松林節(jié)制閘安全檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算分析

張愷躍，吳 瑤，張澤穎，李 萌

（1.北京市城市河湖管理處，北京 100000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100000）

1 工程概況

松林節(jié)制閘始建于1950年，分別于1977年和2007年完成改擴(kuò)建?，F(xiàn)有松林節(jié)制閘位于北護(hù)城河上段（西直門北大街—松林閘）末端、松林船閘右側(cè)，是北環(huán)水系北護(hù)城河段綜合治理工程的一部分，其主要功能為防洪和供水。

松林節(jié)制閘閘室為開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔，閘孔凈寬6.0 m，閘墩厚1.2 m，墩頂高程47.80 m。閘室底板長度12.0 m，底板頂高程42.02 m，底板厚度1.2 m。工作閘門為舌瓣式平板鋼閘門，閘門尺寸為6.0 m×4.6 m，設(shè)計(jì)閘門總重9.5 t，采用QH-2×100型固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)控制啟閉閘門，啟閉機(jī)容量2×100 kN。

閘室上游設(shè)置三段C25鋼筋混凝土鋪蓋，每段長度 10.0 m，上游第1、2 段鋪蓋厚度0.4 m，第3段鋪蓋厚度1.0 m。閘室下游設(shè)置斜坡段及消力池，長度分別為12.0 m、15.0 m，消力池深度1.0 m。消力池底板及下游護(hù)坦分別設(shè)置3排A50、A100排水孔，采用PVC管，管內(nèi)填充豆石，排水孔順?biāo)鞣较蚩拙酁?.0 m。

最近一次改擴(kuò)建于2005年10月開工，由北京市京水工程建設(shè)有限責(zé)任公司承建。開挖時(shí)測(cè)量人員嚴(yán)格控制開挖高程和基礎(chǔ)坡比，留足10 cm由人工挖至設(shè)計(jì)基礎(chǔ)高，嚴(yán)禁超挖，節(jié)制閘基礎(chǔ)齒槽由人工修出，齒槽坡比為1∶1。閘基礎(chǔ)部分區(qū)域采用砂礫料和豆石進(jìn)行處理。由于開挖處在冬季，開挖后對(duì)基礎(chǔ)面進(jìn)行保溫。節(jié)制閘管理房基礎(chǔ)為樁基，采用人工挖孔樁，成樁過程中部分樁基有較大滲水，對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理。

松林節(jié)制閘混凝土澆筑基本采用泵送入倉，由于澆筑時(shí)正值冬季，為保證混凝土質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)提出專門用于冬季施工混凝土配合比，在混土拌和物中摻加防凍劑，對(duì)混凝土出機(jī)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)成型的混凝土采取暖棚養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度控制在22℃左右。

2 松林節(jié)制閘安全檢測(cè)

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

2.1.1 混凝土安全檢測(cè)內(nèi)容

檢測(cè)內(nèi)容如下：

（1）混凝土外觀缺陷檢查；

（2）混凝土碳化深度檢測(cè)；

（3）混凝土強(qiáng)度檢測(cè)；

（4）鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)；

（5）鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)；

（6）混凝土內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。

2.1.2 混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)結(jié)論

（1）通過檢測(cè)，水閘整體狀況較好，閘室內(nèi)部沒有看到明顯的異常沉降、傾斜和滑移等現(xiàn)象。

（2）上、下游邊墻混凝中有大量的縱向裂縫，自底部向上延伸，下游邊墻水位變化區(qū)0.3 m范圍內(nèi)混凝土存在凍融剝蝕現(xiàn)象。

（3）松林節(jié)制閘混凝土結(jié)構(gòu)整體存在著的碳化現(xiàn)象。

（4）根據(jù)鋼筋銹蝕狀況檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合碳化深度及鋼筋保護(hù)層厚度綜合判斷，水閘混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)主要受力鋼筋應(yīng)未出現(xiàn)銹蝕。

（5）左邊墩、右邊墩墻混凝土內(nèi)部質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)明顯內(nèi)部缺陷。

2.2 松林節(jié)制閘金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)電設(shè)備檢測(cè)

2.2.1 金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)電設(shè)備檢測(cè)內(nèi)容

根據(jù)水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則要求，對(duì)其露頂式平面舌瓣鋼閘門和固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容如下：

