采用錨桿增強(qiáng)三河閘抗滑穩(wěn)定技術(shù)研究

周和平，陸美凝，嚴(yán) 凱，郭 軍

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100；2.江蘇省淮河入海水道工程管理處，江蘇 淮安 223200）

1 研究背景

三河閘位于江蘇省洪澤區(qū)和盱眙縣交界處，洪澤湖東南角，是淮河入江水道的控制口門。1952年10月1日動(dòng)工興建，1953年7月26日建成放水。閘身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共63孔，每孔凈寬10m，原設(shè)計(jì)流量為8 000m3/s，1968年加固提高到12 000m3/s，為大（1）型水閘，等別為Ⅰ等。設(shè)弧形閘門，配卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。經(jīng)歷過4次較大規(guī)模加固，主要功能為排泄淮河洪水、調(diào)蓄洪水減輕下游防洪壓力，以及攔蓄來水為地區(qū)生活、生產(chǎn)、生態(tài)、航運(yùn)等提供水源，建成以來發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

1.1 閘身抗滑安全富余有待恢復(fù)

1954年淮河大洪水后，洪澤湖規(guī)劃水位做調(diào)整，設(shè)計(jì)水位由15.3m調(diào)整到16.0m，并增設(shè)校核水位為17.0m，蓄水位由12.5m調(diào)整到13.5m，超工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，三河閘抗滑穩(wěn)定安全富余下降，須采取措施?？紤]閘頂壓載抗滑，但底板配筋不允許；考慮加固閘底板，需構(gòu)筑施工圍堰，淮河防汛不允許。因此，1967年前三河閘加固設(shè)計(jì)未能定案。1968—1970年重啟設(shè)計(jì)、加固，開展拖板試驗(yàn)，取得地基土較高c、φ值，采取提高地基土摩擦系數(shù)、閘身局部增加重量、設(shè)計(jì)水位和校核水位時(shí)按泄洪8 000m3/s核算，并調(diào)低設(shè)計(jì)水位和校核水位時(shí)抗滑安全系數(shù)等措施，使三河閘抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果符合有關(guān)規(guī)范要求［1］。此后的安全鑒定、加固設(shè)計(jì)，均遵循水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，地基土摩擦系數(shù)取0.45（三河閘原設(shè)計(jì)取0.33），核算成果一般表達(dá)為：考慮拖板作用時(shí)，三河閘各工況下抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求；不考慮拖板作用時(shí)，地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。

拖板有無效用，存在爭議，無法驗(yàn)證。但是，三河閘在提高使用標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，未能通過工程措施提高工程標(biāo)準(zhǔn)，而是挖掘地基潛力達(dá)到計(jì)算安全，總體是降低了工程的安全富余度，與工程重要性不對(duì)等。

1.2 閘底板配筋有待補(bǔ)強(qiáng)

工程建成以來，歷經(jīng)多次加固，先后接長了閘墩、門墩，增設(shè)了新的工作橋、排架、啟閉機(jī)房，拓寬了公路橋，這些荷載都是工程設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮的，增加了底板彎矩和剪力，核算成果表明，局部鋼筋配置只能勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求。

更為嚴(yán)重的是，多年來為埋設(shè)測壓管和滲壓計(jì)，閘底板鉆孔達(dá)41個(gè)（表1）。鉆孔直徑都在130mm左右，或在閘墩、門墩部位，或在閘孔位置，截?cái)噤摻钊舾?，且相?duì)集中于3、6、11、16、19號(hào)底板。底板上鉆孔對(duì)底板的傷害呈隱性狀態(tài)，看不見也就不被重視，但鋼筋切斷，必然導(dǎo)致配筋不足，裂縫擴(kuò)展、延伸，危害極大。

表1 三河閘測壓管滲壓計(jì)布設(shè)情況

1.3 三河閘抗滑穩(wěn)定需增強(qiáng)

