前柳林泄洪閘安全評(píng)價(jià)

柴江飛,張洪濤,王俊鵬,邢 遠(yuǎn),王曉東,李兆宇

(1.北京市京密引水管理處，北京 101400；2．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3．黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

前柳林泄洪閘位于京密引水渠上，建成于1966年。閘室結(jié)構(gòu)為開敞式，共計(jì)兩孔，閘門型式為平板鋼閘門，閘門寬2.5 m，高3.5 m。水閘設(shè)計(jì)流量30 m3/s，設(shè)計(jì)水位高程為50.42 m。泄洪閘閘室段長(zhǎng)7 m，閘室底板高程47.51 m，閘室底板厚0.7 m，閘室下為分層夯實(shí)的黏性回填土。啟閉設(shè)備為2臺(tái)100 kN螺桿式啟閉機(jī)。地震基本烈度為Ⅷ度。

前柳林泄洪閘工程自投入運(yùn)行以來(lái)，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但自投入運(yùn)行至今未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的檢測(cè)與安全評(píng)估。為確保前柳林泄洪閘安全運(yùn)行，消除工程安全隱患，根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》(SL 214—2015)[1]和相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，開展了安全評(píng)價(jià)，包括工程現(xiàn)狀調(diào)查分析、現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)(混凝土結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu))、工程復(fù)核計(jì)算分析。

2 工程現(xiàn)狀調(diào)查分析

前柳林泄洪閘的工程現(xiàn)狀調(diào)查分析，主要包括運(yùn)行管理情況和工程安全狀態(tài)現(xiàn)狀兩個(gè)方面。通過(guò)查閱運(yùn)行管理、觀測(cè)等技術(shù)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程現(xiàn)狀全面檢查的情況，對(duì)工程現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析。工程現(xiàn)狀調(diào)查基本結(jié)論如下：

(1)前柳林泄洪閘由溫泉管理所負(fù)責(zé)管理運(yùn)行，工程管護(hù)范圍明確可控，管理人員定崗定編明確，規(guī)章制度齊全并予以落實(shí)，能夠滿足管理要求。

(2)前柳林泄洪閘工程設(shè)施總體完好，能夠得到有效的維護(hù)?；炷两Y(jié)構(gòu)外觀良好，局部存在裂縫和混凝土剝蝕的現(xiàn)象。閘門整體狀況完好，啟閉機(jī)設(shè)備外觀狀況良好，性能狀況基本正常，閘門和啟閉機(jī)表面及零部件存在局部銹蝕現(xiàn)象。

(3)基于工程現(xiàn)狀調(diào)查分析，前柳林泄洪閘需要進(jìn)一步進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)、鋼閘門、啟閉設(shè)備的質(zhì)量檢測(cè)，且需進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、抗震安全、金屬結(jié)構(gòu)安全以及機(jī)電設(shè)備安全等方面的安全復(fù)核。

3 混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

混凝土現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)的范圍主要包括混凝土閘室、上下游連接段、消力池等部位的混凝土結(jié)構(gòu)等。主要針對(duì)混凝土現(xiàn)狀調(diào)查、混凝土強(qiáng)度、裂縫情況、混凝土鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化深度以及鋼筋銹蝕程度等內(nèi)容開展了檢測(cè)分析。

檢測(cè)結(jié)果表明：目前前柳林泄洪閘混凝土整體外觀良好，局部出現(xiàn)裂縫、剝蝕等病害。采用水下機(jī)器人對(duì)水下混凝土工程進(jìn)行檢查，通過(guò)拍攝照片可以判斷前柳林泄洪閘水下部分混凝土總體外觀質(zhì)量良好，無(wú)明顯缺陷。無(wú)損強(qiáng)度檢測(cè)[5]和鉆芯法強(qiáng)度檢測(cè)[6]混凝土強(qiáng)度高于30.0MPa，滿足原設(shè)計(jì)要求；表面波檢測(cè)得混凝土內(nèi)部質(zhì)量均勻；碳化深度檢測(cè)表明碳化深度較淺，小于混凝土保護(hù)層厚度；關(guān)鍵位置鋼筋未見明顯銹蝕；下游左邊墩存在深度分別為27 mm和63 mm的2條裂縫，其中一條裂縫深度較深，建議采取措施進(jìn)行修補(bǔ)。

混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)表明，前柳林泄洪閘混凝土安全檢測(cè)結(jié)果基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，存在的部分質(zhì)量缺陷不影響整座水閘的安全運(yùn)行。

4 金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

為了解前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題與缺陷，需對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，旨在對(duì)其安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)金屬結(jié)構(gòu)的修繕或更換提供科學(xué)依據(jù)。金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)具體內(nèi)容包括閘門安全檢測(cè)和啟閉機(jī)安全檢測(cè)兩部分。

4.1 閘門安全檢測(cè)