（1）閘門外觀檢測(cè)；

（2）閘門腐蝕量檢測(cè)；

（3）閘門焊縫無損探傷；

（4）啟閉力檢測(cè)；

（5）啟閉機(jī)現(xiàn)狀檢測(cè)；

（6）啟閉機(jī)運(yùn)行狀況檢測(cè)。

2.2.2 金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)電設(shè)備檢測(cè)結(jié)論

（1）松林節(jié)制閘閘門各部分無損傷變形問題，閘門運(yùn)行正常，狀態(tài)完好；門槽及埋件完好，周邊混凝土未見異常；閘門底檻完好；閘門泄水時(shí)水流流態(tài)正常，閘門運(yùn)行狀況良好；閘門構(gòu)件局部區(qū)域存在銹跡或銹蝕。

（2）閘門腐蝕量主要位于0.2～0.5 mm，頻數(shù)為84.8%；閘門面板、主橫梁、縱（邊）梁、小橫梁平均腐蝕量分別為0.34 mm、0.36 mm、0.36 mm、0.35 mm，平均腐蝕速率為0.024～0.026 mm/a；閘門總體平均腐蝕量為 0.35 mm，平均腐蝕速率為0.025 mm/a。

（3）閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有裂紋和超標(biāo)缺陷存在。

（4）實(shí)際測(cè)得閘門最大啟門力為89.8 kN，小于啟閉機(jī)的額定啟閉力2×50 kN；實(shí)測(cè)閘門最小閉門力為-12.6 kN，閘門可以依靠自重完成關(guān)閉；兩個(gè)吊點(diǎn)的吊力均衡。

（5）啟閉機(jī)及配套組件整體運(yùn)行良好；電動(dòng)機(jī)絕緣電阻等均滿足規(guī)范要求，電氣設(shè)備無明顯異?，F(xiàn)象，啟閉機(jī)左起升機(jī)構(gòu)

（6）啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)三相電流及其不平衡度、三相電壓及其不平衡度、電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)溫升、電動(dòng)機(jī)絕緣電阻等均滿足規(guī)范要求。

（7）現(xiàn)場檢測(cè)時(shí)，啟閉機(jī)運(yùn)行基本平穩(wěn)，除左側(cè)吊點(diǎn)負(fù)荷限制裝置失去作用外，啟閉機(jī)運(yùn)行控制功能基本正常；現(xiàn)場檢測(cè)運(yùn)行完成后，啟閉機(jī)機(jī)構(gòu)、機(jī)械零部件、結(jié)構(gòu)件無損壞，各聯(lián)接處無松動(dòng)現(xiàn)象，電氣設(shè)備無明顯異?，F(xiàn)象。左側(cè)壓電式傳感器信號(hào)線破斷，負(fù)荷限制裝置失去作用。

3 松林節(jié)制閘安全復(fù)核計(jì)算

3.1 過流能力復(fù)核

松林節(jié)制閘工程位于北護(hù)城河上段（西直門北大街—松林閘）末端、松林船閘右側(cè)，是北環(huán)水系北護(hù)城河段綜合治理工程的一部分。松林船閘兼有泄洪及行船雙重功能，當(dāng)遇到二十年及其以上洪水時(shí)，與松林節(jié)制閘聯(lián)合運(yùn)用擔(dān)負(fù)下泄洪水的任務(wù)。

松林船閘和節(jié)制閘閘孔過流能力復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 閘孔過流能力復(fù)核結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

