里運(yùn)河?xùn)|堤典型交叉建筑物安全評價

戴永琪， 劉愛軍， 代 菊， 李宏恩， 劉曉青

(1.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全與管理研究所， 江蘇 南京 210029；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3.揚(yáng)州水利局， 江蘇 揚(yáng)州 225000)

我國地域遼闊，江河湖泊情況復(fù)雜，部分區(qū)域洪澇災(zāi)害頻繁，對周邊地區(qū)和人民造成非常嚴(yán)重的損失和影響。堤防工程作為我國防洪工程體系的重要組成部分，是指沿河、渠、湖、海岸或行洪區(qū)、分洪區(qū)、圍墾區(qū)的邊緣修筑的擋水建筑物[1]，能夠有效地抵御洪水的侵襲，是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施。但是，由于我國的堤防工程歷史悠久，現(xiàn)有的堤防大多是在民埝或者舊堤基礎(chǔ)上加高培厚從而逐漸形成的，沒有經(jīng)過專業(yè)的地質(zhì)勘探和地基處理，也沒有嚴(yán)格控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工填筑質(zhì)量，并且在長期運(yùn)行過程中歷經(jīng)多次加固、搶險和生物破壞，堤身和堤基的情況非常復(fù)雜，存在諸多安全隱患，嚴(yán)重威脅堤防工程的安全[2]。

里運(yùn)河位于南水北調(diào)東線江蘇省內(nèi)，其沿線的江都、高郵段東堤全長74.4km，為國家一級堤防，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。里運(yùn)河?xùn)|堤沿線現(xiàn)存的清水潭、車邏壩、小蔡潭等13處險工險段不僅普遍存在不良地質(zhì)條件段、穿堤涵閘多、多次加固堤段資料不詳?shù)裙こ虇栴}，更具有位于南水北調(diào)東線輸水主干線、部分沿線建筑為文物保護(hù)對象等工程特殊性。因此，針對上述問題開展的里運(yùn)河?xùn)|堤典型交叉建筑物安全評價研究，為里運(yùn)河堤防工程的設(shè)計加固工作提供依據(jù)，對確保南水北調(diào)東線工程運(yùn)行調(diào)度與沿線公眾生命財產(chǎn)安全具有重要的實際意義和實踐價值。

1 工程概況

車邏閘位于車邏鎮(zhèn)南約500 m處，是里運(yùn)河?xùn)|堤沿線的典型交叉建筑物[3]，主要作用是引水灌溉。車邏閘為單孔水閘，底板高程4.0 m，閘頂高程10.1 m，閘身長19.29 m，閘孔凈寬4 m，凈高3.5 m，胸墻底高程8 m，下游消力池底高程3.84 m，最大泄水流量15.6 m3/s，配有8 t手電兩用螺桿式啟閉機(jī)一臺。根據(jù)規(guī)范可知，車邏閘工程為2級水工建筑物；車邏閘所處場地地震動峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)的地震基本烈度為7度。車邏閘工程復(fù)核計算水位組合見表1。

2 地質(zhì)條件

車邏閘工程所在地區(qū)土層情況自上而下分述如下：

第①層,素填土，層底高程5.36 m，層厚6.10 m，比貫入阻力2.67 MPa。

第②層，淤泥質(zhì)黏土，層底高程4.06 m，層厚1.30 m，比貫入阻力0.46 MPa，承載力30 kPa。

第③層，黏土，層底高程3.06 m，層厚1.00 m，比貫入阻力2.14 MPa，承載力130 kPa。

第④層，黏土，層底高程2.36 m，層厚0.7 m，比貫入阻力2.11 MPa，承載力160 kPa。

表1 車邏閘工程復(fù)核計算水位組合表

第⑤層，黏土，層底高程1.36 m，層厚1.00 m，比貫入阻力1.88 MPa，承載力130 kPa。

第⑥層，黏土，層底高程-0.14 m，層厚1.50 m，比貫入阻力2.14 MPa，承載力160 kPa。

第⑦層，黏土，層底高程-1.34 m，層厚1.20 m，比貫入阻力2.01 MPa，承載力150 kPa。

3 安全復(fù)核計算

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核計算

3.1.1 閘頂高程復(fù)核計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》SL 265—2016[4]，防洪高程應(yīng)按下式復(fù)核：

閘頂高程≥設(shè)計防洪水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高；

閘頂高程≥校核防洪水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高。

浪高和波浪中心至靜水面高度的計算，風(fēng)速根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60—2004[5]可以查得，基本組合時計算風(fēng)速為25.6 m/s，特殊組合時計算風(fēng)速為17.07 m/s。

由于水閘的級別為2級，故對應(yīng)的波列累積頻率取2%。

用下式計算浪高及波浪中心線至靜水面距離：

(2)

(3)

各工況閘墩高程計算結(jié)果見表2。

表2 閘墩高程計算結(jié)果 單位：m

由表2可知，閘墩頂高程計算最大高程為9.083 m，實際高程為10.10 m，符合設(shè)計要求，評定為A級。

3.1.2 過流能力復(fù)核

車邏閘過流能力復(fù)核的水位見表3。

表3 車邏閘過流能力復(fù)核計算水位流量

過流能力計算方法如下：

(4)

車邏閘工程過流能力計算結(jié)果見表4。

表4 車邏閘工程過流能力計算成果

由表4可知，車邏閘設(shè)計流量為15.6 m3/s，計算流量為38.04 m3/s，該閘過流能力滿足要求。

3.2 滲流復(fù)核計算

3.2.1 水位組合

車邏閘滲流復(fù)核計算水位組合見表5。

3.2.2 驗算防滲長度

閘基地下輪廓布置如圖1所示。該閘室閘基持力層為黏土，根據(jù)規(guī)范允許滲徑系數(shù)取為3～2。

表5 車邏閘滲流復(fù)核計算水位組合 單位：m

圖1 閘室閘基地下輪廓布置示意圖(單位：高程m；長度mm)

