单集闸工程安全性态分析研究

王兴华,曹邱林

(扬州大学水利科学与工程学院,江苏 扬州225009)

0 前 言

单集闸位于江苏省徐州市铜山县单集镇境内房亭河上,是徐洪河梯级开发第三级控制建筑物,又是房亭河段的第二级,梯级高差为4 m。单集闸与单集站同时开始建设,该工程于1990年3月开始施工,1991年5月顺利通过了竣工验收。单集闸的主要作用是防洪排涝;另外与单集站配套使用,抬高水位以蓄水灌溉,担负着徐洪河沿线及周边地区2.67×104hm2农田灌溉任务,为缓解铜山中东部及丰沛湖西地区工农业用水发挥着巨大作用。

单集闸共5孔,每孔净宽7.0 m,总宽44.0 m,闸总长166 m;200#钢筋混凝土整体式平底板,底板高程与上游河底同高,为23.0 m,长15 m,厚1.2 m;200#钢筋混凝土闸墩,闸墩与底板同长,为15 m,中墩厚1.0 m,边墩厚1.5 m,墩顶高程30.6 m;闸门结构形式为平面钢闸门,露顶式构造,闸门门顶高程为29.5 m,选用 2×12.5 t卷扬式启闭机;交通桥高程30.6 m;排架高7.1 m;工作桥高程39.4 m;上游翼墙墙顶高程30.0 m,下游翼墙墙顶高程30.2 m。

该工程已运行18 a,为了工程的安全运行和效益发挥,有必要对该闸进行安全性态分析研究,确定其安全等级,为管理单位安全运行提供依据。

1 安全鉴定的主要内容

1.1 现状调查分析

根据《水闸安全鉴定规定》SL214—98[1]的要求,对单集闸工程现状进行了调查分析,对单集闸工程设计施工、技术管理等进行了探讨[2],并就单集闸工程管理运用过程中存在的问题,对该工程现场安全检测、安全复核计算的内容提出了建议。

1.2 现场安全检测

根据现状调查分析报告和水闸安全鉴定的有关规定[1],对单集闸工程的结构强度、混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度及结构病害进行了现场安全检测。检测采用了ZC3-A型回弹仪、超声检测仪、钻机、量测标尺[2]等仪器设备,检测方法主要采用现场采样、现场测试和室内试验的方法,得出了较为准确的检测结果[1],最后还对检测结果进行了分析评价,并对安全复核计算内容提出了建议。

1.2.1 结构强度安全性态分析

分别采用综合回弹法[3]、超声回弹综合法[4]、钻芯法[5]对该工程进行混凝土强度检测,各种检测手段测定的混凝土强度,检测结果为[6]:底板、工作桥排架、工作桥大梁、闸墩、上游翼墙、下游挡浪墙的混凝土强度分别为20.8 MPa、21.8 MPa、25.0MPa、21.7MPa、22.7MPa、21.9MPa。 工作桥大梁的混凝土强度满足设计要求,且满足《水工混凝土结构设计规范》(SL191—2008)有关混凝土最低强度等级要求;底板、工作桥排架、闸墩、上游翼墙、下游挡浪墙的混凝土强度满足设计要求,但不能满足《水工混凝土结构设计规范》(SL191—2008)有关混凝土最低强度等级要求。所有测试构件混凝土强度皆大于设计值。

1.2.2 混凝土碳化深度

由检测结果可知该工程闸墩、工作桥大梁、上游翼墙等构件碳化深度在10 mm～20 mm之间,工作桥排架、下游挡浪墙等构件碳化深度较大,其中下游右侧挡浪墙碳化深度最大,其值达40.0 mm。

1.2.3 混凝土保护层检测

对每个构件,根据受力主筋的走向,选择 5个点,用SCONLOG-B型钢筋位置测定仪测定混凝土保护层厚度。

由检测结果可知:3#孔右闸墩、4#孔右闸墩、5#右边墩、上游左翼墙、上游右翼墙、下游右侧挡浪墙实测混凝土保护层厚度大于设计值和《水工混凝土结构设计规范》SL191—2008规定的最小保护层厚度;1#孔左闸墩、1#孔右闸墩、3#孔左闸墩、1#孔左排架、1#孔右排架、3#孔左排架、3#孔右排架、4#孔右排架、5#孔右排架、5#孔工作桥上游大梁、5#孔工作桥下游大梁测混凝土保护层厚度小于设计值,并小于《水工混凝土结构设计规范》SL191—2008规定的最小保护层厚度。

1.2.4 结构病害检测

钢筋混凝土结构病害的检测主要是从裂缝宽度、长度、走向、位置、表面特征,混凝土是否膨胀、剥落、钢筋是否锈蚀等几个方面来进行检测并综合判断。

该工程主要病害为右边墩露筋;交通桥铰缝损坏、露筋;上游左翼墙错缝;上游露筋;下游左侧刺墙开裂;下游右刺墙外倾,表面开裂;4#孔、5#孔闸门止水损坏漏水。

1.2.5 检测结果分析

由检测结果可知单集闸工程并未严重损坏,建议进一步加强工程管理,对工程进行维修。

2 闸门与启闭机安全性态分析

单集闸的启闭机[7]及其附属设施完整,功能满足要求;启闭机外观形态无锈蚀和损伤,主要机械零部件无损伤、裂纹、变形,传动部件无严重磨损、损伤、润滑情况正常,制动器电磁线圈外绝缘老化;限位保护缺失、电控柜陈旧。

