周莊套閘工程安全性態(tài)分析研究

周逢強(qiáng)，馬永法

(1.無錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫214023；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009)

0 工程概況

周莊套閘工程位于江陰市周莊鎮(zhèn)應(yīng)天河干流上，東連張家港，西接白屈港河，貫通錫澄運(yùn)河，為望虞河工程配套項(xiàng)目——望虞河西控制線上的配套建筑物，是防止望虞河泄洪入江時(shí)高水倒灌武澄錫低片的控制工程，兼有引排和通航效果。該工程由一座套閘和一座節(jié)制閘組成。工程1999年1月6日開工建設(shè)，1999年6月完成全部水下工程，拆除上下游施工圍堰，1999年10月底竣工驗(yàn)收。

周莊套閘工程呈集中布置型式，上閘首與節(jié)制閘并列布置，套閘中心線與節(jié)制閘中心線相互平行，且相距20.0 m，套閘位于河道北側(cè)。周莊套閘上下閘首凈寬12.0 m，閘室尺度為16 m×160 m；節(jié)制閘閘室凈寬10.0 m；周莊套閘上下閘首及節(jié)制閘均采用C20鋼筋混凝土U型結(jié)構(gòu)，底板頂面設(shè)計(jì)高程為0.00 m(吳淞高程，下同)，閘室墻及上下游翼墻均為漿砌塊石重力式結(jié)構(gòu)，擋墻臨水側(cè)外覆150 mm厚C20鋼筋混凝土，閘室墻墻頂和上下游翼墻高程為5.50 m，閘室及上游翼墻頂部設(shè)50 cm高防洪墻，頂高程為6.00 m。上閘首、節(jié)制閘門頂高程為5.70 m，下閘首門頂高程為4.50 m。節(jié)制閘和套閘上下閘首均采用升臥式平面鋼閘門，上下閘首采用QPQ2×16T卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，節(jié)制閘采用QPQ2×16T卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。上閘首、節(jié)制閘工作橋頂高程為12.10 m，下閘首工作橋頂高程為11.70 m。

周莊套閘工程是望虞河西控制線規(guī)模較大的重要控制工程，在防洪、排澇、航運(yùn)、引水、水環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了重大作用。該工程已運(yùn)行12年，部分結(jié)構(gòu)混凝土脹裂嚴(yán)重并且鋼筋外露，閘首、閘室及水工機(jī)械都出現(xiàn)不同程度的老化和銹蝕，為了工程的安全運(yùn)行和效益發(fā)揮，有必要對(duì)該工程進(jìn)行安全性態(tài)分析研究，確定其安全等級(jí)，為管理單位安全運(yùn)行提供依據(jù)。根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》SL214-98[1]的要求，對(duì)周莊套閘工程現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查分析，對(duì)周莊套閘工程設(shè)計(jì)施工、技術(shù)管理等進(jìn)行了探討[2]，并就周莊套閘工程管理運(yùn)用過程中存在的問題，對(duì)該工程現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)、安全復(fù)核計(jì)算的內(nèi)容提出了建議。

1 工程運(yùn)行管理評(píng)價(jià)

周莊套閘工程當(dāng)初建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，施工質(zhì)量較好，且在管理所的精心管理維護(hù)下，每次汛期都提前制定相應(yīng)的防汛應(yīng)急預(yù)案，故尚未發(fā)生過安全責(zé)任事故，現(xiàn)狀調(diào)查情況表明，工程處于較好的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)江陰市白屈港水利樞紐工程管理處提供的《周莊套閘垂直位移觀測(cè)統(tǒng)計(jì)表》可知，周莊套閘工程的平均沉降值分別為0.0150 m(2008年)、0.01244 m(2009年)和0.01152 m(2010年)。閘基較為穩(wěn)定，無異常情況。

2 土建結(jié)構(gòu)安全性態(tài)分析

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查分析報(bào)告和水閘安全鑒定的有關(guān)規(guī)定[1]，對(duì)周莊套閘工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、混凝土碳化深度、混凝土保護(hù)層厚度及結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)。檢測(cè)采用了ZC3-A型回彈儀[3]、超聲檢測(cè)儀、鉆機(jī)[2]等儀器設(shè)備，檢測(cè)方法采用現(xiàn)場(chǎng)采樣、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)的方法，得出了較為準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，最后還對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并對(duì)安全復(fù)核計(jì)算內(nèi)容提出了建議。

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性態(tài)分析

分別采用綜合回彈法[4]、鉆芯法[5]對(duì)該工程進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，各構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推薦值[6]見表1。

表1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)成果表

由表1可知，所有構(gòu)件的實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)要求，上閘首閘墩、上閘首工作橋大梁、下閘首工作橋大梁、節(jié)制閘工作橋大梁同時(shí)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；上閘首排架、下閘首閘墩、下閘首排架、上閘首翼墻、下閘首翼墻、閘室墻、節(jié)制閘閘墩、節(jié)制閘排架不滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2008)[7]有關(guān)混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)要求。

