王家坝闸水工建筑物安全复核评价结果分析

(安徽省淮河河道管理局， 安徽 蚌埠 233000)

王家坝闸水工建筑物安全复核评价结果分析

李艳东

(安徽省淮河河道管理局， 安徽 蚌埠 233000)

王家坝闸位于淮河上中游分界处,是淮河干流蒙洼蓄洪区的进洪控制工程。为全面了解王家坝闸安全状况，满足工程达标要求，按有关规定需对其进行除险加固后首次安全鉴定。本文通过对王家坝闸过流能力、消能防冲、渗流、抗滑稳定及主要结构的强度进行复核计算，介绍水工建筑物安全复核计算评价的方法和过程，为类似工程的安全复核计算提供参考和借鉴。

王家坝闸； 安全评价； 结果分析

1 概 述

王家坝闸为淮河干流蒙洼蓄洪区的进洪建筑物，与蒙洼蓄洪圈堤、曹台孜退水闸共同组成蒙洼蓄洪工程。蓄洪区总面积180.40km2，设计蓄洪水位27.70m，相应蓄洪量7.50亿m3。

王家坝闸被誉为“千里淮河第一闸”，王家坝水位也被称为淮河防汛的“晴雨表”，是淮河灾情的“风向标”。王家坝闸自建成以来，已有12个洪水年份15次开闸蓄洪记录，累计蓄洪总量74.90亿m3。王家坝闸始建于1953年，2003～2004年进行了全面除险加固。设计防洪水位29.20m(85国家基准高程，下同)，设计进洪流量1626m3/s，为Ⅱ等大(2)型工程，其中闸室、岸墙等主要建筑物级别为2级，上、下游翼墙等次要建筑物级别为3级[1,2]。王家坝闸附近堤防蒙洼淮堤级别为3级[1,2]。闸上公路桥设计汽车荷载等级为公路Ⅱ级。

王家坝闸安全复核条件如下：设计进洪流量1626m3/s，相应闸上水位29.20m，闸下水位27.70m；挡水期闸上水位29.20m，闸下无水。鉴于洪水调度时存在王家坝闸上水位超过29.20m不开闸的可能，而2007年开闸前，闸上实际最高挡水位已达29.59m，故应增加超标准洪水工况闸室稳定分析计算。考虑闸室为开敞式结构，复核计算取最大挡水位平闸门顶高程29.66m。

2 水工建筑物复核计算

2.1 水力计算与分析

2.1.1 闸孔泄流能力计算

进洪闸设计进洪条件：开闸蓄洪期闸上水位29.20m，闸下水位27.70m，设计进洪流量1626m3/s。底坎高程24.36m，共13孔，每孔净宽8m。

过水能力复核系根据现有闸孔断面，设计进口水深和出口水深，计算通过流量，与设计流量进行比较。根据水闸闸室的结构型式，在设计泄流条件下王家坝闸室为自由出流，闸孔过水能力按自由出流计算[3]。

在设计进洪条件下，进洪闸闸室过流能力为1798.70m3/s，满足设计流量1626m3/s要求。

2.1.2 消能防冲计算

当王家坝闸上水位达到29.20m时，闸门逐步开启进行蓄洪，复核闸下消能防冲性能。消能设施复核计算采用《水闸设计规范》(SL 265—2001)附录B公式进行计算。

王家坝闸13孔闸门按照《王家坝闸控制运用办法》，利用自动化启闭方式逐步打开13孔闸门实施分洪。开启闸门时，按照每序每次提升0.50m。王家坝闸消能防冲复核计算成果见表1。

表1 王家坝闸消能防冲复核计算成果

计算结果表明，王家坝闸现状13孔孔径过流能力满足设计进洪流量1626m3/s的要求；现有消力池深度、长度和底板厚度均能满足消能要求；海漫长度、防冲槽深度及上游护底首端齿墙深度满足防冲要求。