閘門的安全檢測(cè)內(nèi)容主要包括閘門外觀檢測(cè)、腐蝕量檢測(cè)、材料檢測(cè)、以及焊縫無(wú)損探傷檢測(cè)。

前柳林泄洪閘兩扇工作閘門總體狀況相似，閘門整體狀況完好，主要構(gòu)件未見損傷變形。綜合試樣材料化學(xué)成分分析、硬度及抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果，確定閘門主要構(gòu)件所使用的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。泄洪閘工作閘門焊縫超聲波探傷結(jié)果表明閘門面板對(duì)接焊縫存在1處未焊透制造缺陷(缺陷當(dāng)量為RL+3.2 dB)，但未焊透，深度未超過(guò)《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)[7]規(guī)定的要求，允許存在，無(wú)須處理，其余受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在。閘門主要構(gòu)件如主輪、側(cè)導(dǎo)裝置、止水裝置均存在主體輕微腐蝕，門槽導(dǎo)軌局部有銹坑，門槽埋件底部20cm范圍內(nèi)腐蝕較重，有銹皮脫落現(xiàn)象。

4.2 閘門啟閉機(jī)檢測(cè)

前柳林泄洪閘配備2臺(tái)手電兩用螺桿式啟閉機(jī)，一機(jī)一門擔(dān)負(fù)2扇平面鋼閘門的啟閉任務(wù)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，啟閉機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)控制功能設(shè)置健全，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)狀況良好，啟閉機(jī)設(shè)備狀況及運(yùn)行狀況總體正常。在實(shí)測(cè)水位(49.33 m)下，對(duì)啟閉機(jī)啟閉力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示啟閉機(jī)實(shí)測(cè)最大啟門力為30.6 kN，小于啟閉機(jī)的額定容量(100.0 kN)；閘門實(shí)測(cè)最小閉門力為-9.0 kN，閘門能依靠自重關(guān)閉。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)了啟閉機(jī)設(shè)備存在的一些問(wèn)題：?jiǎn)㈤]機(jī)無(wú)過(guò)負(fù)荷保護(hù)裝置和螺桿抗壓安全保護(hù)裝置；兩臺(tái)啟閉機(jī)螺桿普遍存在壓彎變形現(xiàn)象；螺桿上閘門吊點(diǎn)至螺紋終止線之間的光桿部分銹蝕現(xiàn)象明顯。

5 安全復(fù)核分析

基于現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水閘最新的規(guī)劃流量和設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)水閘進(jìn)行安全復(fù)核分析，以綜合評(píng)估水閘的安全狀況。主要安全復(fù)核分析內(nèi)容包括：防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、結(jié)構(gòu)安全復(fù)核、滲流安全復(fù)核、抗震安全復(fù)核以及金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核。

5.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核

設(shè)計(jì)水位高程為50.42 m時(shí)，前柳林泄洪閘處于非高淹沒(méi)度，按照非高淹沒(méi)度公式進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。水閘設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，上下游水深分別為2.91 m和2.70 m，計(jì)算得閘孔總凈寬為4.54 m，目前閘孔總凈寬為5.00 m，因此在設(shè)計(jì)洪水位工況下閘孔凈寬滿足過(guò)流能力要求。

根據(jù)閘頂高程復(fù)核計(jì)算結(jié)果(見表 1)，在設(shè)計(jì)水位下，閘頂高程應(yīng)不低于51.12 m，現(xiàn)狀前柳林泄洪閘閘頂高程為51.22 m，大于防洪高程，因此閘頂高程滿足防洪要求。

5.2 抗?jié)B安全復(fù)核

采用改進(jìn)阻力系數(shù)法對(duì)閘基滲透穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，復(fù)核計(jì)算得水平段滲流坡降為0.088，出口段滲流坡降為0.267。閘基范圍內(nèi)基礎(chǔ)為回填黏土，根據(jù)規(guī)范GB/T 14173—2008要求，出口段允許的滲流坡降值為0.6～0.7，水平段允許的滲流坡降值為0.3～0.4。根據(jù)滲流穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果，前柳林泄洪閘在設(shè)計(jì)洪水位工況下水平段和出口段的滲流坡降分別小于規(guī)定值，滿足規(guī)范要求。

表1 閘頂高程復(fù)核計(jì)算結(jié)果 m

5.3 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算

水閘結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算包括閘室穩(wěn)定復(fù)核、啟閉機(jī)工作橋大梁復(fù)核和消能防沖安全復(fù)核，對(duì)工程結(jié)構(gòu)在目前運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核分析。

5.3.1 閘室穩(wěn)定計(jì)算

閘室穩(wěn)定計(jì)算取相鄰順?biāo)飨蛴谰每p之間的閘段作為計(jì)算單元，在設(shè)計(jì)水位工況下，前柳林泄洪閘在設(shè)計(jì)工況閘室基底應(yīng)力最大值為33.67 kPa，小于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值210 kPa；基底應(yīng)力的最大值與最小值之比未超過(guò)規(guī)范規(guī)定值2.0，滿足規(guī)范要求；閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.55，滿足規(guī)范要求。綜上，前柳林泄洪閘的閘室穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，能夠保證建筑物安全運(yùn)行。

