浑河拦河闸除险加固闸首段结构分析

刘越

（辽宁省水利勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

1 工程概况

浑河拦河闸共22孔，堰型为宽顶堰，单孔高8.2 m、宽10 m，闸底板高程31.5 m，闸总宽255.07 m。各孔均设有弧形钢闸门及固定卷扬式启闭机，闸门高4 m，宽10.0 m。根据工程等别、建筑物级别及洪水标准，浑河闸枢纽工程等别应为Ⅰ等，主要水工建筑物为1级，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为300年一遇，并能通过500年一遇超标准洪水。

2 浑河拦河闸稳定分析

2.1 基本条件

拦河闸闸首段坐落在砂砾石基础上，根据地质勘探资料，其基础的物理力学指标为：内摩擦角φ值取33°、C值取0；混凝土与基础砂砾石之间摩擦系数f取0.40；地基允许承载力为360 kPa。混凝土容重rc为偏于安全，按2.40 t/m3计取、水的容重rW按1.00 t/m3计取。每孔单扇闸门重量7.7 t，启闭力为2×50 kN。根据2001年《中国地震动参数区划图》，枢纽区地震基本烈度为7度。

浑河拦河闸为1级建筑物，土基上沿闸室基底面抗滑稳定安全系数的允许值：基本荷载组合时K=1.35；特殊荷载组合时K=1.20；考虑地震情况K=1.10。

2.2 设计工况及力学指标选用

1）计算工况

a）完建期。工程完成后尚未挡水运行，上下游均无水，此时仅两侧边墩承受侧向土压力，没有整体稳定问题。

b）正常挡水位。完建后正常运行，最不利工况为闸上游水位达到正常挡水为36.00 m，下游河道水位与河床持平，上游来水全部被浑沙、浑蒲两闸引走，稳定分析闸后计算水位为一级消力池水位。

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c）正常挡水位的运行工况遭遇地震，考虑水平地震力的不利条件。

d）在遭遇设计和校核水时，闸门全部开启泄流，而此时上下游水位差别远小于正常挡水运行工况，不为稳定分析中的控制工况。

综上，整体稳定分析计算中仅需对a）、b）两种工况进行计算。

2）计算单元

根据拦河闸整体结构布置，每两孔设一结构分缝，稳定分析中以二孔作为一计算单元。

3）力学指标选取

根据底板的结构设计断面图，闸底板顺河道方向的首、末端设有深1.0 m深的齿槽，当闸体挡水受力后滑动面为两种情况：由于齿槽的作用，滑动面为上、下游齿底的连线，此时的力学指标应取为内摩擦角φ值为33°；齿槽剪断，底板与基础之间为滑动面，此时稳定分析用力学指标应为混凝土与基础砂砾石之间摩擦系数，但应考虑齿槽的抗剪作用。

在实际稳定分析计算中，为偏于安全考虑，忽略了齿槽的抗剪作用，简化为沿底板与基础间滑动，但其结果隐含有较大的安全储备。拦河闸在不利的各个工况下均能满足抗滑稳定要求，计算结果见表1。

表1 拦河闸抗滑稳定安全系数

3 闸室基底应力计算

除稳定分析中的各种工况外，基底应力计算应考虑闸门动水开启的工况，即在正常挡水时，上游遭遇强降水或下游河道急需用水时闸门开启放流，此时垂直荷载增加有启闭力，亦应考虑该部分荷载产生的附加应力。

按有关规范要求，在各种计算情况下，土基上的闸室平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。闸室基底应力计算结果见表2。

表2 拦河闸闸室基底应力计算成果表

根据表2计算成果，在各种工况下基础承载力均满足规范要求。

4 闸墩应力分析

计算中选取的计算单元与稳定分析一致，计算两类单元：带有边墩的单元；带有缝墩的单元。闸墩结构尺寸：孔口净宽9.6 m、边墩厚1.4 m、缝墩厚1.2 m、中墩宽1.8 m、墩长19.7 m、墩高8.64 m。

闸墩的主要荷载是结构自重（包括上部结构的重量）、水推力、土压力、启闭力及地震惯性力。

分析计算工况为：正常挡水位（36.0 m）闸门全关；正常挡水位（36.0 m）时闸门开启;正常蓄水位（36.0 m）+地震闸门全关；一孔检修（检修期水位为32.0 m），另一侧边墩挡土。

闸墩应力分析计算结果见表3。

表3 拦河闸闸墩应力计算成果表 t/m2

根据表3计算结果，边墩在检修期时墩底面有拉应力产生，需按计算配置钢筋，其余闸墩墩底面均未出现拉应力，但需按构造配置钢筋。

5 渗透稳定计算

根据《水闸设计规范》附录C中改进阻力系数法计算水闸水平段和出口段渗透坡降。由于渗透坡降的计算主要与上下游水位差有关，而在校核水位和设计水位时，上、下游水位差远小于正常挡水的工况，因此，渗稳分析计算的不利工况为正常挡水位工况。

土基上水闸的地基有效深度选用判断计算公式为：

式中：Te——土基上水闸的地基有效深度，m；L0——地下轮廓的水平投影长度，m；S0——地下轮廓的垂直投影长度，m。

当计算的Te值大于地基实际深度时，Te值应按地基实际深度采用；Te值小于或等于地基实际深度时，采用计算值。该结构L0=19.5 m，S0=2.5 m，L0/S0为7.8，远小于实际覆盖层厚度，应按0.5倍的L0计取，为9.75 m。

渗透稳定分析计算结果见表4。

表4 拦河闸渗透稳定计算成果表

经计算闸基出口及水平段渗透坡降均满足规范要求。

6 结语

1）拦河闸在各种工况下整体稳定均满足规范要求，且有较大的安全余度。

2）拦河闸在各种工况下基础承载力均满足规范要求。

3）边墩在检修期时墩底面有拉应力产生，需按计算配配置钢筋，其余工况闸墩墩底面均未出现拉应力，仅需按构造配置钢筋。

4）闸基出口及水平段渗透坡降均满足规范要求。