渾河攔河閘除險(xiǎn)加固閘首段結(jié)構(gòu)分析

劉越

（遼寧省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 工程概況

渾河攔河閘共22孔，堰型為寬頂堰，單孔高8.2 m、寬10 m，閘底板高程31.5 m，閘總寬255.07 m。各孔均設(shè)有弧形鋼閘門(mén)及固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，閘門(mén)高4 m，寬10.0 m。根據(jù)工程等別、建筑物級(jí)別及洪水標(biāo)準(zhǔn)，渾河閘樞紐工程等別應(yīng)為Ⅰ等，主要水工建筑物為1級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇，并能通過(guò)500年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水。

2 渾河攔河閘穩(wěn)定分析

2.1 基本條件

攔河閘閘首段坐落在砂礫石基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，其基礎(chǔ)的物理力學(xué)指標(biāo)為：內(nèi)摩擦角φ值取33°、C值取0；混凝土與基礎(chǔ)砂礫石之間摩擦系數(shù)f取0.40；地基允許承載力為360 kPa?；炷寥葜豶c為偏于安全，按2.40 t/m3計(jì)取、水的容重rW按1.00 t/m3計(jì)取。每孔單扇閘門(mén)重量7.7 t，啟閉力為2×50 kN。根據(jù)2001年《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，樞紐區(qū)地震基本烈度為7度。

渾河攔河閘為1級(jí)建筑物，土基上沿閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值：基本荷載組合時(shí)K=1.35；特殊荷載組合時(shí)K=1.20；考慮地震情況K=1.10。

2.2 設(shè)計(jì)工況及力學(xué)指標(biāo)選用

1）計(jì)算工況

a）完建期。工程完成后尚未擋水運(yùn)行，上下游均無(wú)水，此時(shí)僅兩側(cè)邊墩承受側(cè)向土壓力，沒(méi)有整體穩(wěn)定問(wèn)題。

b）正常擋水位。完建后正常運(yùn)行，最不利工況為閘上游水位達(dá)到正常擋水為36.00 m，下游河道水位與河床持平，上游來(lái)水全部被渾沙、渾蒲兩閘引走，穩(wěn)定分析閘后計(jì)算水位為一級(jí)消力池水位。

Supplementary information is available for this paper at https://doi.org/10.29026/oea.2018.170001

c）正常擋水位的運(yùn)行工況遭遇地震，考慮水平地震力的不利條件。

d）在遭遇設(shè)計(jì)和校核水時(shí)，閘門(mén)全部開(kāi)啟泄流，而此時(shí)上下游水位差別遠(yuǎn)小于正常擋水運(yùn)行工況，不為穩(wěn)定分析中的控制工況。

綜上，整體穩(wěn)定分析計(jì)算中僅需對(duì)a）、b）兩種工況進(jìn)行計(jì)算。

2）計(jì)算單元

根據(jù)攔河閘整體結(jié)構(gòu)布置，每?jī)煽自O(shè)一結(jié)構(gòu)分縫，穩(wěn)定分析中以二孔作為一計(jì)算單元。

3）力學(xué)指標(biāo)選取

根據(jù)底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面圖，閘底板順河道方向的首、末端設(shè)有深1.0 m深的齒槽，當(dāng)閘體擋水受力后滑動(dòng)面為兩種情況：由于齒槽的作用，滑動(dòng)面為上、下游齒底的連線，此時(shí)的力學(xué)指標(biāo)應(yīng)取為內(nèi)摩擦角φ值為33°；齒槽剪斷，底板與基礎(chǔ)之間為滑動(dòng)面，此時(shí)穩(wěn)定分析用力學(xué)指標(biāo)應(yīng)為混凝土與基礎(chǔ)砂礫石之間摩擦系數(shù)，但應(yīng)考慮齒槽的抗剪作用。

在實(shí)際穩(wěn)定分析計(jì)算中，為偏于安全考慮，忽略了齒槽的抗剪作用，簡(jiǎn)化為沿底板與基礎(chǔ)間滑動(dòng)，但其結(jié)果隱含有較大的安全儲(chǔ)備。攔河閘在不利的各個(gè)工況下均能滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 攔河閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3 閘室基底應(yīng)力計(jì)算

除穩(wěn)定分析中的各種工況外，基底應(yīng)力計(jì)算應(yīng)考慮閘門(mén)動(dòng)水開(kāi)啟的工況，即在正常擋水時(shí)，上游遭遇強(qiáng)降水或下游河道急需用水時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟放流，此時(shí)垂直荷載增加有啟閉力，亦應(yīng)考慮該部分荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

按有關(guān)規(guī)范要求，在各種計(jì)算情況下，土基上的閘室平均基底應(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)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 攔河閘閘室基底應(yīng)力計(jì)算成果表

根據(jù)表2計(jì)算成果，在各種工況下基礎(chǔ)承載力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 閘墩應(yīng)力分析

計(jì)算中選取的計(jì)算單元與穩(wěn)定分析一致，計(jì)算兩類(lèi)單元：帶有邊墩的單元；帶有縫墩的單元。閘墩結(jié)構(gòu)尺寸：孔口凈寬9.6 m、邊墩厚1.4 m、縫墩厚1.2 m、中墩寬1.8 m、墩長(zhǎng)19.7 m、墩高8.64 m。

閘墩的主要荷載是結(jié)構(gòu)自重（包括上部結(jié)構(gòu)的重量）、水推力、土壓力、啟閉力及地震慣性力。

分析計(jì)算工況為：正常擋水位（36.0 m）閘門(mén)全關(guān)；正常擋水位（36.0 m）時(shí)閘門(mén)開(kāi)啟;正常蓄水位（36.0 m）+地震閘門(mén)全關(guān)；一孔檢修（檢修期水位為32.0 m），另一側(cè)邊墩擋土。

閘墩應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 攔河閘閘墩應(yīng)力計(jì)算成果表 t/m2

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，邊墩在檢修期時(shí)墩底面有拉應(yīng)力產(chǎn)生，需按計(jì)算配置鋼筋，其余閘墩墩底面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，但需按構(gòu)造配置鋼筋。

5 滲透穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算水閘水平段和出口段滲透坡降。由于滲透坡降的計(jì)算主要與上下游水位差有關(guān)，而在校核水位和設(shè)計(jì)水位時(shí)，上、下游水位差遠(yuǎn)小于正常擋水的工況，因此，滲穩(wěn)分析計(jì)算的不利工況為正常擋水位工況。

土基上水閘的地基有效深度選用判斷計(jì)算公式為：

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(zhǎng)度，m；S0——地下輪廓的垂直投影長(zhǎng)度，m。

當(dāng)計(jì)算的Te值大于地基實(shí)際深度時(shí)，Te值應(yīng)按地基實(shí)際深度采用；Te值小于或等于地基實(shí)際深度時(shí)，采用計(jì)算值。該結(jié)構(gòu)L0=19.5 m，S0=2.5 m，L0/S0為7.8，遠(yuǎn)小于實(shí)際覆蓋層厚度，應(yīng)按0.5倍的L0計(jì)取，為9.75 m。

滲透穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 攔河閘滲透穩(wěn)定計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算閘基出口及水平段滲透坡降均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

1）攔河閘在各種工況下整體穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有較大的安全余度。

2）攔河閘在各種工況下基礎(chǔ)承載力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3）邊墩在檢修期時(shí)墩底面有拉應(yīng)力產(chǎn)生，需按計(jì)算配配置鋼筋，其余工況閘墩墩底面均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，僅需按構(gòu)造配置鋼筋。

4）閘基出口及水平段滲透坡降均滿(mǎn)足規(guī)范要求。