淡江河泵閘安全性態(tài)分析

梁景奇

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

1 工程概況

淡江河泵閘，又名李巷泵閘，位于嘉定區(qū)真新街道，泵閘所在河道為淡江河，外河為新槎浦，泵閘室距離新槎浦約40.0 m，主要功能為防洪、排澇及水資源調(diào)度[1]。

淡江河泵閘于2015年竣工，工程為Ⅲ等工程，主要建筑物為3級(jí)，結(jié)構(gòu)型式為“泵室+閘室”，泵站設(shè)計(jì)流量6 m3/s，配備雙向運(yùn)行潛水貫流泵，單泵設(shè)計(jì)流量為3 m3/s，配套電機(jī)功率160 kW，總裝機(jī)功率320 kW。閘門為4.0 m寬平面鋼閘門，采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)[1]。泵閘順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度依次為：內(nèi)河防沖槽5.0 m、內(nèi)河海漫段12.0 m、內(nèi)河消力池9.0 m、泵閘室15.0 m、外河消力池10.0 m、外河海漫段15.0 m、外河防沖槽5.0 m，總長(zhǎng)度71.0 m。泵閘垂直水流方向?qū)挾?2.9 m，其中節(jié)制閘閘孔凈寬4.0 m，邊墩及與泵室之間隔墩均寬0.80 m；泵室凈寬5.4 m，邊墩厚0.8 m。閘室采用低堰底板，堰頂高程0.5 m，與內(nèi)河河底齊平，堰頂寬3.0 m，兩側(cè)以坡度1∶3.0至-0.3 m高程，堰高0.8 m，閘底板底高程-1.5 m。泵室底板頂高程-0.7 m，底板底高程-1.5 m，泵室內(nèi)底板厚0.8 m，泵室外底板與閘室底板保持一致，厚1.2 m。

淡江河泵閘自2015年建成投入運(yùn)行，為保證該泵閘能夠安全運(yùn)行，繼續(xù)發(fā)揮工程效益，有必要分析研究其安全狀態(tài)情況，確定其安全類別[2-3]，為管理單位安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

2 土建結(jié)構(gòu)安全分析

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度分析

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)泵閘部位混凝土結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，本次采用回彈兼取芯修正的方法對(duì)內(nèi)河翼墻、閘墩、泵室側(cè)墻、控制室柱混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)[4]。本次混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 混凝土構(gòu)件抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

由表1可知，采用回彈兼取芯修正的方法測(cè)得南側(cè)排架柱、北側(cè)排架柱、泵室西側(cè)墻、南側(cè)閘墩、南側(cè)消力池?fù)鯄?、泵室東側(cè)墻、北側(cè)閘墩、工作橋梁的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值分別為32.7 MPa、32.4 MPa、32.3 MPa、33.1 MPa、32.9 MPa、32.5 MPa、36.8 MPa、31.1 MPa。所測(cè)構(gòu)件部位的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，也滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)有關(guān)混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)要求[5]。

2.2 混凝土保護(hù)層厚度及鋼筋間距分析

混凝土保護(hù)層厚度采用鋼筋定位儀進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)依據(jù)《混凝土中鋼筋檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 152—2019)中混凝土保護(hù)層厚度的測(cè)試方法進(jìn)行，利用鋼筋定位儀直接量測(cè)混凝土中的鋼筋保護(hù)層厚度，并做好標(biāo)記，采用鋼卷尺量測(cè)鋼筋間距。本次混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度及鋼筋間距檢測(cè)成果見(jiàn)表2。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度及鋼筋間距檢測(cè)成果

由上述檢測(cè)成果、泵閘竣工圖及有關(guān)規(guī)范可知，抽檢部位的混凝土保護(hù)層厚度和豎向鋼筋間距基本上都符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，只有泵閘閘墩鋼筋保護(hù)層厚度不滿足規(guī)范的要求。

2.3 混凝土碳化深度分析

采用沖擊電鉆，在抽測(cè)部位打一個(gè)深度約15 mm的小孔，清除孔洞中的粉末和碎屑，并立即用濃度為1%的酚酞酒精溶液噴灑在孔洞內(nèi)壁，然后用游標(biāo)卡尺測(cè)量表面至深層不變色、有代表性的交界處的距離即為混凝土碳化深度。

