改進(jìn)阻力系數(shù)法驗(yàn)算閘基抗?jié)B穩(wěn)定性分析

李嬋娟，林強(qiáng)，于軍國，吳曉磊

（1.北京市密云水庫管理處，北京 101512；2.北京市密云區(qū)水務(wù)局，北京 101500）

關(guān)鍵字：閘基；抗?jié)B穩(wěn)定性；改進(jìn)阻力系數(shù)法；閘室穩(wěn)定計(jì)算

0 引 言

密云水庫是一座以防洪、供水為主要功能的多年調(diào)節(jié)大型水利樞紐，總庫容43.75億m3，為華北地區(qū)最大的水庫，按千年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，萬年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，主要建筑物包括兩座主壩、五座副壩、三座溢洪道、一座調(diào)節(jié)池和七條輸泄水隧洞。水庫已安全運(yùn)行近60a，累計(jì)供水384億m3，歷史最大入庫洪峰流量3670m3/s（1994年7月13日），最高庫水位153.98m，相應(yīng)蓄水量33.576億m3（1994年9月16日）。

自南水北調(diào)以來，密云水庫逐步進(jìn)入高水運(yùn)行階段，經(jīng)過安全檢查發(fā)現(xiàn)，第一溢洪道存在嚴(yán)重的安全隱患，當(dāng)庫水位超過154.00m 后，1#閘墩的抗滑穩(wěn)定性及基底應(yīng)力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，混凝土老化病害等問題突出，還存在其他建筑物混凝土碳化、裂縫和滲水等問題，采取消隱措施對工程進(jìn)行加固已經(jīng)非常必要。

密云水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為1000a 一遇洪水設(shè)計(jì)，10000a 一遇洪水校核。死水位126.0m，死庫容為4.19 億m3。主汛期限制水位152.0m，后汛期控制水位154.0m，100a 一遇防洪高水位及設(shè)計(jì)洪水位157.5m，校核洪水位158.5m，防洪庫容為9.27 億m3，調(diào)洪庫容為11.08 億m3。正常蓄水位157.5m，興利庫容為35.45 億m3。

密云水庫主要由擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物組成，包括2座主壩、5座副壩、3座溢洪道、1 座調(diào)節(jié)池、7 條輸泄水隧洞等。

1 調(diào)節(jié)池泄洪閘消隱工程特性

密云水庫第二溢洪道泄洪能力同原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)計(jì)洪水位157.50m 時泄量為3650m3/s，校核洪水位158.50m 時泄量為4250m3/s。主要建設(shè)內(nèi)容包括：改建泄槽底板及兩側(cè)1m 高邊墻共5465 ㎡，處理挑坎表面，處理混凝土結(jié)構(gòu)病害，對上游弧形翼墻及泄槽邊墻改建部位的混凝土表面進(jìn)行防碳化處理共1013 ㎡，增設(shè)門機(jī)夾軌器，增加泄槽段的水力學(xué)監(jiān)測設(shè)施。

調(diào)節(jié)池泄洪閘是泄洪的重要建筑物?！睹茉扑畮彀踩u價報(bào)告》中提出泄洪閘存在的安全隱患問題及建議是：閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積不滿足規(guī)范要求，混凝土強(qiáng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范對結(jié)構(gòu)耐久性的要求，且主要承載結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)明顯撓度變形，混凝土結(jié)構(gòu)存在各種老化病害，建議進(jìn)行徹底的除險加固。閘門和啟閉機(jī)存在嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)報(bào)廢更新。

閘室段長17.2m，上游與鋪蓋段相接，下游與消力池段相接。綜合考慮泄洪閘的泄流與擋水需求，改建閘室仍采用2 孔，單孔凈寬8m，閘孔總凈寬16.0m，設(shè)置溢流堰頂高程為88.00m，與原閘一致；同時將溢流堰更改為曲線型實(shí)用堰，提高泄流能力滿足泄洪要求。閘室中墩厚2.0m，邊墩厚1.5m，閘室總寬度21.0m，墩頂高程95.90m。溢流堰采用曲線順接下游1 : 4 坡面，溢流堰堰頂處厚5.0m，斜坡段終點(diǎn)高程82.50m。閘室采用C25W6F200 補(bǔ)償收縮混凝土。閘墩下游上部設(shè)交通橋[1-3]。

調(diào)節(jié)池泄洪閘既有建筑設(shè)計(jì)洪水位93.00m，設(shè)計(jì)洪水流量400m3/s，校核洪水位93.55m，校核洪水流量450m3/s，最高蓄水位94.00m。閘型位弧形鋼閘門，利用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)開啟，閘頂高程95.00m，閘孔尺寸為2 孔8m×6m。

2 閘基抗?jié)B穩(wěn)定分析

2.1 改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算原理

泄洪閘防滲段包括上游鋪蓋、閘室和消力池底板第一排排水孔以前部分，水平投影總長度為43.5m，其后消力池底板排水孔下部設(shè)反濾層。泄洪閘最高擋水位為94.00m，下游取消力池池底頂高程為82.50m，最大水頭差為11.5m。本次采用改進(jìn)阻力系數(shù)法驗(yàn)算閘基抗?jié)B穩(wěn)定性，計(jì)算公式如下：

