水閘閘室結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定復(fù)核分析研究

楊啟龍

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某水庫(kù)流域集水面積2 112 km2，庫(kù)區(qū)范圍4.5 km2，于1987年興建，1997年建成蓄水運(yùn)行。水庫(kù)原總庫(kù)容3 770萬(wàn)m3，死水位1 563.55 m，死庫(kù)容1 000萬(wàn)m3；興利水位1 570.55 m，興利庫(kù)容2 524 萬(wàn)m3；汛限水位1 569.55 m，相應(yīng)庫(kù)容2 268.3 萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)洪水位1 572.05 m，相應(yīng)庫(kù)容3 040 萬(wàn)m3，非常運(yùn)行期水位1 574.10 m。水庫(kù)主要任務(wù)是攔蓄布谷孜河洪水和冬閑水，解除流域的洪水、干旱雙重災(zāi)害，保證水電站引水發(fā)電，同時(shí)兼顧養(yǎng)殖、旅游。溢洪道為開敞式溢洪道，布置在大壩西面約70 m 處，由進(jìn)口段、控制堰（控制堰采用駝峰堰、弧形閘門控制）和泄槽組成，總長(zhǎng)102 m，堰頂寬3×12 m，堰頂高程1 566.50 m，泄槽縱坡0.038。

2 閘型方案綜合比較選擇

2.1 溢洪道閘胸墻式直升門結(jié)構(gòu)

根據(jù)工程特點(diǎn)，對(duì)胸墻式直升門、胸墻式弧形門、涵洞式3 種閘室結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行方案比選。新建溢洪道閘閘室采用胸墻式直升門結(jié)構(gòu)，閘孔總凈寬24 m，共3孔，每孔凈寬8 m。閘底板頂面高程4.50 m，厚1.4 m。閘中墩厚1.1 m，邊墩厚1.1～1.4 m。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)18 m，垂直水流方向?qū)?9 m。閘門偏下游側(cè)布置，采用平面定輪直升式鋼閘門，配備卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。工作閘門上游側(cè)設(shè)檢修門槽，檢修門為浮箱式疊梁門，采用汽車吊啟閉。閘門上方設(shè)工作橋，橋面高程22 m、寬5 m，上設(shè)啟閉機(jī)房。

考慮兩岸防汛交通要求和日常管理工作需要，在閘身上游側(cè)布置凈寬7 m 的交通橋，汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅱ級(jí)，為現(xiàn)澆板式結(jié)構(gòu)，橋面高程14.5 m。交通橋與閘兩側(cè)堤頂?shù)缆废嘟?，閘室兩側(cè)均設(shè)路堤墻，墻頂高程14.5 m。啟閉機(jī)房東、西側(cè)分別設(shè)控制室和橋頭堡。

2.2 溢洪道閘胸墻式弧形門結(jié)構(gòu)

新建溢洪道閘閘室采用胸墻式弧形門結(jié)構(gòu)，閘孔總凈寬24 m，共3 孔，每孔凈寬8 m。閘底板頂面高程4.50 m，厚2.0 m。閘中墩厚1.1 m，邊墩厚1.1～1.4 m。閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)20 m，垂直水流方向?qū)?9.0 m。閘門偏上游側(cè)布置，采用弧形鋼閘門，配備QH-2×160 kN 弧門卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。工作閘門上游側(cè)設(shè)檢修門槽，檢修門為浮箱式疊梁門，采用CDI-20 kN-12D 電動(dòng)葫蘆啟閉。閘門上方設(shè)工作橋，橋面高程21.0 m，寬5.0 m，上設(shè)啟閉機(jī)房。閘身下游側(cè)布置凈寬7.0 m的交通橋，汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅱ級(jí)，為現(xiàn)澆板式結(jié)構(gòu)，橋面高程14.5 m。交通橋與閘兩側(cè)堤頂?shù)缆废嘟?，閘室兩側(cè)均設(shè)路堤墻，墻頂高程14.5 m。啟閉機(jī)房東、西側(cè)分別設(shè)控制室和橋頭堡。

2.3 溢洪道閘涵洞式結(jié)構(gòu)