由檢測(cè)成果可知，抽檢的外河側(cè)消力池?fù)鯄Α⑴偶苤?、閘室、閘墩、工作橋混凝土碳化深度均小于混凝土保護(hù)層厚度，鋼筋處于混凝土的堿性保護(hù)之中，不易銹蝕；電位-200～-350 mV?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)排架柱、閘室、閘墩、工作橋鋼筋剝開(kāi)驗(yàn)證，鋼筋未發(fā)現(xiàn)銹蝕。

2.4 土建結(jié)構(gòu)病害分析

采用目測(cè)、尺量等方法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量狀況，檢測(cè)結(jié)果如下。

(1)外河側(cè)翼墻。南、北兩側(cè)翼墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)較明顯的缺棱掉角、蜂窩、孔洞、裂縫等質(zhì)量缺陷，兩側(cè)翼墻與流道分縫內(nèi)止水材料未發(fā)現(xiàn)破損脫落現(xiàn)象。

(2)閘站段。兩側(cè)排架柱未發(fā)現(xiàn)混凝土有破損及露筋現(xiàn)象；南、北兩側(cè)閘墩表面未發(fā)現(xiàn)有混凝土破損及露筋現(xiàn)象；工作橋內(nèi)、外河側(cè)板表面及板底均未發(fā)現(xiàn)混凝土有破損及露筋現(xiàn)象，護(hù)欄完好；控制室地面鋪設(shè)地板磚，表面及板底均未發(fā)現(xiàn)有破損，墻體未發(fā)現(xiàn)有裂縫及滲水現(xiàn)象。

(3)內(nèi)河側(cè)翼墻。內(nèi)河兩側(cè)翼墻混凝土表面未發(fā)現(xiàn)有破損及露筋現(xiàn)象。兩側(cè)翼墻與流道側(cè)分縫處止水材料未發(fā)現(xiàn)有破損及脫落現(xiàn)象。

2.5 土建檢測(cè)結(jié)果分析

綜合上述檢測(cè)成果可知，淡江河泵閘混凝土結(jié)構(gòu)及內(nèi)外側(cè)翼墻均較為完好，未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，現(xiàn)狀滿足運(yùn)行要求。

3 金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)電安全檢測(cè)分析

(1)水閘鋼閘門安全復(fù)核為基本安全，閘門整體外觀良好，表面涂層基本完好；閘門面板側(cè)水下部分局部可見(jiàn)輕微銹蝕；滑輪局部可見(jiàn)涂層起殼脫落，滾輪外觀一般，表面可見(jiàn)老化銹蝕，運(yùn)行時(shí)滾輪均無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)；閘門側(cè)止水壓板螺栓表面有輕微銹蝕現(xiàn)象，兩側(cè)及底部止水橡皮可見(jiàn)老化龜裂；閘門表面涂層基本完好，水下部分局部可見(jiàn)少量銹斑；閘門門體的防腐層總厚度不滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求；焊縫外觀及焊縫內(nèi)部質(zhì)量抽檢結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)范要求。

(2)水閘為單路永久供電，無(wú)備用電源；水閘工作閘門啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻、運(yùn)行時(shí)三相電流均符合規(guī)范要求，運(yùn)行噪聲偏大，不符合規(guī)范要求；泵站啟閉機(jī)的絕緣電阻、直流電阻及吸收比均符合相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求；所有線路均接線可靠，無(wú)亂拉亂接，超荷載工作等現(xiàn)象；泵閘無(wú)自動(dòng)控制系統(tǒng)，未設(shè)置監(jiān)控設(shè)備。

經(jīng)對(duì)淡江河泵閘閘門、啟閉機(jī)檢測(cè)分析，啟閉機(jī)性能狀態(tài)符合要求；閘門外觀總體符合要求，焊縫探傷、涂層厚度、鋼板厚度均符合要求，但閘門門體的防腐層總厚度不滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

4 安全復(fù)核計(jì)算分析

本次淡江河泵閘安全復(fù)核計(jì)算主要包括：防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、滲流安全復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全復(fù)核及抗震安全復(fù)核[6]。

4.1 復(fù)核計(jì)算依據(jù)

