刘集地涵工程安全性态分析研究

陈 蕾,曹邱林

(扬州大学水利科学与工程学院,江苏 扬州225009)

徐州市刘集地涵水利工程位于江苏省邳州市议堂镇和八路镇境内,是连通徐洪河与房亭河的地下立体交叉工程,也是连通骆马湖和洪泽湖(分别位于沂沭泗流域和淮河流域内)这两大流域性湖泊的重要工程。可以实施防汛泄洪、跨流域调水等任务,具有极其重要的功能和作用[1]。

其主要结构设施由穿房亭河底的地下涵洞、泄洪口涵洞及南、中、北3座闸共30孔闸门,闸总长 325 m,总宽95.8 m。地下涵洞共 10孔,每孔宽 3.6 m,高 4.0 m,长 224 m,分 12节,底高程13.5 m,整个工程为钢筋混凝土箱形结构。两洞首及泄洪口分别设南闸、北闸、中间闸(天窗)3座闸,每座闸为10孔,闸孔为3.6 m×4.0 m,配LQ15T90×12-4DS型启闭机。南、北闸底板高程为15.0 m,工作桥高程为32.8 m,翼墙高程为24.0 m;中间闸底板高程为18.5 m,工作桥高程为29.7 m。

该工程虽已建成18 a,应对该闸进行安全性态分析研究,确定其安全等级,可为管理单位安全运行提供依据。

1 土建结构安全性态分析

1.1 结构强度安全性态分析

分别采用回弹法[2]、超声回弹综合法[3]、钻芯法[4]对该工程进行混凝土强度检测,其检测结果见表1。

表1 混凝土检测强度成果表

由表1可知南闸闸墩、南闸胸墙、中闸闸墩、北闸闸墩、北闸工作桥排架、北闸挡土墙、北闸胸墙的混凝土强度满足设计要求,但不满足《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;南闸工作桥排架、南闸挡土墙、中闸工作桥排架、中闸挡土墙的混凝土强度不满足设计要求,也不能满足《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[5]。

1.2 混凝土碳化深度

检测结果可知该工程各构件碳化深度不均匀,各闸首闸墩、胸墙的碳化深度一般在7.0 mm～20.0 mm之间;各闸首工作桥排架、挡土墙的碳化深度偏大,其中北闸4#孔上游侧左排架的碳化深度最大,其值达35.5 mm[6]。

1.3 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。

由检测结构可知:南闸闸墩、胸墙实测混凝土保护层厚度基本都大于设计值,并大于《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008规定的最小保护层厚度,南闸工作桥排架、挡土墙实测混凝土保护层厚度基本都小于设计值,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,但南闸所有所测构件实测混凝土保护层厚度都大于碳化深度;中闸挡土墙实测混凝土保护层厚度大于设计值,并大于《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008规定的最小保护层厚度,中闸工作桥排架、闸墩实测混凝土保护层厚度基本都小于设计值,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,但中闸所有所测构件实测混凝土保护层厚度都大于碳化深度;北闸闸墩、胸墙、挡土墙实测混凝土保护层厚度基本都大于设计值,并大于《水工混凝土结构设计规范》SL191-2008规定的最小保护层厚度,北闸工作桥排架实测混凝土保护层厚度基本都小于设计值,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,但北闸所有所测构件实测混凝土保护层厚度都大于碳化深度[5]。

1.4 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。

该工程病害较少,主要病害为各闸首工作桥排架胀裂露筋严重。

2 闸门与启闭机安全性态分析

刘集地涵的启闭机及其附属设施完整,功能满足要求;启闭机主要零部件无损伤、裂纹、变形,存在轻微锈蚀;启闭机的外观形态无锈蚀和损伤;传动部件无严重磨损、损伤;减速机运行中漏油(中闸部分机组较重),其他润滑情况正常。

在现场条件下,所检刘集地涵的钢闸门水上部分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、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%;止水橡皮完好。

经对刘集地涵的检测、分析,启闭机性能状态基本符合要求;闸门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。建议加强启闭机和闸门维护保养[7]。

3 安全复核计算分析

3.1 安全复核计算参数

刘集地涵工程为Ⅱ级水工建筑物,所处场地的地震峰值加速度为0.2g,相应地震基本烈度为8°。按照刘集地涵历年水位变化和现行运行状况,安全性态计算水位组合见表2。

表2 刘集地涵安全性态计算水位组合表

3.2 安全复核计算项目

安全性态计算中考虑了闸孔孔径安全性态计算、消能防冲设施安全性态计算、闸首稳定安全性态计算、翼墙稳定安全性态计算、洞首底板配筋复核计算、天窗口配筋复核计算、涵洞洞身配筋复核计算[8,9]、闸门结构复核计算、工作桥结构复核计算、排架结构复核计算、翼墙结构复核计算。

3.3 安全复核计算结果

刘集地涵工程安全性态计算结果如下:

(1)在各种工况下刘集地涵涵洞过流能力均满足要求。

(2)消力池池深、池长和底板厚度均满足要求。

(3)地涵的防渗长度满足要求。

(4)南、北洞首,排洪口天窗在各种工况下的地基应力不均匀系数、地基承载力、抗滑稳定安全系数均满足要求。

(5)南、北洞首第一、二节翼墙,排洪口天窗第一、二、三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种工况下均满足要求。

(6)洞首底板、闸墩配筋量均满足要求;排洪口天窗的闸墩、涵洞顶板、涵洞底板配筋量均满足要求;地下涵洞洞身的闸墩、涵洞底板、涵洞顶板的配筋量均满足要求。

(7)洞首闸门、排洪口天窗闸门的主梁强度、面板强度均满足要求。

(8)工作桥、排架、翼墙结构配筋均满足要求。

4 刘集地涵安全状态分析

根据以上分析,刘集地涵工程主体为混凝土结构,各水工建筑物、机电设备、金属结构等处于良好的安全状态;主要设计指标均基本能满足要求,刘集地涵安全类别为二类闸[10]。建议对该工程进一步加强维修保养。

[1] 熊启钧.涵洞[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2] DB32/P(JG)002.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,1992.

[3] 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.

[4] 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.

[5] SL191-2008.水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2008.

[6] SL352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2006.

[7] SL101-1994.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] 雷晓燕.有限元法[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[9] 傅永华.有限元分析基础[M].武昌:武汉大学出版社,2003.

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