2.2 混凝土碳化深度

由檢測(cè)結(jié)果可知，該工程各構(gòu)件中閘墩的碳化深度普遍較小，碳化深度在2.5 mm～8.0 mm，排架的碳化深度較大，其中上閘首右排架的碳化深度最大，其值達(dá)26.5 mm，節(jié)制閘左排架的碳化深度也較大，其值達(dá)28.0 mm。上閘首工作橋下游側(cè)大梁碳化深度最大，其值達(dá)32 mm。

2.3 混凝土保護(hù)層

對(duì)每個(gè)構(gòu)件，根據(jù)受力主筋的走向，選擇五個(gè)點(diǎn)，用瑞士PROCEQ公司制造的SCONLOG-B型鋼筋位置測(cè)定儀測(cè)定混凝土保護(hù)層厚度?；炷帘Ｗo(hù)層厚度檢測(cè)結(jié)果見圖1。

圖1 混凝土保護(hù)層測(cè)值和碳化深度分布圖

由檢測(cè)結(jié)果可知，該工程各所測(cè)構(gòu)件的最小實(shí)測(cè)值均大于《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定》(SL191—2008)規(guī)定值和最大碳化深度；除上閘首右閘墩、節(jié)制閘左墩外，其他閘墩的實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度均小于設(shè)計(jì)值；除上閘首排架、節(jié)制閘右排架外，其他排架的實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度均小于設(shè)計(jì)值；各工作橋大梁的實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度均大于設(shè)計(jì)值；各翼墻的實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度也均大于設(shè)計(jì)值；各閘室墻的實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度也均大于設(shè)計(jì)值。

2.4 結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)病害的檢測(cè)主要是從裂縫寬度、長度、走向、位置、表面特征，混凝土是否膨脹、剝落、鋼筋是否銹蝕等幾個(gè)方面來進(jìn)行檢測(cè)并綜合判斷。

該工程各組成部分局部存在病害，主要有:①上閘首右排架上游側(cè)向近牛腿處混凝土缺失一處，范圍為5 cm×10 cm；②左閘室墻擋浪墻脹裂露筋嚴(yán)重；③右閘室墻擋浪墻普遍脹裂露筋；④上閘首上游右翼墻第三節(jié)漿砌塊石翼墻壓頂混凝土露筋嚴(yán)重；⑤下閘首與翼墻接縫處損壞；⑥上閘首右管理房滲水；⑦下閘首啟閉機(jī)房滲水嚴(yán)重；⑧周莊節(jié)制閘右排架下游牛腿露筋一處，長15 cm。

2.5 建筑物安全性態(tài)分析

由以上檢測(cè)結(jié)果可知，周莊套閘工程建筑物工作性態(tài)良好。

3 閘門與啟閉機(jī)安全性態(tài)分析

對(duì)金屬結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行了啟閉機(jī)[8]性能狀態(tài)檢測(cè)、閘門外觀檢查、閘門焊縫超聲波探傷、閘門涂層厚度檢測(cè)、啟閉機(jī)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)，從而對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體分析如下:

(1)周莊套閘的啟閉機(jī)底座良好；鋼絲繩輕微銹蝕，缺少潤滑；主動(dòng)齒輪潤滑不良；行程開關(guān)、開度指示器、制動(dòng)器與制動(dòng)轂、電動(dòng)機(jī)與減速器等均完好，功能基本滿足要求；啟閉機(jī)主要零部件無損傷、無裂紋、無變形，無銹蝕；啟閉機(jī)的外觀形態(tài)無銹蝕和損傷；傳動(dòng)部件無嚴(yán)重磨損、損傷，配電柜較為簡(jiǎn)陋。

(2)周莊套閘鋼閘門焊縫探傷符合要求，防腐涂層厚度基本符合要求，局部不符合要求；鋼閘門整體及主要構(gòu)件無折斷、損傷，門體局部輕微銹蝕，主要構(gòu)件輕微銹蝕；橡皮部分無損壞，壓板、螺栓部分輕微銹蝕；門體局部變形量未超標(biāo)，閘門的主輪、軌道、吊耳等零部件存在不同程度的輕微銹蝕，銹蝕總構(gòu)件數(shù)遠(yuǎn)小于30%；鎖定裝置完好。

(3)周莊套閘的欄桿部分輕微銹蝕；連接爬梯基本無銹蝕，人行便橋底板出現(xiàn)銹穿等現(xiàn)象，影響安全；閘室防撞柱鋼板一般銹蝕，局部有碰撞變形；門窗完好，基本無銹蝕。

(4)周莊套閘的電氣控制箱簡(jiǎn)陋。上閘首、下閘首和節(jié)制閘的啟閉機(jī)的三相電流、三相電壓不平衡度皆滿足規(guī)程要求。

4 安全復(fù)核計(jì)算分析

4.1 安全性態(tài)計(jì)算內(nèi)容

本次安全性態(tài)計(jì)算針對(duì)閘孔孔徑安全性態(tài)、消能防沖設(shè)施安全性態(tài)、防滲設(shè)施安全性態(tài)、閘室穩(wěn)定安全性態(tài)、翼墻穩(wěn)定安全性態(tài)和閘室底板、閘墩、工作橋結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、閘門結(jié)構(gòu)、翼墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算。