2008年2月，中國工程設(shè)計(jì)大師、工程院院士周君亮在《水利水電科技進(jìn)展》發(fā)表文章《地基土上水工建筑物的抗滑動(dòng)穩(wěn)定》，描述到1968年三河閘加固設(shè)計(jì)抗滑穩(wěn)定的算法，認(rèn)為提高地基土摩擦系數(shù)屬于經(jīng)驗(yàn)取值，雖計(jì)算安全，工程也經(jīng)過了冬春季較高蓄水位的考驗(yàn)，但還存在不確定性，主張待解決淮河洪水出路（興建三河越閘）后，打壩加固底板，閘身壓重，徹底提高工程抗滑穩(wěn)定性［1］。

2015年2月、2016年10月、2018年4月，周君亮院士又就地基土上建筑物的滑動(dòng)問題在《江蘇水利》發(fā)表系列研究文章［2-4］，均強(qiáng)調(diào)三河閘需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定加固（《江蘇水利》編輯部曹海明同志講，周君亮院士親自到編輯部送稿，并說一直在反復(fù)思考，要對(duì)江蘇水利重要技術(shù)有交待）。周君亮院士指出，歸檔計(jì)算書按似巖基抗剪斷法計(jì)算存在錯(cuò)誤，地基土與混凝土間摩擦系數(shù)取用偏高；鋪蓋不應(yīng)作為拖重；三河閘下游滲流出口不完全暢通，閘身滲壓比計(jì)算稍大；三河閘洪水位17.0m時(shí)抗滑安全需做進(jìn)一步論證；主張先建三河越閘，再加固三河閘。

對(duì)周君亮院士的憂慮，江蘇省水利廳十分重視，要求深入開展技術(shù)研究，采取措施，消除隱患，目前均調(diào)度洪澤湖正常蓄水位不超過13.5m。管理單位積極開展相關(guān)技術(shù)研究，制定并落實(shí)工程控制運(yùn)用方案，嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度指令，確保工程安全。

2 抗滑方案比較分析

周君亮院士認(rèn)為三河閘抗滑穩(wěn)定存在不確定性，主張加固改造。若采用通行的底板補(bǔ)強(qiáng)、閘身壓重方案，上游需構(gòu)筑施工圍堰，投資較大，且施工期導(dǎo)流尚無出路。若言拆除重建，投資更大，也要導(dǎo)流。能否不構(gòu)筑圍堰，另辟蹊徑增強(qiáng)三河閘抗滑穩(wěn)定呢？我們翻閱了歷史檔案，結(jié)合多年來三河閘運(yùn)行管理情況，進(jìn)行了深入研究。

2.1 底板壓重法

底板壓重法，是考慮在底板上均勻加載，能改善底板受力分布，減小鋼筋受力。此法區(qū)別于閘頂加載，閘頂增加的荷載通過閘墩傳遞給底板，會(huì)增加底板跨中、支座部位彎矩。

（1）水重保持法。如圖1，閘底板末端有一尾檻，高50 cm，尾檻上設(shè)有排水孔，下游水位低于高程7.5m時(shí)，能排除閘底板積水。若堵住尾檻排水孔，底板上能增加50 cm厚水重，對(duì)閘身穩(wěn)定有益，設(shè)計(jì)蓄水工況（上游13.5m，下游7.5m，下同）下，閘身穩(wěn)定安全系數(shù)由1.40提高到1.51（見表2，按規(guī)范計(jì)算，不計(jì)拖板，下同）。

表2 設(shè)計(jì)蓄水位下閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

圖1 閘底板尾檻排水孔封閉蓄水示意（單位：m）

（2）鋼筋混凝土填平法。如圖2，將閘底板一定范圍內(nèi)用鋼筋混凝土填充至高程8.0m，與尾檻同高，設(shè)計(jì)蓄水工況下，閘身穩(wěn)定安全系數(shù)由1.40提高到1.61。實(shí)施時(shí)植筋、布筋，同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)底板。

圖2 閘底板局部增厚示意（單位：m）

（3）底板尾檻增設(shè)矮門法。如圖3，在尾檻上設(shè)置矮門擋水，使底板上儲(chǔ)水一定高度，譬如矮門高1.7m，相當(dāng)于在閘底板上增加了2.2m厚水重，設(shè)計(jì)蓄水工況下，閘身穩(wěn)定安全系數(shù)由1.40提高到1.86。若摩擦系數(shù)取為0.33（原設(shè)計(jì)選用，下同），安全系數(shù)為K=1.36>1.35，相當(dāng)于該工況下恢復(fù)了工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 閘底板尾檻增設(shè)活動(dòng)矮門示意（單位：m）

