荊山湖退洪閘質(zhì)量檢測(cè)與結(jié)構(gòu)安全復(fù)核分析

張 龍

（安徽省茨淮新河工程管理局,安徽 蚌埠 233000）

1 工程概況

荊山湖行蓄洪區(qū)位于懷遠(yuǎn)縣境內(nèi),面積72.1 km2,耕地8.6萬畝。荊山湖行洪區(qū)的運(yùn)用,對(duì)降低淮南至蚌埠水位,確保淮北大堤以及蚌埠、淮南城市圈堤的防洪安全發(fā)揮著重要作用。為靈活、有效地控制荊山湖行蓄洪區(qū),加強(qiáng)對(duì)淮河洪水的調(diào)度,2003年水利部淮河水利委員會(huì)批復(fù)同意興建荊山湖行蓄洪區(qū)退洪閘工程。荊山湖退洪閘是荊山湖行蓄洪區(qū)治理改造工程項(xiàng)目之一,工程于2004年2月10日開工,2006年汛前完工。2006年8月28日通過了投入使用驗(yàn)收,2007年4月8日通過水利部組織的竣工驗(yàn)收,工程正式投入運(yùn)行。

該退洪閘為鋼筋混凝土開敞式水閘,工程等級(jí)為大（2）型水閘,其主要建筑物為2級(jí),次要建筑物為3級(jí),堤防級(jí)別為3級(jí),臨時(shí)建筑物為4級(jí)。閘室主要部位均為C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)19 m,閘室總寬度為340.6 m。閘墩采用鋼筋混凝土實(shí)心結(jié)構(gòu),中墩厚1.4 m,邊墩厚1.2 m。閘底檻高程為17.0 m,閘頂高程25.8 m。閘門為直升式露頂平板定輪鋼閘門,共30孔,單孔凈寬10 m。水閘設(shè)計(jì)流量為3500 m3/s,反向進(jìn)洪流量2000 m3/s,設(shè)計(jì)退水流量1000 m3/s。設(shè)計(jì)防洪水位23.85 m,校核洪水位24.35 m。閘室底板為兩孔一聯(lián)分縫的分離式底板型式,大底板厚1.5 m,小底板厚1.2 m,大小底板間設(shè)搭接縫,縫間設(shè)橡皮止水。閘室2#、4#、27#、29#孔為單孔大底板。啟閉機(jī)臺(tái)布置在閘室下游,頂面高程為35.9 m,啟閉機(jī)大梁支撐于排架上,啟閉機(jī)臺(tái)上設(shè)啟閉機(jī)房,凈高4.5 m、寬均為5.2 m,橋面凈寬6 m,橋面高程25.8 m,兩側(cè)各設(shè)寬0.5 m的護(hù)輪緣石。荊山湖退洪閘全景見圖1。

圖1 荊山湖蓄洪區(qū)退洪閘上游全景

圖2 荊山湖退洪閘閘門金屬結(jié)構(gòu)

鑒于荊山湖退洪閘運(yùn)行多年以來,尚未進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和安全鑒定分析。因此,根據(jù)水利部《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）[1]及《水閘安全鑒定管理辦法》（水建管［2008］214號(hào)）等規(guī)范、規(guī)程要求,需對(duì)荊山湖退洪閘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)報(bào)告和工程復(fù)核計(jì)算分析。及時(shí)復(fù)核閘頂高程、過流能力、消能防沖、建筑物穩(wěn)定和構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全等方面,以此評(píng)價(jià)工程的安全運(yùn)行狀態(tài)。

2 工程地質(zhì)條件

荊山湖退洪閘閘基中上部為近期河湖相沖、淤積地層。主要有：第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Qal～pl）,具體為灰色淤積、淤泥質(zhì)粘性土、①層灰黃～灰色輕粉質(zhì)壤土、②層棕紅～灰黃色重粉質(zhì)壤土、③層灰色重粉質(zhì)壤土、④層灰黃～灰色中粉質(zhì)壤土、⑤層稍密狀細(xì)砂,下伏下遠(yuǎn)古界（Pt1）混合花崗巖。

勘探深度范圍內(nèi)揭露地層主要為近期河湖相沖、淤積地層,上部為重～中粉質(zhì)壤土層,局部夾輕粉質(zhì)壤土和砂壤土夾層,中部為細(xì)砂層,下部為粉質(zhì)粘土及花崗巖風(fēng)化層。地下水主要以孔隙水的形式賦存于閘基地層中。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,閘基主要地層的透水性分為以下幾個(gè)級(jí)別：

