常州市大运河东枢纽节制闸工程安全复核分析

张 兴，胡鹏鑫，蒋 益

（常州市城市防洪工程管理处，江苏 常州213000）

0 引言

水利枢纽建设完成后会导致外部环境出现不同程度的变化。例如，河道沉积导致河床变化。外部条件改变会对水利枢纽工程安全产生一定影响。因此，适时复核水利工程安全是十分必要的［1-3］。影响水利枢纽正常使用的重要条件包括渗流和稳定性。结合常州市大运河东枢纽节制闸工程，分析变形观测成果以及复核渗流及稳定性问题。

1 工程概况

大运河东枢纽为常州运河北片大包围主要口门建筑物之一，是常州市水利分区运北片的重要防洪控制工程。枢纽地处常州市中心城区，位于距丁塘港河口520 m的大运河河道上。北侧毗邻常戚公路，由一座2×16 m节制闸和一座100 m3/s的排涝泵站组成，其主要功能是防洪、除涝和改善城市水环境。节制闸为两孔，单孔净宽16 m，采用下卧式平面钢闸门，液压启闭机操作。

图1 大运河东枢纽

2 监测成果分析

2.1 垂直位移观测成果分析

至2017年11月平均累计位移量为1 mm，其中最大的5 mm，最小的为0 mm，抬升的有4点。底板的最大累计位移量为2 mm，位于底板西北角，相邻最大不均匀量为3 mm，其历时3年。翼墙最大累计位移量为5 mm，位于翼墙中部，相邻最大不均匀量为3 mm，其历时3年。通过以上数据分析说明，大运河东枢纽垂直位移总体较趋于稳定。

2.2 引河河道断面观测成果分析

河道断面从2014年开始观测，共设8个断面，外河侧共设4个断面，内河侧共设4个断面，所有断面桩均在河道两侧采用不锈钢标志进行固定，并进行断面桩顶高程的考证。为能在河道断面图上进行冲淤量比较，以首次测量断面为标准断面，冲淤量比较表中的计算水位采用设计标准（外河侧5.95 m，内河侧4.8 m）。

引河河道断面观测数据定性和定量分析如下。

外河侧：本年度汛前及汛后两次观测结果与去年基本保持一致，无突发性不合理变化。由于水流影响，本年度汛前断面在C.S.1上0+050位置表现为河道底部与去年保持一致，两侧边坡有0.1 m～0.2 m淤积；汛后两侧边坡淤积更为明显，与去年相比两侧边坡淤积量达到0.1 m～0.3 m。断面C.S.2上0+100及C.S.4上0+200位置汛前断面与去年相比河道底部有0.2 m冲刷，河道右侧边坡基本一致，左侧边坡有0.2 m淤积。汛后断面基本与汛前保持一致。断面C.S.3上0+15位置汛前断面与去年相比河道底部基本保持一致，左右两侧边坡有0.1 m～0.2 m冲刷，汛后断面与汛前断面相比无明显变化。

内河侧：本年度断面C.S.1下0+050及C.S.2下0+100与去年相比均表现为河道底部及左侧边坡基本保持一致，右侧边坡有0.1 m～0.2 m淤积。汛后断面与汛前断面基本保持一致。断面C.S.3下0+150位置汛前断面与汛后无明显变化，与去年相比，左岸边坡基本保持原状，河道底部及右侧边坡有0.1 m～0.3 m冲刷。断面C.S.4下0+200位置汛前断面与汛后基本保持一致，与去年相比，河道底部基本不变，两侧边坡有0.1m～0.3m淤积，初步分析是由水流引起的。