2.2 稳定复核计算和分析

根据确定的工程运行条件和建筑物级别，按照现行设计规范，对闸基渗流稳定和闸室、翼墙抗滑稳定及地基应力等进行复核计算。

2.2.1 闸基渗流稳定复核

王家坝闸闸基防渗轮廓线主要由上游护坦和闸底板组成。闸室底板拆除重建，水平防渗长度按底板实际长度12m计，而上游防渗护坦混凝土缺陷因加固未处理，计算水平防渗长度仍按实际护坦长度的2/3计，亦为12m。加固时在上游护坦前端增设一道多头小直径搅拌桩截渗墙，墙深12m，深入相对不透水层1m，增加了垂直防渗长度，进出口齿墙深均为2.40m。

闸基渗流计算采用阻力系数法[3]。该闸上游设计防洪水位29.20m，下游无水，水位差4.84m，最不利工况闸上水位齐闸门顶高程29.86m，闸下无水，水位差5.50m。闸基座落在粉质黏土层上，水平段和出口段允许渗流坡降值[J]分别取0.30和0.60。渗流计算结果见表2。

表2 闸基土渗透坡降计算成果

注渗流出口处设置反滤层，出逸坡降允许值可加大30%，故[J]=0.78。

由计算结果知，防洪期闸基土的水平段和出口段计算渗流坡降在规范规定的允许值以内，在止水和排水设施完好的情况下，闸基渗透稳定满足规范要求。

2.2.2 闸室稳定计算

根据王家坝闸闸室采用开敞式结构、筏式钢筋混凝土底板，具有大小底板分离式的结构特点，闸室稳定计算选取两相邻顺水流向永久缝之间的大底板闸段作为计算单元，大底板垂直水流方向上、下面宽分别为12.84m和12.20m，顺水流方向长12m，上部结构有闸墩、公路桥、工作桥启闭机房、检修便桥等。闸底板坐落在工程地质条件较好的粉质黏土上，含水量较低，强度较高，地基承载力在210kPa以上。根据室内饱和固结快剪试验测得，地基土内摩擦角φ平均值12.7°，黏结力c平均值41.60kPa。王家坝闸闸室稳定复核计算结果见表3。

表3 闸室稳定计算成果

依据表3所列的计算成果可知：各种工况下，闸室抗滑稳定安全系数均大于规范规定值1.30，满足抗滑稳定要求；计算基底应力均小于堤基设计承载力210kPa，基底应力不均匀系数均小于规范规定值2，满足地基承载力稳定要求。

2.2.3 翼墙稳定分析

王家坝闸上、下游翼墙均为重力式结构，墙身采用1∶3水泥砂浆砌块石，设计墙顶高程29.56m，墙身最大挡土高度5.20m。断面设计墙背为斜线，坡比1∶0.59；墙前为折线，上部3.90m高为垂直段，3.90～5.50m高为1∶0.25斜坡，混凝土底板总宽5m，厚0.40m，墙前悬挑0.80m，墙后悬挑0.40m。鉴于墙前水位越低，对翼墙稳定越不利，故抗滑稳定复核选用墙前无水工况。计算结果如下：基底最大压应力为148.81kPa，最小压应力为78.02kPa，不均匀系数1.91。抗滑安全系数为3.98，抗倾安全系数为7.94。翼墙在不利工况下，抗滑稳定安全系数均大于规范规定值1.30，满足抗滑稳定要求；计算基底应力均小于堤基设计承载力210kPa，基底应力不均匀系数均小于规范规定值2，满足地基承载力稳定要求。

2.3 主要结构强度验算和分析

根据王家坝闸结构特点，在现有资料的基础上，对闸室结构、公路桥、检修便桥等主要部位进行结构强度复核。强度复核的基本资料取自安全检测报告的数据，包括构件的混凝土标号及碳化深度。

2.3.1 闸室底板强度复核

闸室底板地基为粉质黏性土，采用弹性地基梁法[3]进行复核计算。鉴于底板连同闸墩在顺水流向的刚度很大，而垂直水流向结构单薄、刚度小、承载能力低，所以只验算垂直水流向的闸室底板强度。在垂直水流方向截取单位宽度的板条进行分析，取大、小底板各1块作为计算单元。按相关规范[4]规定进行复核，结果见下页表4。