以上3種辦法，均有利于閘身穩(wěn)定，能改善閘底板受力，無需導(dǎo)流，但各有利弊。水重保持法易實(shí)施，但效果不明顯；鋼筋混凝土填平法效果稍好，同時(shí)能補(bǔ)強(qiáng)閘底板，但不能大幅增強(qiáng)閘身穩(wěn)定；底板尾檻增設(shè)矮門法能大幅提高閘身穩(wěn)定性，但工程管理任務(wù)顯著加重。

2.2 抬高下游水位法

抬高下游水位，增加了下游底板上水重和下游水壓力，降低了揚(yáng)壓力，有利于閘身穩(wěn)定。譬如將下游水位抬高到10.0m，設(shè)計(jì)蓄水工況下，閘身穩(wěn)定安全系數(shù)由1.40提高到1.84。若摩擦系數(shù)取為0.33，安全系數(shù)為K=1.35，達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。抬高下游水位思考兩個(gè)途徑。

（1）下游新建橡膠壩。在下游適當(dāng)位置，新建頂高程10.0m的橡膠壩，擋水時(shí)升高，泄水時(shí)放倒。下游需構(gòu)筑圍堰，需較大投資。

（2）提高入江水道金湖控制擋水高度。改造入江水道金湖控制，提高擋水高度到10.0m。該方案影響較大，涉及入江水道金湖控制的改造和上游灘地的淹沒。金湖控制的改造包括擋水工程建設(shè)、東偏泓閘、西偏泓閘、船閘改造，需數(shù)千萬元投資?？煞侄问┕ぃ恍鑼?dǎo)流。金湖控制上游入江水道內(nèi)，洪澤區(qū)有灘地約666.67 hm2，金湖縣有灘地面積約266.67 hm2，若水位抬高到高程10.0m，灘地基本全部下水，該段入江水道成為湖泊。這樣的轉(zhuǎn)換，需要分析評(píng)估、頂層決策。

2.3 錨桿抗滑法

顯然，以上各方案存在一個(gè)普遍問題：能增強(qiáng)蓄水期閘身抗滑穩(wěn)定，卻不能增強(qiáng)洪水位17.0m時(shí)閘身抗滑安全。但是，錨桿法能增強(qiáng)閘身各種工況下的抗滑穩(wěn)定。

3 桿設(shè)置與計(jì)算

3.1 錨桿的布置與鋼索選用

錨桿布置應(yīng)避開鋼筋密集部位，同時(shí)選在底板跨中部位。在三孔一連的閘底板上，閘孔內(nèi)各布置1組，計(jì)3組，門墩之間各布置1組，計(jì)5組，共8組，平面布置如圖4。每組錨桿選用3根常用鋼絞線（直徑15.24mm，破斷力約240 kN）。下錨角度設(shè)為45°（錨碇偏上游，如圖5），錨入地下長度、錨固方式等另處理。

圖4 閘底板錨桿布置平面示意

圖5 閘底板布置錨桿剖面（單位：m）

3.2 閘身穩(wěn)定計(jì)算

錨桿安裝張拉力取鋼絞線破斷力的75%（K=1.33），總的張拉力為4 320 kN，水平分力、垂直分力均為3 054 kN。綜合各種荷載，針對(duì)各種工況，將摩擦系數(shù)分別取為0.45和0.33，進(jìn)行閘身抗滑穩(wěn)定計(jì)算，成果見表3。成果顯示，采用本設(shè)計(jì)方案，各種工況下工程抗滑穩(wěn)定均達(dá)到或超過原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。各計(jì)算工況中，校核蓄水位為作者個(gè)人特別驗(yàn)算，其它均為工程原設(shè)計(jì)工況。

