屈家店枢纽北运河节制闸安全鉴定分析

2015-07-25李洪蕊郭建琦

陕西水利 2015年2期

李洪蕊郭建琦高诚

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222；2.天津龙源风力发电有限公司天津 300270）

1 原工程概况

北运河节制闸位于天津市北辰区永定新河和北运河汇流处，距永定新河入海口62km。北运河节制闸是屈家店枢纽的重要组成部分，其功能主要是向海河下泄清水，控制汛期永定河、北运河洪水注入海河，是海河的控制性工程。本工程Ⅰ等工程，主要建筑物为1级建筑物。工程总体布置见图1。

节制闸为带胸墙式水闸，胸墙底高程为5.25m，顶高程8.5m，孔高4.45m。全闸共分6孔，单孔净宽5.8m，闸墩厚1.8m，总净宽34.80m，闸室总宽43.80m。闸室上游设钢筋混凝土铺盖，下游采用两级消力池消能，其中一级消力池长13.3m，其前以1∶4的斜坡段与闸室相接，池底高程-0.5m，消力坎顶高程0.8m，为连续式梯形尾坎。二级消力池长10m，池底高程由-0.5m降至-0.8m，底坡为1∶28.33，坎顶高程-0.1m。海漫长34m。均为钢筋混凝土结构。

闸室底板由五块中墩底板和两块边孔底板组成。底板长21.1m，板顶高程0.8m。中墩底板为承台结构，1990年除险加固前闸室底板基础为木桩，每块底板下有木桩117根，1990年加固时，每块底板下增设14根灌注桩，分两排对称布设于靠中墩两侧。

闸墩上下游两端分别布置检修桥和交通桥。上游检修桥宽2.90m，桥面高程8.50m，下游检修桥桥面宽1.80m，桥面高程6.00m。交通桥位于闸室下游侧，桥面净宽7.0m，桥面高程7.30m。

工作闸门采用6扇平板定轮钢闸门，由液压启闭机启闭。该6孔闸门可同时操作，亦可单孔操作。

图1 屈家店北运河节制闸布置图

2 水闸安全调查分析

现场调查调研情况和所收集到的资料表明，目前工程并未遇到影响正常运行的问题。根据现场测量复核，主要问题是地区沉降，闸底板顶高程由0.8m降至-0.017m，沉降量为0.817m。

与此相对应，闸室上下游水位并没有发生变化。水位相对水闸的上升造成了一系列影响：①水流情况发生变化，水闸的泄流与消能情况均发生变化，故需要复核其过流能力与消能防冲能力。②水闸所承受的水平荷载发生变化，必须复核桩的水平承载力。③扬压力发生变化，需要复核水闸的渗流稳定。④闸顶、交通桥与检修桥的超高是否能满足规范要求，需要重新确认。

3 现场安全检测

3.1 混凝土检测

（1）北运河节制闸交通桥、检修桥、工作门导向柱、闸墩、上下游翼墙和减载空箱上未发现裂缝，未发现钢筋外露和锈蚀现象，上下游堤岸砌石护坡完好，没有砌石剥落、塌陷情况。

（2）北运河节制闸交通桥混凝土碳化深度在13.5mm～15.3mm之间；检修桥混凝土碳化深度在10.5mm～12.5mm之间；工作门导向柱混凝土碳化深度在6.2mm～6.8mm之间；闸墩混凝土碳化深度在6.8mm～7.3mm之间；翼墙混凝土碳化深度在20.7mm～24.2mm之间。

（3）采用回弹法和钻芯法进行混凝土抗压强度检测。节制闸交通桥、检修桥、工作门导向柱回弹法检测强度推定值在25.3MPa～28.6MPa之间，钻芯法检测强度值在27.8MPa～30.2MPa之间，均满足C25的设计要求；闸墩和翼墙回弹法检测强度推定值在22.7MPa～29.9MPa之间，钻芯法检测强度值在26.6MPa～32.5MPa之间，均满足C20的设计要求；闸底板混凝土钻芯法检测强度值为41.7MPa，满足C20的设计要求。

表1 过流400m3 /s所需闸门开度

表2 渗流稳定计算成果表

表3 消能防冲计算成果表

图2 消力池纵剖面图

3.2 金属结构检测

北运河节制闸与闸门和启闭机相关的水力学条件、水工建筑物无异常迹象，附属设施完善、有效。北运河节制闸整体及主要构件无折断、损伤和局部明显变形，闸门和启闭机的零部件也无损伤、变形、脱落情况，闸门止水装置完好，闸门表面涂层完好，未见锈蚀现象。

4 水闸安全复核计算

4.1 泄流能力复核

设计洪水位为5.75m，控制泄流量为400m3/s，相应下游水位为5.19m；校核洪水位为6.5m，控制泄流量400m3/s，相应下游水位为5.19m。

节制闸为平底胸墙式水闸。计算工况下，水流流态为孔流。根据水闸设计规范进行计算，控制泄流400m3/s所需闸门开度见表1。

从表1可知，设计水闸过流能力可以满足控泄400m3/s的要求，并且有一定的富裕度。

4.2 闸顶高程复核

根据水闸设计规范，挡水时，闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高之和；泄水时，闸顶高程不应小于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。北运河节制闸以泄水为主，挡水不起控制作用。北运河节制闸级别为1级，相应的水闸安全超高下限值分别为1.5m（设计洪水位）和1.0m（校核洪水位）。经过计算，确定节制闸的闸顶高程应为7.5m。闸顶现状高程为7.683m，满足规范要求。

4.3 渗流稳定复核

采用规范推荐的改进阻力系数法进行计算。

对三种工况进行计算：①上游水位5.75m，下游水位0.68 m；②上游水位5.75m，下游水位5.19m；③上游水位6.5m，下游水位5.19m。计算结果见表2。

复核结果表明：北运河节制闸水平段允许渗流坡降，出口段允许渗流坡降。三种工况下，闸底的水力坡降均小于允许渗流坡降，闸室渗流稳定满足要求。

4.4 闸室稳定复核

原设计闸室基础稳定由木桩和灌注桩共同承担，其桩径和桩数由水平荷载来确定，故本次复核仍以水平荷载复核其闸室的稳定。

本工程，地震工况为最危险工况，故选取地震工况对闸室受力进行复核。据1∶400万《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001），工程区地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震烈度Ⅶ度。

由于桩基础的物理性质与力学参数均未发生变化，因此仍沿用原设计的桩的承载能力。木桩的水平承载力为7kN，灌注桩的水平允许承载力为206kN。

中墩底板为承台结构，1990年除险加固前闸室底板基础为木桩，每块底板下有木桩117根，1990年加固时，每块底板下增设14根灌注桩，分两排对称布设于靠中墩两侧。增设灌注桩后，每根灌注桩周边的3根木桩不能充分发挥作用，设计中为安全计不考虑其水平承载力。另外，每孔闸下有11根木桩不在计算范围之内，故每孔闸只有64根木桩能充分发挥作用。

由荷载计算可知，地震工况下，承台承受的水平荷载为3323.3kN。

每根木桩的水平承载力为7kN，每根灌注桩的水平承载力为206kN，故桩基总体的承载力为：