復(fù)核計(jì)算了閘孔過流能力后，在以上兩種情況下，閘孔凈寬符合過流能力的要求。

3.2 滲流安全復(fù)核

松林節(jié)制閘閘址位于永定河沖洪積扇中部，地形較平坦，地面高程47.76～47.97 m，場地類別為Ⅱ類，場區(qū)地層不存在地震液化問題。場區(qū)主要被為第四系沖洪積地層所覆蓋，地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為粘、砂雙層結(jié)構(gòu)，上部為粘質(zhì)粉土或粉質(zhì)粘土，下部以粉砂為主。地層巖性自上而下分別為：①雜填土，廣泛分布于地表，層底高程43.17～45.15 m，層厚2.8～4.8 m；②粘質(zhì)粉土層，層底高程31.83～40.33 m，層厚0.5～7.5 m，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為110 kPa；③粉砂層，該層中下部夾有中砂、礫砂及薄層圓礫，該層厚度較大，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為180 kPa；④粉質(zhì)粘土，層底高程19.20～29.55 m，層厚2.3～14.0 m，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為180 kPa；⑤粉砂，層底高程17.50～18.77 m，層厚0.5～2.1 m（未揭穿）；⑥粉質(zhì)粘土，鉆孔揭露深度6.1 m。松林節(jié)制閘采用上游水平鋪蓋的防滲方案。上游正常運(yùn)行水位為46.50 m，下游水位42.50 m；上游50年一遇設(shè)計(jì)洪水位為46.00 m，下游設(shè)計(jì)洪水位為44.15 m；上游100年一遇校核洪水位為46.50 m，下游水位44.38 m。由于松林節(jié)制閘無滲流監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)洪水和校核洪水時(shí)上下游水位差均小于正常蓄水位時(shí)，本次滲流安全復(fù)核考慮正常蓄水時(shí)的較不利工況即上游水位46.50 m、下游水位42.50 m，通過使用改進(jìn)阻力系數(shù)法的方式完成了松林節(jié)制閘的滲流安全復(fù)核計(jì)算。

3.2.1 各分段阻力系數(shù)和滲壓水頭損失

將閘基地下輪廓?jiǎng)澐譃?1段，如圖1所示。在不利工況下由改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算得到各段阻力系數(shù)和滲壓水頭損失，見表2。

表2 不利工況下各分段阻力系數(shù)和滲壓水頭損失

圖1 滲流計(jì)算分段示意圖

3.2.2 繪制滲壓水頭分布圖

根據(jù)各段水頭損失，即可繪出該工況下上游鋪蓋及閘室滲壓水頭分布圖，如圖2所示。

圖2 計(jì)算工況滲壓水頭分布圖（單位:m）

3.3.3 閘底板水平段和出口處滲透坡降計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2016規(guī)定，驗(yàn)算水閘基底抗?jié)B穩(wěn)定穩(wěn)定時(shí)，要求水平段和出口段的滲透坡降分別小于表6.0.4規(guī)定的值。

松林節(jié)制閘底板水平段平均滲透坡降為：

松林節(jié)制閘滲流出口處平均滲透坡降為：

上述工況下滲透坡降計(jì)算值見表3。

表3 松林節(jié)制閘滲流出口處及水平段滲透坡降計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）表6.0.4，由于滲流出口處設(shè)置了濾層（一層編織袋+200 mm厚豆石+200 mm厚粗砂），表6.0.4所列水平段和出口段滲流坡降允許值可加大30%。正常蓄水位工況下出口段滲透坡降計(jì)算值為0.206，底板水平段滲透坡降計(jì)算值為0.076，均小于規(guī)范允許值。

3.3 閘室穩(wěn)定復(fù)核

3.3.1 計(jì)算工況與荷載組合

作用在水閘上的荷載可分為基本和特殊荷載兩種，荷載組合分為基本和特殊組合兩類，根據(jù)松林節(jié)制閘實(shí)際情況，此次閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算基本組合和特殊組合計(jì)算工況均按較不利工況考慮，主要包括正常蓄水位工況、校核洪水位工況及地震工況等三種工況。

基本組合復(fù)核計(jì)算工況為正常蓄水位工況即上游正常運(yùn)行水位46.50 m，下游水位42.02 m（下游無水）。

特殊組合計(jì)算工況包括兩種：①校核洪水位工況，上游100年一遇洪水位46.50 m，下游水位44.38 m；②地震工況，上游正常蓄水位46.50m，下游水位42.02m，考慮地震荷載。

計(jì)算閘室穩(wěn)定和基底應(yīng)力時(shí)的荷載組合見表4。

表4 荷載組合表

閘室穩(wěn)定計(jì)算主要荷載包括閘室自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、風(fēng)壓力、浪壓力及地震荷載等。基本風(fēng)壓取0.45 kN/m2，浪壓力按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄E的規(guī)定計(jì)算。閘區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，作用在水閘上的地震慣性力和地震動(dòng)水壓力按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB51247-2018）中5.5.9條和7.1.12條的規(guī)定計(jì)算。閘室地基承載力不小于160kPa。水壓力計(jì)算特征水位見表5。

表5 特征水位表

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

正常運(yùn)行水位工況、校核洪水位工況及地震工況等3種工況下，閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