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)[9]周莊套閘所處的地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，相當(dāng)于地震基本烈度6度。其中節(jié)制閘過流能力、消能防沖計(jì)算機(jī)防身計(jì)算考慮正向設(shè)計(jì)、反向設(shè)計(jì)兩種工況，上下閘首、節(jié)制閘滲流計(jì)算、穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮正向設(shè)計(jì)、正向校核、反向設(shè)計(jì)、反向校核、閘室檢修、閘首檢修六種工況。

滲流計(jì)算主要是驗(yàn)算防滲長度，并且采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算滲流出口坡降和水平坡降是否滿足規(guī)范要求，滲流計(jì)算時(shí)取上下游水位差最大時(shí)的工況，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 滲流計(jì)算成果表

穩(wěn)定計(jì)算主要考慮在自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力[10]等荷載作用下，上下閘首、節(jié)制閘在各工況下抗滑安全系數(shù)、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)及地基承載能力是否滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算，周莊套閘工程上閘首最小抗滑安全系數(shù)出現(xiàn)在正向校核期，其值為1.48，大于允許值1.10；最大地基應(yīng)力不均勻系數(shù)出現(xiàn)閘室檢修期，其值為2.23，小于允許值2.50；最大平均地基反力出現(xiàn)在閘室檢修期，其值為64.85 kPa，小于地基允許承載力125 kPa；最大地基反力出現(xiàn)在閘室檢修期，其值為89.51 kPa，小于地基允許承載力的1.2倍。

下閘首最小抗滑安全系數(shù)出現(xiàn)在閘室檢修期，其值為1.56，大于允許值1.10；最大地基應(yīng)力不均勻系數(shù)出現(xiàn)閘首檢修期，其值為1.30，小于允許值2.50；最大平均地基反力出現(xiàn)在閘室檢修期，其值為63.27 kPa，小于地基允許承載力125 kPa；最大地基反力出現(xiàn)在閘室檢修期，其值為67.11 kPa，小于地基允許承載力的1.2倍。

節(jié)制閘最小抗滑安全系數(shù)出現(xiàn)在正向校核期，其值為1.67，大于允許值1.10；最大地基應(yīng)力不均勻系數(shù)出現(xiàn)反向設(shè)計(jì)期，其值為1.67，小于允許值2.00；最大平均地基反力出現(xiàn)在正向校核期，其值為63.38 kPa，小于地基允許承載力125 kPa；最大地基反力出現(xiàn)在反向設(shè)計(jì)期，其值為77.51 kPa，小于地基允許承載力的1.2倍。

閘室底板、閘墩結(jié)構(gòu)計(jì)算采用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元[11-13]計(jì)算軟件進(jìn)行。周莊套閘上下閘首、節(jié)制閘均為單孔塢式結(jié)構(gòu)，閘室底板為整體式平底板，經(jīng)簡(jiǎn)化后利用有限元結(jié)構(gòu)建模，作用的荷載主要有底板和閘墩自重、不平衡剪力、水壓力、土壓力等，通過有限元軟件計(jì)算出閘室底板、墩墻所受的最大彎矩值，計(jì)算模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算模型

周莊套閘上下閘首、節(jié)制閘底板及閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 周莊套閘上下閘首、節(jié)制閘底板及閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表

工作橋、排架、閘室墻、翼墻、閘門結(jié)構(gòu)計(jì)算均采用最不利工況對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、閘門啟門力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

4.2 安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果

(1)套閘上下閘首、節(jié)制閘防滲長度、水平坡降最大值、出逸坡降最大值滿足規(guī)范要求；

(2)套閘上下閘首、節(jié)制閘在各工況下抗滑安全系數(shù)、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)、地基承載能力均滿足規(guī)范要求；

(3)閘室邊段和中段在各工況下抗滑安全系數(shù)、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)、地基承載能力均滿足規(guī)范要求；

(4)上下游各級(jí)翼墻的抗滑安全系數(shù)、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)、地基承載能力均滿足規(guī)范要求；

(5)閘室底板底層、面層、閘墩配筋在各工況下均滿足要求；

(6)工作橋懸臂板、橫梁、縱梁配筋量均滿足要求；

(7)閘門主梁、面板強(qiáng)度滿足要求，啟閉機(jī)容量滿足要求。

5 結(jié) 語

根據(jù)以上分析，周莊套閘工程主體為混凝土結(jié)構(gòu)，各水工建筑物、機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)等處于良好的安全狀態(tài)；主要設(shè)計(jì)指標(biāo)均基本能滿足要求，按照《水閘安全鑒定規(guī)定》[1](SL214-98)第6.0.2條，周莊套閘安全級(jí)別定為一類閘。為了保證周莊套閘工程的安全運(yùn)行，有必要對(duì)該工程的安全性態(tài)進(jìn)行分析研究。本文通過工程運(yùn)行管理、建筑物及金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)以及工程安全復(fù)核計(jì)算等方面對(duì)該閘安全性態(tài)進(jìn)行了分析研究，并提供了較為可靠的運(yùn)行參數(shù)，從而為管理單位安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

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