新建溢洪道閘閘室采用矩形箱涵結(jié)構(gòu)，共3 孔，每孔孔徑8.0 m×4.0 m（寬×高），閘室底板面高程4.5 m、厚1.5 m，頂板底高程8.5 m、厚1.1 m。閘中墩厚度1.1 m，邊墩厚度1.1 m。整個(gè)閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度17.0 m，垂直水流方向?qū)挾?8.4 m。工作閘門采用平面直升式鋼閘門，配備QP-2×250 kN-11m 卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。工作閘門上游側(cè)設(shè)檢修門槽，檢修門為浮箱式疊梁門，采用CDI-20 kN-12D電動(dòng)葫蘆啟閉。閘門上方設(shè)工作橋，橋面高程21.5 m、寬5.0 m，上設(shè)啟閉機(jī)房。閘身下游側(cè)布置凈寬7.0 m的交通橋，橋面高程14.5 m，汽車荷載等級(jí)采用公路-Ⅱ級(jí)。交通橋與閘兩側(cè)堤頂?shù)缆废嘟?，閘室兩側(cè)均設(shè)路堤墻，墻頂高程14.5 m。啟閉機(jī)房東、西側(cè)分別設(shè)控制室和樓梯間。

3 種閘室結(jié)構(gòu)方案投資比較詳見表1，綜合比選詳見表2。

表1 溢洪道閘3種閘室結(jié)構(gòu)方案投資比較

表2 溢洪道閘閘室結(jié)構(gòu)方案綜合比選

經(jīng)比較，3 種方案技術(shù)上均可行，方案1 閘門偏下游側(cè)布置，有效利用了上游水重來滿足擋洪期閘室穩(wěn)定要求，節(jié)省了工程量，且啟閉機(jī)房位于下游，和管理所同側(cè)，方便管理。方案2、3 閘室結(jié)構(gòu)無(wú)法有效利用上游水重，為滿足閘室穩(wěn)定要求，需加長(zhǎng)加厚底板或在涵洞上部空箱內(nèi)填土壓重，且投資均比方案1高，故本次擬選用方案1。

3 溢洪道閘結(jié)構(gòu)安全復(fù)核分析

3.1 溢洪道閘水位組合

本次復(fù)核計(jì)算所用水位組合，詳見表3。

表3 溢洪道閘復(fù)核計(jì)算水位組合

3.2 溢洪道閘堤頂高程復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）第4.2.4條，閘頂高程計(jì)算結(jié)果為13.77 m，實(shí)際閘頂高程14.50 m，溢洪道閘閘頂高程滿足要求。

3.3 溢洪道閘過流能力復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，溢洪道閘的過流能力計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4 溢洪道閘過流能力計(jì)算成果

由表4可知，該閘過流能力均滿足要求。

3.4 溢洪道閘滲流復(fù)核

3.4.1 溢洪道閘防滲長(zhǎng)度驗(yàn)算

溢洪道閘閘基地下輪廓布置，如圖1 所示。該工程持力層為粗中砂、灰礫石，局部有少量黏土，根據(jù)規(guī)范允許滲徑系數(shù)取7。

圖1 溢洪道閘閘基地下輪廓布置示意

因L實(shí)= 32.99 m、ΔHmax= 7.51m（設(shè)計(jì)工況下H上=13.01 m、H下=5.5 m），故C=L/ΔH= 32.99/7.51=4.39<[C]= 7，閘基防滲長(zhǎng)度不滿足要求。

3.4.2 溢洪道閘滲流復(fù)核計(jì)算

根據(jù)地下輪廓的特點(diǎn)，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算，地下輪廓簡(jiǎn)化和分段如圖2所示。

圖2 溢洪道閘地下輪廓簡(jiǎn)化、分段布置示意

由于地基土為粗中砂及礫石，取[J0]=0.40～0.45、[Jx]=0.15～0.17。經(jīng)計(jì)算，閘身出口最大滲透坡降J0=0.272/0.55= 0.49>[J0]=0.40～0.45，閘身水平段最大滲透坡降Jx= 3.877/20= 0.19>[Jx]=0.15～0.17，閘身水平段、出口滲透坡降均不能滿足要求。

3.5 溢洪道閘消能復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，消能復(fù)核計(jì)算成果詳見表5。

表5 溢洪道閘消能復(fù)核計(jì)算成果

由表5 可知，消能Ⅰ、Ⅱ工況的消力池池長(zhǎng)不滿足要求，池深、底板厚度及海漫長(zhǎng)度均滿足要求；消能Ⅲ工況的消力池池深、長(zhǎng)度不滿足要求，底板厚度、海漫長(zhǎng)度均滿足要求。