由下页表4可知，闸室底板断面承载力计算均满足设计要求。混凝土结构闸室底板承载能力极限状态能满足规范要求。

表4 闸室底板结构复核计算成果

2.3.2 闸墩结构强度复核

闸墩结构的特点是：顺水流向刚度大，承载能力也大，而垂直水流向结构单薄，刚度小，承载能力低，所以只验算垂直水流向的闸墩强度。闸墩为C20钢筋混凝土结构，厚1m，墩顶高程为31.20m。选取公路桥及排架柱下闸墩底部(▽24.36m)比较危险截面单宽进行抗压、抗弯及抗剪复核计算。正截面和斜截面计算结果见表5。

表5 闸墩正、斜截面承载力计算结果

由上述可知，两个危险截面承载力计算结果满足规范要求。考虑检测闸墩碳化最大深度35mm，闸墩钢筋混凝土结构底部断面承载能力极限状态能满足规范要求。

2.3.3 公路桥强度复核

2.3.4 启闭机梁强度复核

新建启闭平台高程39m，平台宽5m。采用两片C20预制混凝土简支“π”形梁结构，共13跨，单跨长9m。“π”形梁的内外肋梁共4根，梁高0.80m，肋宽0.30m。梁与梁之间设横梁连接，横梁截面尺寸为0.25m×0.50m(宽×高)。面板和活动检修盖板厚0.10m。考虑检测启闭机梁碳化最大深度5.50mm，启闭机梁承受最大弯矩为956.86kN·m，小于弯矩允许值1096.26kN·m；最大剪力336.66kN，小于剪力允许值609.74kN，故启闭机梁强度满足规范要求。

3 结 论

a.王家坝闸现状13孔孔径过流能力满足设计进洪流量1626m3/s的要求。

b.王家坝闸现有消力池深度、长度和底板厚度均能满足消能要求；海漫长度、防冲槽深度及上游护底首端齿墙深度满足防冲要求。

c.防洪期王家坝闸闸基土的水平段和出口段计算渗流坡降均在规范规定的允许值以内，在止水和排水设施完好的情况下，闸基渗透稳定满足规范要求。

d.各种工况下，闸室及翼墙抗滑稳定安全系数及基底应力均满足规范要求。

e.闸室混凝土结构底板、闸墩断面承载能力极限状态和正常使用极限状态均能满足规范要求。

f.公路桥承载能力极限状态和正常使用状态复核均满足规范要求。

g.启闭机梁承载能力极限状态和正常使用状态均满足规范要求。

王家坝闸水工建筑物工程复核计算分析不存在安全隐患问题。★

[1] GB 50201—94 防洪标准[S].

[2] SL 252—2000 水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[3] SL 265—2001 水闸设计规范[S].

[4] SL 191—2008 水工混凝土结构设计规范[S].

[5] JTG D60—2004 公路桥梁设计通用规范[S].

AnalysisofSafetyReviewEvaluationResultsinWangjiabaGateHydraulicBuilding

LI Yan-dong

(Anhui Huaihe River Watercourse Administration, Bengbu 233000, China)

Wangjiaba Gate is located on upstream and midstream boundary in Huaihe River. It belongs to flood entrance control project in Huaihe River main stream Mengwa flood district. Primary safety identification after risk removal reinforcement should be conducted according to related regulation in order to fully understand security situation of Wangjiaba gate and meet engineering standard satisfying requirements. Wangjiaba gate flow capacity, energy dissipation and erosion, seepage, sliding resistance stability and major structural strength are reviewed and calculated in the paper. Method and process of hydraulic building safety review and calculation evaluation are introduced, thereby providing reference for safety review and calculation in similar projects.

Wangjiaba gate; safety evaluation; result analysis

TV698

B

1005-4774(2014)09-0057-04