表2 閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

5.3.2 工作橋大梁復(fù)核計(jì)算

5.3.3 消能防沖安全復(fù)核

消能防沖安全復(fù)核計(jì)算依據(jù)規(guī)范《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[8]中附錄B的規(guī)定開展。經(jīng)復(fù)核，設(shè)計(jì)流量下消力池的深度應(yīng)不小于0.35 m，長(zhǎng)度應(yīng)不小于10.4 m，厚度應(yīng)不小于0.9 m，現(xiàn)行條件下消力池的實(shí)際深度為0.90 m，實(shí)際長(zhǎng)度為15.0 m，始端和末端的厚度分別為1.3 m和0.9 m，因此消力池的深度、長(zhǎng)度和底板厚度均能滿足規(guī)范中對(duì)消力池消能防沖的要求。

5.4 抗震穩(wěn)定

前柳林泄洪閘工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，地震動(dòng)反應(yīng)特征譜周期為0.35 s，根據(jù)規(guī)范GB/T 14173—2008的要求，采用擬靜力法進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，采用0.2 g的地震動(dòng)峰值加速度代表值對(duì)水閘設(shè)計(jì)水位工況下地震情況的抗滑穩(wěn)定和壩基面應(yīng)力進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明在Ⅷ度地震情況下，閘室基底應(yīng)力最大值為36.54 kPa，小于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值210.00 kPa；基底應(yīng)力的最大值與最小值之比為1.22，未超過(guò)規(guī)范規(guī)定值2.0，能滿足規(guī)范要求；閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.72，滿足規(guī)范要求。因此水閘的抗滑穩(wěn)定和建基面應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，抗震措施有效。地震工況下閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表 3所示。

表3 地震工況下閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

5.5 金屬結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

閘門構(gòu)件材料為Q235鋼。閘門構(gòu)件的厚度均小于等于20 mm，屬于鋼材尺寸分組中的第2組，考慮閘門使用年限，取容許應(yīng)力的修正系數(shù)k=0.95×0.95=0.9025，可得閘門金屬材料的抗拉、抗壓和抗彎容許應(yīng)力[σ]為135.37 MPa，抗剪容許應(yīng)力[τ]為81.22 MPa。

考慮閘門靜力壓力水頭為3.50 m的工況，對(duì)閘門上、下主橫梁按實(shí)腹式梁進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，將小橫梁按連續(xù)梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，將邊柱按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)各橫梁邊柱的截面特性，分別計(jì)算橫梁和邊柱的截面應(yīng)力。截面最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表 4所示，橫梁和邊柱的最大正應(yīng)力σmax和剪應(yīng)力τmax均小于容許應(yīng)力[σ]和[τ]，因此泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 金屬結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

6 結(jié) 論

以工程現(xiàn)狀調(diào)查為基礎(chǔ)，對(duì)前柳林泄洪閘開展了現(xiàn)場(chǎng)混凝土及金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、抗震安全、金屬結(jié)構(gòu)安全以及機(jī)電設(shè)備安全等方面進(jìn)行了安全復(fù)核，評(píng)價(jià)結(jié)果可為前柳林泄洪閘的安全運(yùn)行管理工作提供依據(jù)。

前柳林泄洪閘工程設(shè)施總體完好，能夠得到有效的維護(hù)，工程安全狀態(tài)較好?；炷翉?qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求，內(nèi)部質(zhì)量均勻；碳化深度較淺，小于混凝土保護(hù)層厚度；關(guān)鍵位置鋼筋未見明顯銹蝕；局部區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)存在裂縫剝蝕等輕微老化病害現(xiàn)象。工作閘門整體狀況良好；主要構(gòu)件存在整體輕微腐蝕。啟閉機(jī)設(shè)備布設(shè)規(guī)范、附屬設(shè)施配置齊全、運(yùn)行狀況整體良好；局部位置存在銹蝕現(xiàn)象。閘孔過(guò)流能力、結(jié)構(gòu)安全、滲流安全、抗震安全、金屬結(jié)構(gòu)安全以及機(jī)電設(shè)備安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

綜合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和復(fù)核分析結(jié)果，前柳林泄洪閘安全綜合評(píng)價(jià)為二類閘。建議后續(xù)應(yīng)采取適當(dāng)工程措施對(duì)閘墩、底板、翼墻、工作橋等構(gòu)件的混凝土局部剝蝕和裂縫進(jìn)行修補(bǔ)加固處理，對(duì)檢出的閘門和啟閉機(jī)零部件、結(jié)構(gòu)件銹蝕部位，進(jìn)行除銹、防銹處理，預(yù)防工程的進(jìn)一步老化銹蝕，避免出現(xiàn)嚴(yán)重險(xiǎn)情。