3.6 溢洪道閘閘室穩(wěn)定復(fù)核

3.6.1 溢洪道閘閘室結(jié)構(gòu)

取溢洪道閘閘身上游段為計(jì)算對(duì)象，閘室共分為4孔，加固前，閘孔凈寬6.0 m，總凈寬24.0 m，底板為反拱底板，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)20 m，垂直水流方向長(zhǎng)27.1 m，中墩厚0.7 m，邊墩厚度0.5 m，設(shè)胸墻，胸墻高程為8.5 m。加固后，閘孔凈寬為5.8 m，總凈寬23.2 m，底板厚0.6 m，反拱底板采用混凝土填平，中墩厚0.9 m，邊墩厚度0.6 m，底板頂高程為4.5 m，閘上布置工作橋、公路橋和工作便橋。閘室結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 溢洪道閘閘身上游段結(jié)構(gòu)布置

3.6.2 溢洪道閘閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘身上游段穩(wěn)定計(jì)算成果詳見表6。

表6 溢洪道閘閘身上游段穩(wěn)定計(jì)算成果

由表6 可知，溢洪道閘閘身上游段的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)均不滿足要求，地基承載力滿足規(guī)范要求。

3.7 溢洪道閘結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

3.7.1 溢洪道閘閘室結(jié)構(gòu)復(fù)核

采用有限元法對(duì)閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，經(jīng)計(jì)算，閘室配筋成果詳見表7。

由表7 可知，門槽附近底板、其他位置底板面層、上下游段閘墩、排架、撐梁等結(jié)構(gòu)經(jīng)過配筋計(jì)算，其結(jié)構(gòu)承載能力均滿足要求。其他位置底板底層實(shí)際上未配鋼筋，但其混凝土抗拉強(qiáng)度基本能滿足要求。

表7 溢洪道閘閘室結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算成果

3.7.2 溢洪道閘工作橋結(jié)構(gòu)復(fù)核

（1）工作橋結(jié)構(gòu)。工作橋橋面高程16.0 m、寬2.95 m，采用梁板現(xiàn)澆的C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 溢洪道閘工作橋結(jié)構(gòu)

（2）橫梁配筋計(jì)算。橫梁和縱梁整澆在一起，與縱梁的連接為半固定狀態(tài)，計(jì)算內(nèi)力時(shí)可作簡(jiǎn)化處理，計(jì)算正彎矩時(shí)按簡(jiǎn)支考慮，計(jì)算負(fù)彎矩時(shí)按固定支座考慮，計(jì)算成果詳見表8—9。由表8—9 可知，工作橋橫梁強(qiáng)度滿足要求。

表8 溢洪道閘橫梁底部縱筋配筋計(jì)算成果

表9 溢洪道閘橫梁頂部縱筋配筋計(jì)算成果

（3）縱梁配筋計(jì)算。①正截面強(qiáng)度復(fù)核：縱梁兩端擱置在排架上，可按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，結(jié)果詳見表10。由表10可知，縱梁正截面強(qiáng)度滿足要求。②斜截面抗剪強(qiáng)度復(fù)核：實(shí)際φ8@200 的箍筋沿全梁布置，則Vcs=0.7ftbh0+1.25fyv Asvh0/s=202.24 kN>KV=193.2 kN，故縱梁斜截面抗剪強(qiáng)度滿足要求。

表10 溢洪道閘縱梁正截面承載力配筋計(jì)算成果

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)計(jì)算分析，溢洪道閘頂高程滿足要求，在各種工況下過流能力均滿足要求。該閘消能Ⅰ、Ⅱ工況的消力池池長(zhǎng)不滿足要求，池深、底板厚度及海漫長(zhǎng)度均滿足要求；消能Ⅲ工況的消力池池深、長(zhǎng)度不滿足要求，底板厚度、海漫長(zhǎng)度均滿足要求。閘基防滲長(zhǎng)度不滿足要求；閘身水平段滲透坡降基本滿足要求，出口滲透坡降不能滿足要求。溢洪道閘原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，且已運(yùn)行超過40 a，混凝土病害嚴(yán)重，被評(píng)定為四類水閘。建議盡快立項(xiàng)實(shí)施拆除重建，確保工程安全運(yùn)行；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)安全觀測(cè)，必要時(shí)采取應(yīng)急措施。