上述計(jì)算結(jié)果說明：

（1）閘室基底應(yīng)力平均值為87.7～92.0 kPa，小于地基允許承載力160 kPa；閘室基底應(yīng)力最大值124.3 kPa，小于地基允許承載力160 kPa的1.2倍。

（2）閘室基底的應(yīng)力不均勻系數(shù)在正常運(yùn)行水位工況、校核洪水位工況以及地震工況下均小于規(guī)范要求的允許值，滿足要求。

（3）閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范容許值，閘室安全穩(wěn)定。

3.4 消能防沖復(fù)核

松林節(jié)制閘的消力池長度15 m，底板高程40 m，厚度1.2 m。

松林節(jié)制閘的上游設(shè)計(jì)正常運(yùn)行水位46.5 m，相應(yīng)下游水位42.5 m；50年一遇設(shè)計(jì)上游洪水位46.00 m，下游水位44.15 m；100年一遇校核洪水位46.50 m，下游水位44.38 m。根據(jù)SL214-2015《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》4.4.11規(guī)定，消能防沖安全復(fù)核應(yīng)根據(jù)近期規(guī)劃數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀河床情況，運(yùn)行條件和運(yùn)行方式，按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄B規(guī)定執(zhí)行。本次消能防沖安全復(fù)核內(nèi)容包括消力池深度、消力池長度以及海漫長度復(fù)核。

3.4.1 消力池深度

結(jié)果見表7。

表7 消能防沖復(fù)核計(jì)算結(jié)果

消力池深度滿足要求。

3.4.2 消力池長度計(jì)算

水躍長度校正系數(shù)β取0.8計(jì)算，結(jié)果見表8。

表8 消能防沖復(fù)核計(jì)算結(jié)果

消力池長度分別需要12.79 m和14.01 m，現(xiàn)狀閘室長度為15.0 m，滿足長度要求。

3.4.3 海漫長度計(jì)算

松林節(jié)制閘的閘址（北護(hù)城河上段末端）在永定河沖洪積扇中部，該場區(qū)地質(zhì)主要為粘、砂雙層結(jié)構(gòu)，上部是粘質(zhì)粉土或粉質(zhì)粘土。海漫長度計(jì)算系數(shù)Ks取為11.0。

由表9海漫長度計(jì)算結(jié)果可知，海漫長度分別需要31.94 m、34.87 m，海漫長度滿足要求。

表9 海漫長度計(jì)算結(jié)果

3.5 啟閉機(jī)及機(jī)電設(shè)備安全復(fù)核

（1）閘門啟閉機(jī)為2×100 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，選型滿足工程需要。

（2）啟閉機(jī)為室外露天布置，啟閉機(jī)外設(shè)不銹鋼鐵皮罩殼防護(hù)；啟閉機(jī)行程控制裝置及負(fù)荷限制裝置等安全保護(hù)裝置配備齊全，其中啟閉機(jī)左起升機(jī)構(gòu)左側(cè)壓電式傳感器信號(hào)線破斷，負(fù)荷限制裝置失去作用。

（3）舌瓣式平板鋼閘門采用2×100 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，配套電動(dòng)機(jī)為YZ160M2-6三相交流異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)選型滿足工程需要。

（4）啟閉機(jī)設(shè)現(xiàn)地操作控制柜及一層操作控制柜各一套，運(yùn)行控制功能正常。

（5）啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)三相電流及其不平衡度、三相電壓及其不平衡度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫升和定子三相對(duì)地絕緣電阻均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)部分質(zhì)量缺陷，主要集中在水閘金屬結(jié)構(gòu)上，通過大修能夠滿足工程運(yùn)行要求。

（2）松林節(jié)制閘安全復(fù)核計(jì)算結(jié)果顯示，滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 建議

（1）對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、剝蝕等病害進(jìn)行及時(shí)處理，對(duì)水位變化區(qū)混凝土可采取防護(hù)材料噴涂等手段延緩病害發(fā)生。

（2）對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行除銹、防腐、更新等處理措施，同時(shí)要繼續(xù)加強(qiáng)閘門保養(yǎng)維護(hù)，保證閘門外觀及運(yùn)行狀態(tài)良好。對(duì)啟閉機(jī)負(fù)荷限制裝置進(jìn)行修復(fù)，以恢復(fù)完好狀態(tài)。