表3 錨桿法閘身抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

3.3 可能出現(xiàn)的問題與對(duì)策

（1）對(duì)閘底板鋼筋的影響如何消除？底板跨中部位面層鋼筋受拉，不能截?cái)?，底層鋼筋受壓，截?cái)嘤绊懖淮?。三河閘底板高程7.5m，施工期可稍稍降低下游水位，排除底板積水，干法施工。采用混凝土鋼筋檢測儀能定位面層鋼筋，也就能避開面層鋼筋鉆孔，確保不截?cái)嗍芰︿摻睢?/p>

錨桿發(fā)揮作用后，能降低跨中彎矩和支座反向彎矩，總體改善閘底板受力，但錨桿受力后，底板部分鋼筋出現(xiàn)附加拉應(yīng)力。為消除不利影響，可將錨桿抗滑方案與門后閘底板填平方案結(jié)合使用，同時(shí)進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)底板。

（2）底板鉆孔會(huì)不會(huì)引起滲透破壞？閘墩之間閘底板上的鉆孔，其滲徑較短，水平約39.0m，垂直約3.5m，地下輪廓線投影總長度L=42.5m。運(yùn)行期最大水位差△H=6.0m（設(shè)計(jì)工況，H上=13.50m、H下=7.5m）。閘底板、上游護(hù)坦位于棕黃夾灰色粉質(zhì)黏土上，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001表4.3.2，取允許滲徑系數(shù)值［C］=3。計(jì)算滲徑系數(shù)C=L/△H=7.08，大于允許滲徑系數(shù)值，鉆孔處防滲長度滿足規(guī)范要求，不會(huì)出現(xiàn)滲透破壞。

（3）如何防止錨具前滑？錨桿斜向設(shè)置，錨具收到向前的拉力，為防止錨具前滑，應(yīng)先采用鋼筋混凝土填平閘底板，將錨具預(yù)埋好，28 d后再張拉錨桿，最后采用混凝土封閉錨具。

4 結(jié)語

4.1 錨桿法阻滑效果良好

（1）加固全面。能恢復(fù)工程原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證各種工況下閘身抗滑安全。

（2）補(bǔ)強(qiáng)底板。多年來為埋設(shè)測壓管、滲壓計(jì)，閘底板鉆孔41個(gè)，且相對(duì)集中，截?cái)嗍芰︿摻钊舾?，危害極大。將錨桿抗滑方案與門后閘底板填平方案結(jié)合使用，能改善閘底板受力，消除測壓管、滲壓計(jì)設(shè)置帶來的危害。

（3）無需導(dǎo)流。不構(gòu)筑施工圍堰，可利用泄洪、過流間隙施工。

（4）投資不大。與上游構(gòu)筑圍堰后補(bǔ)強(qiáng)底板、閘身壓載方案相比，所需費(fèi)用較小。

4.2 錨桿法阻滑意義重大

（1）有利于工程效益正常發(fā)揮和進(jìn)一步提升。工程加固改造后，恢復(fù)了工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，消除了地基土不確定性、抗滑穩(wěn)定不可靠的疑慮，可放心控制運(yùn)用。

目前淮河入海水道二期工程已開工建設(shè)，淮河干流入湖段裁彎取直箭在弦上，洪澤湖綜合治理卓有成效，倘三河閘完成加固改造，提高洪澤湖正常蓄水位的主要工程條件已經(jīng)具備，若國家批準(zhǔn)抬高洪澤湖正常蓄水位，將帶來巨大的水資源效益和生態(tài)效益。

（2）有利于延長工程使用壽命。三河閘選址科學(xué)，地質(zhì)良好；設(shè)計(jì)縝密，結(jié)構(gòu)精巧；施工精湛，質(zhì)量優(yōu)良；目前變形不大，碳化輕微，安全鑒定為一類工程，運(yùn)行70年安全無事故。三河閘是1949年中華人民共和國建國初期的巨大工程，蘊(yùn)含著前輩們精雕細(xì)琢、精打細(xì)算的時(shí)代精神和人文精神，是寶貴的物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富。三河閘有一定病害，但可防可治，只要適當(dāng)加固改造，無需太大投入，即能還其活力，煥發(fā)青春。愿三河閘百年屹立，經(jīng)久不衰。