某攔河水閘重建工程及其建筑穩(wěn)定復(fù)核分析研究

劉調(diào)芳

(中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

光南水閘始建于1974年，1986年對閘門進(jìn)行加固，并將閘門原來的手動(dòng)式啟閉改為電動(dòng)啟閉。2002年對左右岸墻進(jìn)行了灌漿加固處理，2008年5月對水閘的交通橋進(jìn)行了加寬加固?，F(xiàn)對水閘進(jìn)行安全評估，發(fā)現(xiàn)水閘存在嚴(yán)重的安全隱患，水閘運(yùn)行已不能滿足現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)要求，不能通過常規(guī)的修補(bǔ)維護(hù)去解決安全問題。根據(jù)水閘運(yùn)行時(shí)長，水閘初期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對水閘安全進(jìn)行鑒定，水閘安全類別為四類閘，建議工程報(bào)廢重建。本文以光南水閘重建工程為背景，對該工程的主要建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，制定合理的重建方案，復(fù)核建筑物的穩(wěn)定性，為解決水閘工程的防滲穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題提供方法，并針對重建后的工程提出規(guī)范可靠的管理規(guī)劃，提高了水閘重建工程的質(zhì)量。

1 工程概況及問題

1.1 工程概況

光南水閘所在的光南溪是練江的二級支流，練江是東南沿海一條獨(dú)流入海的河流。練江干流全長71.84 km，平均坡降0.42‰。該區(qū)域河流水系豐富，支流繁多，呈扇狀分布。河流上游為山地丘陵環(huán)抱所形成的坡積盆地，中下游為河流和海灣沖刷形成的沖積平原。支流流向多為南北向，左岸支流流速緩慢，右岸支流流速湍急。

由于光南水閘所在河流光南溪屬于練江的二級支流，光南水閘現(xiàn)有灌溉面積小于333.33hm，本次重建的光南水閘為Ⅴ等小(2)型工程，永久性主要水工建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。水閘洪水標(biāo)準(zhǔn)按10年一遇洪水設(shè)計(jì)，20年一遇洪水校核；消能防沖建筑物按10年一遇洪水設(shè)計(jì)。

以閘室為界限，閘室上游分別為上游連接段、漿砌石鋪蓋段、鋼筋混凝土鋪蓋段，閘室下游為下游連接段，泄水涵位于閘室兩側(cè)，閘室交通橋分別與兩岸道路連接。

1.2 工程問題

對光南水閘的主體建筑物、機(jī)電機(jī)械設(shè)施、操作室及值班室等工程設(shè)施進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的安全隱患排查[1-6]，發(fā)現(xiàn)了大量的潛在安全隱患和問題。

(1)混凝土部分包括海漫、翼墻、閘基、鋪蓋等長期受洪水沖刷，部分淘空崩爛，閘槽混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重脫落，閘墩個(gè)別部位出現(xiàn)裂縫。

(2)消力池被嚴(yán)重淘蝕，消力池長度不滿足運(yùn)用要求；由于消力池被局部淘空，造成水閘的有效防滲距離縮短，使得水閘的抗?jié)B穩(wěn)定也不能滿足要求。

(3)閘室抗滑穩(wěn)定不滿足要求：在完建期和正常運(yùn)用工況條件下，閘室結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、抗傾、抗滑穩(wěn)定性均能滿足；但在考慮地震的非常運(yùn)用工況，閘室抗滑穩(wěn)定不滿足要求。

(4)閘底板和閘墩均為漿砌塊石，不能滿足抗震規(guī)范“閘室宜采用鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)”的要求。

(5)閘門腐蝕破損嚴(yán)重：閘門門槽鋼板、滾輪已嚴(yán)重銹蝕，閘門金屬部件腐蝕嚴(yán)重，吊桿、吊座等不同部分也腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致閘門運(yùn)用時(shí)經(jīng)常受卡阻。 閘門原阻水木條早已脫落，漏水嚴(yán)重。

(6)啟閉系統(tǒng)磨損嚴(yán)重：啟閉系統(tǒng)經(jīng)多年運(yùn)行啟閉機(jī)已殘舊不堪，離合器輪鼓和剎車皮已嚴(yán)重磨損。閘門啟閉機(jī)、鋼絲繩等傳動(dòng)部分磨損嚴(yán)重。

(7)無工程觀測設(shè)施，不利于工程的管理和運(yùn)用。

2 水閘穩(wěn)定復(fù)核

2.1 鋼閘門攔河閘

該水閘為攔河閘，攔河閘的特點(diǎn)為擋水水頭低，泄洪量大。根據(jù)本工程的任務(wù)及洪水調(diào)度原則，水閘采用平底板開敞式水閘，閘門采用平板鋼閘門。閘室為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，長18.0 m，寬22.4 m，水閘共設(shè)3孔，單孔凈寬6.0 m，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.0 m，閘頂高程9.0 m。閘室頂部布置凈寬6 m交通橋一座，為現(xiàn)澆混凝土橋板，交通橋連通兩岸堤頂路面。啟閉房位于閘室上游側(cè)，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱分別支承于墩墻之上。閘室兩側(cè)各布置一孔泄水涵，凈寬3.0 m，底板高程3.0 m。