式中：Te—土基上水閘的地基有效深度（m）；

L0—地下輪廓的水平投影長度（m）；

S0—地下輪廓的垂直投影長度（m）；

ξ0—進(jìn)、出口段的阻力系數(shù)；

S—齒墻的入土深度（m）；

T—地基透水層深度（m）；

ξy—內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)；

ξx—水平段的阻力系數(shù)；

Lx—水平段長度（m）

S1—進(jìn)口段齒墻的入土深度（m）；

S2—出口段齒墻的入土深度（m）；

hi—各分段水頭損失值（m）；

ξi—各分段的阻力系數(shù)；

n—總分段數(shù)；

h0—進(jìn)、出口段水頭損失值（m）；

他的身體如出膛的炮彈，猛地朝著遠(yuǎn)處那團(tuán)紅影射過去。身在空中，六只節(jié)足盤繞擰轉(zhuǎn)，合成了一柄巨大的尖錐。這柄尖錐將盤旋的黑風(fēng)撕開一道豁口，破開前方密密麻麻擁上來的骷髏頭，直射天葬師！

β'—阻力修正系數(shù)；

S'—底板埋深與齒墻入土深度之和（m）；

T'—齒墻另一側(cè)地基透水層深度（m）

2.2 閘基抗?jié)B穩(wěn)定

依據(jù)地勘資料，泄洪閘基底位于砂卵石層，由《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》可知：水平段允許滲流坡降值為0.22~0.28，出口段允許滲流坡降值為0.50~0.55；當(dāng)滲流出口處設(shè)濾層時，上述允許值可加大30%。

2.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)計(jì)算，水平段最大滲流坡降0.21，出口段滲流坡降0.53，滿足規(guī)范滲流坡降要求。此外，泄洪閘上游池底現(xiàn)狀有1m 厚黏土水平鋪蓋，堤坡現(xiàn)狀為混凝土板襯護(hù)防滲，消隱工程充分利用新舊防滲結(jié)構(gòu)做好連接。

3 閘基穩(wěn)定計(jì)算

3.1 荷載及其組合分析

閘基承受來自閘室的荷載主要包括自重、水壓力、土壓力、揚(yáng)壓力及地震荷載等，荷載效應(yīng)組合見表1。

表1 閘室荷載組合表

3.2 閘基穩(wěn)定計(jì)算

由該泄洪閘閘室地基為土基，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，土基地面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，一般由Kc 值來確定，Kc 的計(jì)算公式為：

式中：Kc為閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）；f為閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦系數(shù)，取0.4。計(jì)算成果見表2。

表2 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表

3.3 閘基穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算成果表中可以看出，閘室在不同的荷載組合狀態(tài)時，計(jì)算得到不均勻系數(shù)，根據(jù)水工建筑物規(guī)范規(guī)定的允許值，可以比較清楚的判定荷載在基本組合工況時，計(jì)算所得的不均勻系數(shù)η 最大值為1.87，小于允許不均勻系數(shù)[η]為2.5。同樣在特殊組合工況時，計(jì)算所得的不均勻系數(shù)η 最大值為1.81，也小于允許不均勻系數(shù)[η]為3.0。因而從不同工況時產(chǎn)生的荷載應(yīng)力來看，閘基穩(wěn)定是安全可靠的。

為了確保閘室穩(wěn)定，通常還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核, 閘室在不同的荷載組合狀態(tài)時，計(jì)算得到閘基抗滑安全系數(shù)值，根據(jù)水工建筑物規(guī)范規(guī)定的允許值，可以比較清楚的判定荷載在基本組合工況時，計(jì)算所得的抗滑安全系數(shù)最小值為1.40，大于抗滑安全系數(shù)[Kc]為1.25。同樣在特殊組合工況時，計(jì)算所得的抗滑安全系數(shù)最小值為1.25，也大于允許抗滑安全系數(shù)1.05。因而從不同工況時產(chǎn)生的抗滑安全性來看，閘基也是安全可靠的[4-5]。

閘基穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，閘基承載力滿足要求，閘室穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

1）調(diào)節(jié)池泄洪閘是泄洪工程項(xiàng)目的重要建筑物，基于改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算閘基抗?jié)B穩(wěn)定性是保障工程安全的重要任務(wù)，對于工程建設(shè)的安全可靠運(yùn)行意義重大。

2）閘基穩(wěn)定計(jì)算過程中，要考慮各種工況條件或者工況組合條件下，出現(xiàn)的最不利的荷載，由此作為極端應(yīng)力值來判別閘基出現(xiàn)的不均勻應(yīng)力是否超限?；窘M合工況時不均勻系數(shù)1.87，小于允許不均勻系數(shù)2.5；特殊組合工況時的不均勻系數(shù)為1.81，小于允許不均勻系數(shù)3.0，閘基抗?jié)B穩(wěn)定安全可靠。

3）閘室在不同的荷載組合狀態(tài)時，計(jì)算得到閘基抗滑安全系數(shù)值如果大于允許抗滑安全系數(shù)，則認(rèn)為閘基也是安全可靠。為此，分析閘室荷載組合狀態(tài)，在基本組合工況時抗滑安全系數(shù)為1.40，大于允許抗滑安全系數(shù)1.25；在特殊組合工況時抗滑安全系數(shù)1.25，大于允許抗滑安全系數(shù)1.05，閘基穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。