在现场条件下,所检徐州市单集闸工程的钢闸门[7]焊缝探伤基本符合要求,防腐涂层厚度部分符合要求;钢闸门整体及主要构件无折断、损伤,门体基本没有锈蚀,闸门的导轮、压板、轨道等零部件存在不同程度的锈蚀,锈蚀总构件数远小于30%;止水橡皮局部老化、龟裂。

经对单集闸的检测、分析,启闭机性能状态基本符合要求;闸门所检部分外观总体基本符合要求,焊缝探伤和防腐涂层厚度基本符合要求,蚀余厚度符合要求,部分构件存在不同程度的锈蚀。建议更换不符合要求的电气部件,加强启闭机和闸门维护保养。

3 安全复核计算分析

3.1 安全性态计算内容

本次安全性态计算[8]针对闸孔孔径安全性态、消能防冲设施安全性态、防渗设施安全性态、闸室稳定安全性态、翼墙稳定安全性态及闸室底板承载力、闸墩承载力、工作桥结构、排架结构、公路桥结构、闸门结构、翼墙结构进行了复核计算。

根据《中国地震动参数区划图(GB18306-2001)》,工程地区地震动峰值加速度为0.20 g,地震基本烈度为8度。其中消能防冲计算及防渗计算考虑设计、校核两种工况;稳定及结构计算考虑运行期、校核期、8°地震期三种工况。

消能防冲计算主要对下游消力池池深、池长等进行复核计算;渗流计算主要是验算防渗长度,并且采用改进阻力系数法计算渗流出口坡降和水平坡降。

稳定计算主要考虑在自重、水重、水压力、扬压力等荷载作用下,闸室及翼墙在各工况下抗滑安全系数、地基应力不均匀系数及地基承载力是否满足规范要求。

闸室底板、闸墩的结构计算采用河海大学水工结构有限元计算软件,单集闸共5孔,闸室底板为整体式平底板,经简化后利用有限元结构建模[9,10],作用的荷载主要有底板和闸墩自身重力、不平衡剪力、水压力、土压力等,通过有限元软件计算出闸室底板、闸墩所受的最大弯矩值,计算模型见图1。

图1 结构内力计算模型图

工作桥、排架、公路桥、闸门、翼墙结构计算均采用最不利工况对其结构强度、闸门启闭力进行复核计算。

3.2 安全性态计算结果

单集闸工程安全性态计算结果如下:

(1)该闸过流能力在各工况下均满足要求。

(2)消力池池深、池长、消力池底板厚度满足要求,海漫长度满足要求。

(3)单集闸防渗长度、水平坡降最大值满足规范要求。

(4)闸室边段和中段在各工况下抗滑安全系数、地基应力不均匀系数、地基承载力均满足规范要求。

(5)上、下游各节翼墙的地基应力不均匀系数、地基承载力、抗滑稳定安全系数在各工况下均满足要求。

(6)闸室底板底层、底板面层、闸墩的承载力在各工况下均满足要求。

(7)工作桥悬臂板、横梁、纵梁配筋量均满足要求。

(8)公路桥正截面强度、斜截面抗剪强度、裂缝宽度均满足要求。

(9)闸门主梁、面板强度满足要求,启闭机容量满足要求。

(10)各节钢筋混凝土悬臂式翼墙底板前趾、底板墙踵、立板配筋量均满足要求。

4 单集闸安全状态分析

根据以上分析,单集闸工程主要设计指标基本能满足要求,按照《水闸安全鉴定规定》(SL214—98)[1]第6.0.2条单集闸安全类别拟定为一类闸。建议对该闸进一步加强维护。

5 结 语

为了保证单集闸工程的安全运行,有必要对该工程安全性态进行分析研究。本文通过现状调查、现场安全检测以及工程复核计算三个方面对该闸安全性态进行了分析研究,并提供了较为可靠的运行参数,从而为管理单位安全运行提供了科学依据。

[1] SL214—98.水闸安全鉴定规定[S].北京:中国水利水电出版社,1998.

[2] 梅其勇,童海鸿.红岩水轮泵站水闸工程安全状态评价[J].湖南水利水电,2001,(6):22-23.

[3] GJ/T23—2001(J115-2001).回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[4] CECS02.超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国水利水电出版社,2005.

[5] CECS03.钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国水利水电出版社,2007.

[6] 扬州大学水建学院工程测试中心.徐州市单集闸工程建筑物现场安全检测报告[R].扬州:扬州大学,2009:3-12.

[7] SL101-94.水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[S].北京:中国水利水电出版社,1994.

[8] 陈宝华,张世儒.水闸[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[9] 傅永华.有限元分析基础[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[10] 雷晓燕.有限元法[M].北京:中国铁道出版社,2000.