根據(jù)特征水位，淡江河泵閘室穩(wěn)定計(jì)算水位組合見(jiàn)表3。

表3 泵閘室整體穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算水位組合

泵閘室防滲計(jì)算水位組合取整體穩(wěn)定計(jì)算水位組合中水頭差最大的組合。滲流計(jì)算水位組合見(jiàn)表4。

表4 泵閘室滲流穩(wěn)定計(jì)算水位組合 m

計(jì)算考慮的荷載為結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載等。揚(yáng)壓力為滲透壓力和浮托力之和，滲透壓力值采用前述滲流計(jì)算成果，浮托力考慮下游水位的影響。上游水壓力計(jì)算時(shí)考慮止水的影響，止水以上按靜水壓力考慮，止水以下按揚(yáng)壓力計(jì)算。

該泵閘所處地區(qū)動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，相當(dāng)于地震基本烈度取7度。

4.2 安全復(fù)核分析成果

(1)防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核分析。淡江河泵閘為Ⅲ等工程，主要水工建筑物為3級(jí)。主要水工建筑物防洪高程復(fù)核如表5。

表5 淡江河泵閘閘頂高程和堤頂計(jì)算成果

根據(jù)表5可知，淡江河泵閘內(nèi)外河側(cè)翼墻、閘門頂高程、堤頂高程均滿足規(guī)范要求。

(2)滲流安全復(fù)核分析。本次泵閘滲流穩(wěn)定復(fù)核采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算，各滲流段阻力系數(shù)計(jì)算參數(shù)、阻力系數(shù)計(jì)算值及各段水力坡降如表6。

表6 淡江河泵閘地下滲流段阻力系數(shù)計(jì)算參數(shù)及阻力系數(shù)

淡江河泵閘基底位于③層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，塑性指標(biāo)<17，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)6.0.4條規(guī)定[7]：水平段允許滲透坡降為0.25～0.35，出口段允許滲透坡降為0.50～0.60。由計(jì)算結(jié)果可以看出，水平段和出口段滲透坡降均滿足規(guī)范要求。

(3)結(jié)構(gòu)安全復(fù)核分析。根據(jù)《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 214—2015)，結(jié)構(gòu)安全復(fù)核包括穩(wěn)定與結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核，以及消能防沖復(fù)核。穩(wěn)定計(jì)算成果如表7。

表7 泵閘穩(wěn)定計(jì)算成果匯總

根據(jù)竣工圖及地勘報(bào)告，淡江河泵閘基底位于③層的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地基承載力特征值為55.00 kPa，采用水泥攪拌樁(φ600 mm，L=7 m，間距1.2 m)對(duì)地基進(jìn)行了處理，采用復(fù)合地基對(duì)地基承載力進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，處理后地基承載力特征值為101.35 kPa。綜上所述，該泵閘平均基底應(yīng)力、最大基底應(yīng)力、基底不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定及抗浮穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。泵閘消能防沖復(fù)核成果見(jiàn)表8。

表8 泵閘消能防沖復(fù)核成果

根據(jù)表8可知，外河側(cè)的最大消能工長(zhǎng)度為8.48 m，內(nèi)河側(cè)最大消能工長(zhǎng)度為7.32 m，最大消力池底板厚度為0.29 m、最大沖刷深度為0.76 m。因?qū)嶋H外河側(cè)消力池長(zhǎng)10.0 m，內(nèi)河側(cè)消力池長(zhǎng)9.0 m，內(nèi)外河側(cè)消力池厚度0.7 m、防沖槽深度1.0 m，故消能防沖能力滿足要求。

本次泵閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力復(fù)核運(yùn)用ABAQUS三維有限元軟件進(jìn)行分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖1～圖2。泵閘承載能力復(fù)核計(jì)算成果如表9。

圖1 泵閘室三維簡(jiǎn)化模型圖

圖2 泵閘室三維有限元模型圖

表9 泵閘承載能力復(fù)核計(jì)算成果

根據(jù)表9查知，泵閘底板和閘墩配筋滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)《水閘安全評(píng)定導(dǎo)則》、《水閘安全鑒定管理辦法》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合上述分析結(jié)果知，淡江河泵閘運(yùn)用指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程存在一定損壞，經(jīng)大修后，可達(dá)到正常運(yùn)行，故評(píng)定該泵閘為二類閘。

(2)根據(jù)上述安全評(píng)價(jià)分析結(jié)論，建議對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防碳化處理；對(duì)鋼閘門進(jìn)行重新防腐，對(duì)攔污柵進(jìn)行防腐處理；對(duì)節(jié)制閘啟閉機(jī)進(jìn)行維修；建議配備備用電源，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行更新改造。