①層輕粉質(zhì)壤土,局部夾有粉土,其滲透系數(shù)為1.00×10-4cm/s～6.00×10-4cm/s,具中等透水性。

②層重粉質(zhì)壤土,局部近粘土,其滲透系數(shù)為1.00×10-6cm/s～1.00×10-5cm/s,以微透水性為主,局部具弱透水性。

③層重粉質(zhì)壤土,局部為粉質(zhì)粘土,其滲透系數(shù)為5.00×10-6cm/s～2.00×10-5cm/s,具微透水性。

④層中粉質(zhì)壤土,其上部多夾重粉質(zhì)壤土,下部多夾輕粉質(zhì)壤土,其滲透系數(shù)為2.00×10-5cm/s～7.00×10-5cm/s,具弱透水性。

⑤層細(xì)砂,局部為中砂,其滲透系數(shù)為5.00×10-3cm/s～2.00×10-2cm/s,以中等透水性為主,局部具強(qiáng)透水性。

3 工程質(zhì)量檢測(cè)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),荊山湖退洪閘閘門表面防腐良好,無大面積銹蝕及銹坑,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具備的檢測(cè)條件,使用HCC-24型電腦涂層測(cè)厚儀測(cè)量閘門門體防腐涂層總厚度[2-4],檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 閘門門體防腐涂層總厚度檢測(cè)結(jié)果

以上結(jié)果說明閘門表面防腐良好,無大面積銹蝕及銹坑,抽檢的6扇閘門防腐涂層總厚度檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)圖紙及《水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL/T 5018-2004）的技術(shù)要求。

閘門門體無明顯變形及扭曲的現(xiàn)象,面板、主梁、縱梁等主要構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)碰撞變形, 閘門表面局部略有銹蝕；焊縫及其熱影響區(qū)無異常變化；吊耳無變形及開裂；止水橡皮外觀良好,無明顯磨損、老化、開裂、破損等現(xiàn)象,止水橡皮壓板固定用螺栓表面銹蝕；滾輪表面銹蝕,未發(fā)現(xiàn)軸孔磨損變形；軌道埋件無明顯銹蝕；檢修閘門外觀正常,無明顯變形及銹蝕。

4 工程復(fù)核計(jì)算

在現(xiàn)有工程技術(shù)資料的基礎(chǔ)上,以檢查觀測(cè)資料和安全檢測(cè)成果為依據(jù),按照水利水電工程各專業(yè)現(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范和規(guī)定的要求,對(duì)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算[5-10]。本次復(fù)核計(jì)算主要內(nèi)容包括：（1）過流能力復(fù)核；（2）消能防沖復(fù)核；（3）抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核；（4）整體穩(wěn)定性復(fù)核。

4.1 過流能力復(fù)核

荊山湖退洪閘共30孔,每孔凈寬10.0 m,閘室總寬340.6 m。水閘底檻高程為17.0 m,閘頂高程為25.8 m,閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)19.0 m,中墩厚1.4 m。荊山湖退洪閘具有多種運(yùn)行條件,過流能力復(fù)核由設(shè)計(jì)水位：湖內(nèi)側(cè)24.00 m,下游23.85 m,設(shè)計(jì)過閘流量3500 m3/s。

本工程行洪工況下,考慮下游水深與計(jì)入行進(jìn)流速的上游總水頭之比大于0.9（即：hs/H0＞0.9）,該堰流處于高淹沒度,過流能力復(fù)核可按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為過閘流量,m3/s；B0為閘孔凈寬,m；μ0為淹沒堰流的綜合流量系數(shù)；hs為由堰頂算起的下游水深,m；H0為計(jì)入行進(jìn)流速水頭的上游水深,m。

過閘流量計(jì)算成果見表2。由計(jì)算結(jié)果可知,閘門現(xiàn)狀復(fù)核流量為5516 m3/s,大于原設(shè)計(jì)流量3500 m3/s,說明閘門過流能力滿足要求。

表2 過流能力計(jì)算成果

4.2 消能防沖復(fù)核

荊山湖退洪閘采用綜合式消力池,反向進(jìn)洪條件下湖內(nèi)側(cè)高程17.0 m,淮河側(cè)23.85 m,設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量2000 m3/s；退水條件下湖內(nèi)側(cè)24.00 m,淮河側(cè)22.5 m,退水流量1000 m3/s。消力池深度計(jì)算公式如下：