運(yùn)行情況其實際長度：

L實=28.55m

ΔH=3.6m

C=L實/ΔH=28.55/3.6=7.93>3～2

故閘室閘基防滲長度滿足要求。

3.2.3 閘室滲流計算

根據(jù)閘室地下輪廓的特點，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計算，由圖1可得到地下輪廓簡化和分段，具體布置如圖2所示。

圖2 閘室設(shè)計工況地下輪廓簡化和分段布置圖(單位：高程m)

(1) 計算地基有效深度

L0=27.29m

S0=0.7m

L0/S0=38.99>5

Te=0.5L0=0.5×27.29=13.65m

閘基土質(zhì)均勻，閘基滲流的影響范圍以有效深度Te控制。

(2) 計算各典型段的阻力系數(shù)

進(jìn)出口段：

(5)

內(nèi)部垂直段：

(6)

水平段：

(7)

傾斜段：

(8)

進(jìn)出口段水頭修正：

(9)

(10)

閘室各典型段的幾何特征及阻力系數(shù)計算見表6。

表6 閘室各典型段阻力系數(shù)計算結(jié)果

(3) 各典型段滲壓水頭損失計算

各典型段滲壓水頭損失：

(11)

各典型段滲壓水頭損失計算見表7。

表7 各典型段滲壓水頭損失計算 單位：m

(4) 滲透坡降計算

由于持力層為黏土，則

[Jx]=0.30～0.40；[J0]=0.60～0.70。

滲流出口最大滲透坡降：

水平段最大滲透坡降：

故地基滲流出口坡降滿足要求，水平坡降滿足要求，滲流穩(wěn)定滿足要求，評定為A級。

3.3 穩(wěn)定復(fù)核計算

閘室結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖3所示。

圖3 閘室結(jié)構(gòu)簡圖(高程：m；其余單位：mm)

3.3.1 計算工況

各計算工況的水位組合見表10。

3.3.2 計算方法

(1)閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

(12)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于閘底面以上的全部豎向荷載；∑H為作用于閘身上的全部水平向荷載；F為閘室底板底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

(2)地基應(yīng)力：

(13)

表8 進(jìn)出口修正及相應(yīng)典型段滲壓水頭損失調(diào)整計算 單位：m

表9 各角隅點滲透水頭 單位：m

表10 穩(wěn)定計算水位組合 單位：m

3.3.3 計算結(jié)果

根據(jù)以上方法，在各計算工況下該工程的閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其地基應(yīng)力不均勻系數(shù)的計算成果見表11。

由表11可知，在各種計算工況下，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求，評定為A級；車邏閘基底為黏土，地基允許承載力130 kPa，閘室基底應(yīng)力的最大值為56.96 kPa，小于基底土的允許承載力值130 kPa，故地基承載力滿足要求，評定為A級。

3.4 消能復(fù)核計算

3.4.1 消能復(fù)核計算水位組合

車邏閘消能復(fù)核計算水位組合見表12。

3.4.2 消力池深度復(fù)核

閘下收縮水深計算方程：

(14)

hc對應(yīng)的躍后水深：

(15)

出池落差：

(16)

消力池池深：

d=σ0hc''-hs'-ΔZ

(17)

消力池深度計算成果見表13所示。

由表13可知，消力池在計算中池深為0.71 m，而實際工程中消力池深度為0.16 m，不滿足要求。

3.4.3 消力池長度復(fù)核

消力池池長：

Lsj=Ls+βLj

(18)

Lj=6.9(hc''-hc)

(19)

由表13計算得，hc=0.49m，hc''=2.35m。

Lj=6.9×(2.35-0.49)=12.834m，故消力池

表11 穩(wěn)定復(fù)核計算成果

表12 工程消能復(fù)核計算水位組合

表13 消力池深度計算結(jié)果

全長為：L=13.98m。實際消力池全長為22.5 m，故滿足要求。

3.4.4 消力池底板厚度復(fù)核

消力池底板厚度(抗沖)計算式為

(20)

消力池底板計算結(jié)果見表14。

表14 消力池底板計算結(jié)果

由表14可知，消力池底板厚度不得低于0.5 m，實際消力池厚度0.54 m，滿足抗沖要求。

3.4.5 海漫長度復(fù)核

海漫長度復(fù)核計算式為：

海漫長度計算結(jié)果見表15。

表15 海漫長度計算結(jié)果

由表15可知，海漫計算長度為8.24 m，實際海漫長度10 m，滿足要求。

綜上可知，車邏閘消力池長度、底板厚度和海漫長度滿足要求，但消力池深度不滿足要求。按照《水閘安全評價導(dǎo)則》SL 214—2015[6]，該工程消能防沖設(shè)施不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，故消能防沖安全評定為C級。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述車邏閘防洪標(biāo)準(zhǔn)、滲流、穩(wěn)定和消能復(fù)核計算結(jié)果，經(jīng)綜合分析評價，車邏閘工程運(yùn)用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程存在安全隱患。按照《水閘安全評價導(dǎo)則》SL 214—2015，雖然車邏閘防洪標(biāo)準(zhǔn)和滲流安全性都評定為A級，但是由于結(jié)構(gòu)安全性評定為C級，故車邏閘綜合評價為四類閘。