步校驗(yàn)水閘的抗?jié)B穩(wěn)定性。根據(jù)SL265-2001規(guī)定，此處選擇改進(jìn)阻力系數(shù)法完成樅陽(yáng)閘的抗?jié)B穩(wěn)定性校驗(yàn)。根據(jù)樅陽(yáng)閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底板臨江一側(cè)建造了消力池，臨湖一側(cè)建造了漿砌石鋪蓋，鋪蓋末端設(shè)置排水孔，鋪蓋下面設(shè)置了反濾部分。據(jù)此，抗?jié)B穩(wěn)定性的滲流計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

圖2 抗?jié)B穩(wěn)定性的滲流計(jì)算區(qū)域

從圖2可以看出，受到樅陽(yáng)閘結(jié)構(gòu)因素的限制，其滲流計(jì)算一共劃分了15個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域的跨度長(zhǎng)短不一，有的達(dá)到18 000 cm，有的則只有幾百厘米。

根據(jù)助力系數(shù)法計(jì)算出的樅陽(yáng)閘底板各滲流區(qū)段幾何參數(shù)和阻力系數(shù)見表2。

從表2中的結(jié)果可以看出：樅陽(yáng)閘整個(gè)工程底板的滲流區(qū)段共劃分為15個(gè)區(qū)段，各區(qū)段的阻力系數(shù)存在明顯的差異。例如，第4號(hào)滲流區(qū)段的區(qū)段類型為水平段，關(guān)鍵幾何參數(shù)為2.135，阻力系數(shù)為4.676，處于非常高的水平。第8號(hào)滲流區(qū)段的區(qū)段類型為水平段，關(guān)鍵幾何參數(shù)為0.026，阻力系數(shù)為0.058，處于非常低的水平。第12號(hào)滲流區(qū)段的區(qū)段類型為水平段，關(guān)鍵幾何參數(shù)為0.026，阻力系數(shù)為0.058，處于非常低的水平。可見，在樅陽(yáng)閘15個(gè)滲流區(qū)段中，第4段的阻力系數(shù)最大，第8段、第12段的阻力系數(shù)最小。

表2 底板各滲流區(qū)段幾何參數(shù)和阻力系數(shù)

樅陽(yáng)閘水位各區(qū)段滲區(qū)水頭損失計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)水位各區(qū)段滲區(qū)水頭損失計(jì)算表（阻力系數(shù)法）

從表3中的結(jié)果可以看出：樅陽(yáng)閘各區(qū)段滲區(qū)水頭損失也存在明顯的差異，各區(qū)段并不相同。樅陽(yáng)閘水位各區(qū)段的水頭損失計(jì)算結(jié)果中，第4段為水平段，其滲區(qū)水頭損失最大，達(dá)到了2.135，第8段、第12段同樣為水平段，其滲區(qū)水頭損失最小，只有0.026。其余各段的滲區(qū)水頭損失則處在這兩個(gè)值的中間?？梢?，針對(duì)不同區(qū)段的情況，根據(jù)滲區(qū)水頭損失的差異，應(yīng)進(jìn)行有針對(duì)性的差異化處理。

樅陽(yáng)閘水位各區(qū)段滲區(qū)水頭計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 設(shè)計(jì)水位各區(qū)段滲區(qū)水頭計(jì)算表（阻力系數(shù)法）

從滲壓水頭的計(jì)算結(jié)果可以看出，從H1到H16這16個(gè)水頭的水頭值依次減小，這一結(jié)果同前面幾組參數(shù)的結(jié)果相比具有明顯的規(guī)律性，呈現(xiàn)出逐級(jí)漸變的趨勢(shì)。其中，滲壓水頭H1的水頭值為6.070，滲壓水頭H8的水頭值為1.839，而到了滲壓水頭H16，水頭值迅速下降到0.001，趨近于0。

進(jìn)一步分析，樅陽(yáng)閘底板各段所承受的滲透壓強(qiáng)的具體分布情況如圖3所示。

圖3 底板滲透壓力分布（單位：kPa）

從圖3可以看出，樅陽(yáng)閘底板各段所受的壓強(qiáng)，從右向左依次增大，最右側(cè)部分所受的壓強(qiáng)在0 kPa～0.24 kPa變化，而到最左側(cè)部分所受的壓強(qiáng)在1.839 kPa～1.925 kPa變化。

2.3 滲流坡降的計(jì)算

根據(jù)滲流坡降的計(jì)算結(jié)果，樅陽(yáng)閘的水平滲透坡降如公式（4）所示。

根據(jù)滲流坡降的計(jì)算結(jié)果，樅陽(yáng)閘出口滲透坡降如公式（5）所示。

考慮樅陽(yáng)閘底板土層的土質(zhì)主要為壤土，設(shè)定許用滲透坡降如下：1）水平許用坡降[J]= 0.25～0.35，進(jìn)一步考慮河道中淤積情況，為防止冒水孔發(fā)生堵塞，取用[Jx]=0.25。2）出口許用滲透坡降[J]=0.5～0.6，進(jìn)一步考慮消力池海漫嚴(yán)重淤積，為防止冒水孔堵塞、反濾失效，計(jì)算中取[J]=0.5。

2.4 抗?jié)B穩(wěn)定性評(píng)估

首先，根據(jù)樅陽(yáng)閘的實(shí)際使用情況，尤其是在水位較高的情況下，閘基可能已經(jīng)出現(xiàn)滲水。結(jié)合閘底板的實(shí)際情況和抗?jié)B性能的分析結(jié)果，樅陽(yáng)閘閘基存在一定滲流隱患。

其次，樅陽(yáng)閘上、下游護(hù)坦出現(xiàn)了部分折損，間接表明了滲流出口處遭受到一定程度破壞，這也會(huì)給樅陽(yáng)閘閘基埋下一定的安全隱患。而閘基整體是否存在裂縫，還需要進(jìn)一步檢測(cè)。

最后，樅陽(yáng)閘在上游鋪蓋、下游消力池以及閘止水設(shè)施均正常工作的情況下，出逸坡降滿足滲流穩(wěn)定要求。滲徑系數(shù)法和改進(jìn)阻力系數(shù)法的校驗(yàn)顯示，樅陽(yáng)閘閘基整體滲流穩(wěn)定性還是滿足規(guī)范要求的，但存在一定滲流隱患。

3 結(jié)論

抗?jié)B性能是水閘工程安全運(yùn)行的重要技術(shù)指標(biāo)，該文以樅陽(yáng)閘為例，進(jìn)行了水閘抗?jié)B性能的研究工作。首先，該文對(duì)樅陽(yáng)閘的工程概況進(jìn)行了闡述，其工程結(jié)構(gòu)包括閘室、閘堤連接段、啟閉設(shè)備和閘門、消能設(shè)施以及上、下游翼墻等關(guān)鍵部分。其次，運(yùn)用滲徑系數(shù)法驗(yàn)算樅1839陽(yáng)閘滲徑長(zhǎng)度，并運(yùn)用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行校驗(yàn)?？?jié)B性能的分析結(jié)果顯示：樅陽(yáng)閘閘基滲流穩(wěn)定檢測(cè)計(jì)算滿足規(guī)范要求，但也存在一定隱患，應(yīng)進(jìn)行定期檢測(cè)并做好預(yù)防。