2.2 閘室抗滑穩(wěn)定性

對閘室區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場勘查，了解到閘室基礎(chǔ)以中粗砂為主，局部含有少量的粉質(zhì)黏土，因此閘室地基土分布不均勻，且中粗砂地基承載力特征值為80 kPa，遠(yuǎn)低于粉質(zhì)黏土層，必然存在不均勻沉降的問題。因此本次工程采用了高壓旋噴樁對閘室地基土進(jìn)行加固處理，預(yù)防了不均勻沉降帶來不良影響，消除了局部少量的粉質(zhì)黏土所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以下公式(1)計(jì)算閘室的抗滑穩(wěn)定性：

(1)

式中：Kc為沿閘室底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為閘基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，kN；∑G為作用在閘室上的全部垂直荷載，kN；∑H為用在閘室上的全部水平荷載,kN。

閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下表1。

表1 閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知閘室抗滑穩(wěn)定滿足要求。

2.3 閘室基礎(chǔ)滲流穩(wěn)定性

本工程水閘閘室與鋪蓋和消力池護(hù)坦之間設(shè)止水，共同構(gòu)成基底防滲體系。滲流計(jì)算時(shí)以鋪蓋、閘室、消力池前段的地下輪廓線作為依據(jù)，將內(nèi)部小水平段修正簡化修正后的地下輪廓作為滲流計(jì)算模型，閘室滲流穩(wěn)定分析計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)推薦的改進(jìn)阻力系數(shù)法。經(jīng)計(jì)算，在正常蓄水工況下(擋水工況)水閘滲流水平段和出口段平均坡降成果如下表2。

表2 水閘基底抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)滲流穩(wěn)定計(jì)算成果，水閘基底水平段及出口段抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 翼墻穩(wěn)定復(fù)核

3.1 翼墻結(jié)構(gòu)布置

水閘上、下游擋土高度在6 m以上的，采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻，部分擋土高度在6 m以下的，則采用素混凝土擋土墻。

上游連接段左岸翼墻：采用扶壁式擋土墻，擋墻頂高程9.2 m，凈高6.0 m，墻厚0.5 m，扶壁厚0.6 m，扶壁凈距3.0 m，擋墻底板面高程為3.2 m，底板厚0.7 m，寬6.7 m，擋墻后回填填土至墻頂高程9.2 m。

下游連接段翼墻：采用素混凝土重力式擋土墻，擋墻頂高程7.7 m，凈高4.7 m，底板采用鋼筋混凝土，底板面高程3.0 m，底板厚0.7 m，寬4.9 m，擋墻后回填填土至墻頂高程7.7 m。

3.2 翼墻抗滑穩(wěn)定性

翼墻抗滑穩(wěn)定性計(jì)算公式見式(2)：

(2)

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為建筑物基底面與地基間的摩擦系數(shù)；∑W作用于建筑物上的全部荷載對計(jì)算滑動(dòng)面的法向分量，kN；∑P作用于建筑物上的全部荷載對計(jì)算滑動(dòng)面的切向分量，kN。翼墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如下表3。

表3 翼墻穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知翼墻抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4 基礎(chǔ)處理復(fù)核

4.1 地基防滲

光南水閘重建閘室地基土分布不均勻，大部分為中粗砂，為強(qiáng)透水層，存在砂土液化現(xiàn)象，屬抗震不利地段，局部分布了粉質(zhì)黏土，為相對隔水層，因此可能會(huì)存在閘基滲漏問題。根據(jù)閘室抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算，水閘基底水平段及出口段抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。但是由于地基淺層的松散中粗砂可能液化，且若閘前止水發(fā)生破壞將導(dǎo)致水閘發(fā)生滲透破壞，故本次設(shè)計(jì)考慮水閘地基一定范圍內(nèi)做圍封處理，在防止液化的同時(shí)兼顧延長滲徑，為水閘抗?jié)B穩(wěn)定提供一定的安全儲(chǔ)備。地基防滲采用高壓噴射灌漿防滲墻進(jìn)行處理。

4.2 地基加固

由于水閘閘室、擋墻天然地基中的中粗砂地基承載力特征值過小，地基土橫向分布不均，基底必然存在沉降不均勻的問題，通過地基加固處理，可以防止閘室產(chǎn)生不均勻沉降，提高了地基承載力，也消除了局部分布的粉質(zhì)黏土帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。本工程采用高壓旋噴樁復(fù)合地基處理方式，閘室地基高壓旋噴樁以1.5 m的間距均勻布置，擋墻地基高壓旋噴樁以1.2 m的間距均勻布置，樁頂設(shè)0.5 m厚中粗砂墊層作為褥墊層，處理后的地基為復(fù)合地基。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)有關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，見式(3)與式(4)：

(3)

(4)

式中：fs p k為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；m為樁土面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁的截面面積,m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；fs k為處理后樁間土承載力特征值，kPa；d為樁身平均直徑,m；de為一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑,m。地基處理計(jì)算成果如下表4。