由实测数据及以上分析可知，大运河东枢纽垂直位移较稳定；河道固定观测断面在汛前及汛后与去年相比无突发性变化。

3 安全复核计算

3.1 渗流复核

3.1.1 水位组合

大运河东枢纽节制闸渗流复核计算水位组合见表1。

表1 水位组合

渗流计算采用上下游水位差最大时的水位，故取工况3（正向）进行渗流计算。上游侧水位为5.95 m，下游侧水位为4.00 m，水位差为1.95 m。

3.1.2 防渗复核

（1）验算渗流长度

闸基地下轮廓布置见图2。地基持力层置于灰、褐黄色粉质粘土、重粉质壤土层上，因此，根据规范粘土的允许渗径系数取为2～5。

图2 闸基地下轮廓布置示意图（单位：高程m；长度cm）

其实际长度：L实=30.16 m；ΔH=1.95 m；

C=L实/ΔH=30.16/1.95=15.47＞[C]=2～5；

故闸基底板防渗长度满足规范设计要求。

（2）渗流计算

采用改进阻力系数法计算，得到地下轮廓简化和分段，见图3。

①计算地基有效深度：L0=26 m；S0=1.2 m

L0/S0=26/1.2=21.67＞5

Te=0.5L0=0.5×26=13 m

闸基土质均匀，闸基渗流的影响范围以有效深度Te控制。

②计算各典型段的阻力系数：

各典型段阻力系数计算公式如下：

进出口段：

式中：ξ0进、出口段的阻力系数；S板桩或齿坎的入土深度，m；T地基透水层深度，m。

内部垂直段：

式中：ξy内部垂直段的阻力系数。

水平段：

式中：Lx、ξx水平段长度、阻力系数；S1、S2进出口段板桩入土深度，m。

进出口段水头修正h0"=β"h0

式中：h0、h0"修正前、后进出口段水头损失值；β"阻力修正系数；S"底板埋深与板桩入土深度之和，m；T"另一侧透水层深度，m。

上闸首各典型段的几何特征及阻力系数计算见表2。

②各典型段渗压水头损失计算

表2 阻力系数计算表

表3 各典型段末渗压水头损失计算表 单位：m

表4 各典型段末渗压水头损失修正表 单位：m

④渗透坡降计算

渗流计算采用上下游水位差最大时的水位，故取工况3运行水位进行渗流计算。上游侧水位为5.95 m，下游侧水位为4.00 m，水位差为1.95 m。

持力层为灰、褐黄色粉质粘土、重粉质壤土，渗透坡降系数为J0［］=0.5～0.60；Jx［］=0.25～0.35。

渗流出口最大渗透坡降：

水平段最大渗透坡降：

故闸基底板渗流出口坡降满足要求，水平坡降都满足要求。

3.2 稳定复核计算

3.2.1 闸室结构

节制闸为整体坞式结构，取节制闸一孔为计算对象，闸底板顺水流方向长26 m。闸底板上游底面高程为-1.6 m，下游底面高程为-1.5 m，底板厚为1.8 m，闸墩顶高程为6.8 m。

具体闸室结构图见图3。

图3 闸室结构布置图（单位：高程m；长度cm）

3.2.2 计算工况

大运河东枢纽节制闸工程节制闸计算水位组合见表5。

表5 节制闸稳定复核计算水位组合表

3.2.3 计算荷载

计算考虑的荷载为结构自重、水重、水压力、扬压力、浪压力、地震惯性力等。大运河东枢纽节制闸工程所处场地的地震动峰值加速度为0.1 g，相当于地震基本烈度7度。地震烈度为7度时，须进行抗震计算。地震荷载主要考虑地震惯性力、地震动水压力。闸室承受的水平地震惯性力按下式计算：

式中：Fi作用在质点i的水平地震惯性力代表值；ah水平向设计地震加速度；ζ地震效应折减系数，ζ=0.25；GEi集中在质点i的水平向地震惯性力代表值；αi质点i的动态分布系数。

3.2.4 计算方法

（1）闸室抗滑稳定安全系数按下式计算：

式中：Kc安全系数；∑G作用于闸底以上竖向荷载；∑H作用于闸室水平荷载；φ0作用于闸室基础底面与土质地质之间的摩擦角（依据地质资料）；

（2）地基应力计算按下式计算

3.2.5 计算结果

根据以上方法，在各计算工况下大运河东枢纽节制闸的抗滑、抗浮稳定安全系数、地基应力及其不均匀系数的计算成果见表6。

表6 大运河东枢纽节制闸工程节制闸稳定复核计算成果表

表6复核计算成果表明：由地质资料可知，大运河东枢纽闸室底板底高程在-3.3 m，持力层为粉质粘土、重粉质壤土层，地基承载力标准值130 kPa，故地基承载力、地基应力不均匀系数、抗滑稳定安全系数在各工况下均满足要求。

4 结论

（1）通过分析垂直变形和河道变形成果可知，大运河东枢纽垂直位移较稳定；河道固定观测断面无突发性变化。

（2）通过渗流复核计算，不同水位组合下节制闸防渗长度、渗透坡降等渗流参数均满足规范要求。

（3）通过稳定性复核计算，不同荷载组合条件下节制闸的抗滑、抗浮稳定安全系数、地基应力及其不均匀系数均满足要求。综合分析可知，节制闸整体稳定性较好。