式中：d為消力池深,m；σ0為水躍淹沒系數(shù),可取1.05～1.10；q為過閘單寬流量,m3/（s·m）；T0為總勢(shì)能,m；hc為收縮水深,m；a為水流動(dòng)能校正系數(shù),取a =1；Φ為流速系數(shù),取Φ=0.95；hc''為躍后水深,m；ΔZ為出池落差,m；hs'為出池河床水深,m。

消能防沖計(jì)算結(jié)果見表3。分析可知,反向進(jìn)洪及退水工況下消力池長(zhǎng)度、池深、底板厚度及海漫長(zhǎng)度計(jì)算值均小于現(xiàn)狀值,均滿足規(guī)范要求,說明閘門消能防沖設(shè)施現(xiàn)狀滿足要求。

4.3 抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核

荊山湖退洪閘防滲體由上游鋪蓋、多頭小直徑截滲墻、閘室底板及消力池構(gòu)成,合計(jì)防滲長(zhǎng)度68.6 m。滲徑復(fù)核時(shí),取上下游最大水位差,即防洪校核水位,湖內(nèi)側(cè)17.0 m,淮河側(cè)24.35 m,所需防滲長(zhǎng)度為L(zhǎng)=4×（24.35-17.0）=29.4 m,現(xiàn)狀閘基防滲長(zhǎng)度為68.6 m,閘基防滲長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求。

規(guī)范要求水閘水平段和出口段的滲流坡降必須小于規(guī)定的水平段和出口段允許滲流坡降值,水平段和出口段的滲流坡降計(jì)算結(jié)果見表4。允許滲透坡降按壤土取值。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》,滲流出口處設(shè)反濾時(shí),允許滲透坡降值可增大30%。

表4 地基土滲透安全復(fù)核結(jié)果

從上述滲透計(jì)算結(jié)果可知,閘基水平段和出口段滲流坡降值分別為0.007和0.138,均小于規(guī)范允許值,滿足規(guī)范要求。

4.4 閘室整體穩(wěn)定性復(fù)核

荊山湖退洪閘的閘室均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板順?biāo)飨蜷L(zhǎng)19 m,閘底板為分離式結(jié)構(gòu),大底板厚1.5 m,小底板厚1.2 m,中墩厚1.4 m,公路橋布置在閘上側(cè),啟閉機(jī)房布置在閘下側(cè)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,選取一跨大底板作為計(jì)算單元進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。閘室穩(wěn)定計(jì)算荷載包括自重、水重、水壓力、風(fēng)浪壓力、滲透壓力等。退洪閘閘底板座落在表層重粉質(zhì)壤土上,本次計(jì)算確定閘底板與地基之間的摩擦系數(shù)為0.3。閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3。

圖3 荊山湖退洪閘閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：mm）

在各種計(jì)算情況下,閘室平均基底應(yīng)力不大于地基允許承載力,最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力的1.2倍；閘室基底應(yīng)力的最大值與最小值之比,基本組合不大于2.00,特殊組合不大于2.50；閘室基底應(yīng)力按下式計(jì)算：

閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表5。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果：各工況下基底壓應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。完建期閘室平均基底應(yīng)力均大于天然地基允許承載力,由于地基已采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行加固,加固后閘室穩(wěn)定可以滿足規(guī)范要求。

各工況下閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算見表6。從表中的結(jié)果可以看出,各個(gè)工況下,計(jì)算安全系數(shù)分別為1.52、1.34和2.88,均大于允許安全系數(shù),閘室抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

表6 閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

5 結(jié)論

本文以荊山湖行蓄洪區(qū)退洪閘安全鑒定工程為例,首先對(duì)該閘門金屬結(jié)構(gòu)和土建部分進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè),之后從過流能力、消能防沖、抗?jié)B穩(wěn)定性以及閘室整體穩(wěn)定性等方面對(duì)閘門結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核計(jì)算分析,最終得到以下結(jié)論供閘門安全鑒定參考：

（1）閘門整體外觀正常,無明顯變形,焊縫及其熱影響區(qū)無異常變化,滾輪表面和螺栓表面局部略有銹蝕；

（2）閘門現(xiàn)狀復(fù)核流量為5516 m3/s,大于原設(shè)計(jì)流量3500 m3/s,閘門過流能力滿足要求；

（3）各工況下消力池長(zhǎng)度、池深、底板厚度及海漫長(zhǎng)度計(jì)算值均小于現(xiàn)狀值,閘門消能防沖設(shè)施現(xiàn)狀滿足要求；

（4）閘基水平段和出口段滲流坡降值分別為0.007和0.138,小于規(guī)范允許值,閘基滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；

（5）各個(gè)工況下閘室穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.52、1.34和2.88,均大于允許安全系數(shù),閘室抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。