表4 地基處理計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算，處理后的復(fù)合地基承載力高，不易產(chǎn)生不均勻沉降，對本工程的安全和穩(wěn)定十分有利。

5 水閘工程管理

5.1 工程管理和保護(hù)范圍

根據(jù)光南水閘重建后的具體情況，水閘工程管理范圍主要有：上下游連接段、閘室和兩岸連接建筑物等主體工程覆蓋范圍；結(jié)合原堤防管理范圍統(tǒng)籌確立的管理范圍；管理單位辦公、生產(chǎn)、生活設(shè)施等建設(shè)占地范圍。

(1)工程管理范圍。本工程為小(2)型水閘，管理范圍包括水閘工程各組成部分(上下游連接段、閘室和兩岸連接建筑物等)的覆蓋范圍以及水閘上、下游各50 m、兩側(cè)的寬度各30 m。管理范圍邊界布設(shè)界樁。在工程管理范圍內(nèi)禁止進(jìn)行爆破、取土等威脅水工建筑物安全的活動(dòng)，不準(zhǔn)在工程管理范圍內(nèi)捕魚、游泳、傾倒垃圾等。

(2)工程保護(hù)范圍。水閘管理范圍以外兩側(cè)各100 m，上、下游各200 m的范圍。在工程保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行土建施工、取土?xí)r應(yīng)征得工程管理單位的同意，并報(bào)上級行政主管部門批準(zhǔn)后方可進(jìn)行。

5.2 工程管理設(shè)施

(1)交通工具。為滿足工程運(yùn)行管理和抗洪搶險(xiǎn)的需要，光南水閘應(yīng)具有良好的交通設(shè)施，并結(jié)合施工的需要，根據(jù)水閘的級別、規(guī)模，管理機(jī)構(gòu)擬配備防汛指揮越野車1輛，職工交通車1輛，載重汽車1輛。

(2)監(jiān)測設(shè)施。結(jié)合本工程的特點(diǎn)，采用搪瓷水尺和遙測水位計(jì)自動(dòng)化監(jiān)測水閘的水文、水力變化，利用游標(biāo)卡尺對閘室與上下游翼墻之間的永久縫變形進(jìn)行測量，以監(jiān)測永久縫地張開和發(fā)展情況，結(jié)合GPS 定位儀和超聲波測深儀監(jiān)測河床淤積情況，采用視準(zhǔn)線法和水準(zhǔn)法監(jiān)測水閘的變形位移，采用滲壓計(jì)閘基揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測。

(3)通信設(shè)施。管理單位應(yīng)并網(wǎng)光南溪抗洪搶險(xiǎn)、防洪服務(wù)的專用通信網(wǎng)絡(luò)，需建設(shè)與防汛哨站相連通訊線，與上游光南溪管理單位建立直線式通信網(wǎng)絡(luò)，獲取水閘調(diào)度信息。需配置固定式無線電講機(jī)4臺、手持對講機(jī)4臺，固定電話4臺，傳真機(jī)1臺。配備必要的辦公設(shè)備：電腦4臺，打印機(jī)1臺，復(fù)印機(jī)1臺。通訊系統(tǒng)采用專用蓄電池供電[7-9]。

5.3 工程運(yùn)行管理

施工前，施工單位按每一分項(xiàng)制定相關(guān)的施工規(guī)章制度。施工時(shí)，施工單位和管理單位嚴(yán)格按照制度對工程建設(shè)進(jìn)行監(jiān)督和檢驗(yàn)復(fù)核，時(shí)刻掌握施工動(dòng)態(tài)。施工完成后，定期對水閘進(jìn)行檢查維修，保持水閘工程的運(yùn)行狀態(tài)良好，在汛期做好防護(hù)工作，圍護(hù)工程安全，減少危害，消除隱患。

6 結(jié) 語

光南水閘工程重建后，水閘主要建筑物、機(jī)電機(jī)械設(shè)施及工程管理設(shè)施等工程設(shè)施的安全隱患問題得到了解決，針對工程重建前原有閘室基礎(chǔ)抗?jié)B不穩(wěn)定，上下游翼墻抗滑不穩(wěn)定等穩(wěn)定性問題，對重建后的建筑物穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明重建工程解決了原有的穩(wěn)定性問題，使得工程穩(wěn)定性滿足了相關(guān)規(guī)定和規(guī)范的要求，建設(shè)目標(biāo)順利完成，水閘功能得到了最大程度的發(fā)揮。通過對水閘重建，提高了水閘行洪能力，保障區(qū)域灌溉用水需要，減輕或避免洪澇災(zāi)害，使保護(hù)區(qū)內(nèi)社會(huì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，保證了水閘灌溉和水景觀功能的完善并發(fā)揮了巨大的工程效益。在工程建成后應(yīng)該加強(qiáng)對水閘的管理和維護(hù)，嚴(yán)格按照制定的管理標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范操作，確保水閘灌溉和水景觀兩個(gè)方面的功能得到最大化的發(fā)揮。