徒骇河宫家闸除险加固方案比选及抗渗稳定分析

宋文燕， 范立群，李斌旭

(1.德州市水利局，山东 德州 253000;2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

除险加固是拦河节制闸提高防洪标准，恢复水位调节和下泄流量控制功能，确保水闸安全运行并充分发挥工程效益，以及促进区域经济稳定发展的再创造过程[1]。宫家节制闸是德州市徒骇河干流上的重要拦蓄水枢纽。工程兴建于1968年，由于当时建设技术标准低、施工条件及质量差[2-4]，加之近50a的服役，尤其是近10a来一直处于“带病运行”低效工况。2009年安全鉴定及2011年水利部病险水闸安全鉴定核查，认定宫家闸为三类闸，存在河道淤积严重[5]、混凝土结构构建物腐蚀严重[6]、抗渗稳定性不满足要求、电气设备老化失修等问题，安全泄洪及拦蓄灌溉条件日趋恶化，亟需进行除险加固处理。本文针对宫家节制闸除险加固方案展开论证比选，并对闸基防渗排水体系布置进行了探讨。

1 工程概况

宫家闸位于临邑县临南镇宫家村南，徒骇河干流桩号213+815处，是一座大(2)型水闸。原设计防洪流量1080m3/s，排涝流量702m3/s，设计挡水位17.10m，设计蓄水量8.50×106m3，最大蓄水量1.140×107m3，年调节水量4.250×107m3。工程任务为蓄水灌溉和防洪排涝，满足两岸6333.33hm2(设计灌溉面积)种植作物的用水需求；同时水闸兼顾河道行洪除涝、改善生态环境和衔接两岸交通等功能。宫家闸原设计最大过闸流量为1080m3/s，属于1000～5000m3/s范畴，为Ⅱ等2级水工建筑物。

2 除险加固方案比选

2.1 水闸病险现状

宫家闸建成运行至今，在拦蓄灌溉、泄洪排涝等方面均发挥良好效益，但由于服役时间长、建设技术标准低、施工质量差等因素综合影响，水闸现存在诸多安全隐患，主要表现为：①水闸整体混凝土强度偏低、碳化严重，造成内部钢筋锈蚀，多处混凝土开裂，严重影响水闸安全运行。②机架桥及排架柱因存在混凝土碳化和裂缝，承载能力大为降低；主梁、部分双向受力的面板及排架柱不满足规范要求。③两侧边墩绕渗严重；桥头堡和刺墙受基础不均匀沉陷和绕渗作用，已产生错位，止水失效。④无启闭机房；金属结构设施已超过规定折旧年限。⑤观测设施老化废弃；电气设备简陋，老化严重。经安全鉴定，水闸运行指标达不到设计标准，工程老化损坏严重，亟需进行除险加固处理，以恢复其拦蓄灌溉、泄洪排涝等运用功能，评定为三类闸。

2.2 除险加固方案比选

现状节制闸闸墩、排架柱、机架桥、生产桥混凝土碳化、麻面、裂缝、露筋锈蚀严重，耐久性差；闸室小底板和大底板不均匀沉降，裂缝严重，配筋不满足现行规范要求，需进行闸室全部拆除重建。综合考虑闸址处地形地质条件、构建物布置、施工组织和运维条件等因素，设计3个方案进行对比分析：①方案一：地基改建为复合地基、闸室改建为倒π型结构；②方案二：加固灌注桩基础，闸室改建为倒π型结构；③方案三：保留灌注桩基础、闸室维持大小底板结构。见表1。

从表1可知，方案三将闸室拆除改建，可以解决闸室混凝土老化、强度低、配筋不足等问题，满足现行规范要求。水平承载力也能满足要求，但安全系数裕度较小，且原灌注桩已经埋入地下近50a，其承载力存在一定不确定性；方案二不但将闸室拆除改建，并通过补桩提高桩基的整体承载能力。但该方案仍采用混凝土灌注桩基础，存在闸底板与地基土“脱空”的可能性；方案一上部结构与方案二相同，地基采用与闸室协同变形能力更好的水泥土搅拌桩复合基地，避免了闸底板与地基土“脱空”可能性，同时，采用复合地基不但能提高地基竖向承载力，而且能提高底板与地基间的摩擦系数，有利于闸室抗滑稳定。另外，建筑工程投资方案二最高，方案三最小，方案一居中。

表1 宫家闸除险加固方案比较

综上所述，3个方案均能满足闸室稳定及桩基承载力要求，但由于目前无法对原桩基承载力进行可靠检测，原桩基承载力存在一定的不确定性。同时，如仍采用原混凝土灌注桩存在闸底板与地基土“脱空”的可能性，为确保水闸除险加固后工程安全可靠，优选与工程匹配性更高、技术经济性更优的方案一。

3 水闸抗渗稳定性分析

渗流问题与水闸的安全运行有着紧密的联系，水体渗流会破坏水闸整体稳定性，导致水闸闸墩、挡墙等发生渗透变形，严重时还会引起水闸垮塌等恶性事故发生。因此，有必要对不同工况条件下的水闸渗流稳定性进行分析，整体评价水闸除险加固后的安全稳定性[9-10]。

3.1 水闸防渗排水措施

水闸现状上游钢筋混凝土铺盖段长18m，闸底板水平长度14.0m。除险加固拆除改建上游铺盖，铺盖与闸室底板及翼墙底板之间设止水，改建段铺盖与原铺盖之间施工缝内填塞遇水膨胀止水条，临水面采用沥青砂浆勾缝，挖除铺盖下砂壤土，采用水泥土回填。排水孔设在下游护坦上，共3排，其中第1排距闸室底板1.0m，排水孔下设反滤层。

除险加固拆除改建闸室底板及下游翼墙，需拆除改建影响范围内下游消力池底板，改建段长度为4.0m，底板与闸室底板及翼墙底板之间设止水，改建段底板与原底板之间施工缝内填塞遇水膨胀止水条，临水面采用沥青砂浆勾缝。同时改建消力池底板下回填中粗砂，改建段底板设直径5cm的PVC排水管，排水管共3排，每排间距1m，梅花形布置。

水闸两岸连接采用混凝土扶壁式翼墙，前端为圆弧翼墙，其中与钢筋混凝土铺盖衔接段顺水流向投影长度为10m，后为直线翼墙，长8m，墙顶高程19.60m；钢筋混凝土闸室边墩，顺水流方向长度14.0m，墩顶高程19.60m。翼墙与翼墙间、翼墙与边墩间均设止水。翼墙和边墩后填筑壤土，设计压实度0.94，渗透系数建议值为9.0×10-5cm/s。下游挡土墙设3排孔径为50mm的PVC排水管，排水管墙内侧端头设土工布及粗砂反滤。

3.2 抗渗稳定分析

3.2.1闸基渗透稳定分析

(2)计算工况及计算模型。计算工况：①正常挡水工况：闸前正常蓄水位17.10m，下游水位平闸底板；②加大挡水工况：闸前正常蓄水位17.60m，下游水位平闸底板。利用有限元软件建立水闸渗流计算模型及网格划分情况，模型中为简化计算仅示意水闸铺盖、水闸底板以及闸门等关键部位。在水闸上部定义上游水位总水头，水闸下部平底板部位定义下游水位总水头。如图1所示。

图1 水闸渗流计算模型

(3)计算成果分析。经有限元数值计算获得水闸闸基渗流稳定分析成果，见表2，如图2—3所示。

图2 闸基渗流等势线图(正常挡水工况)

表2 闸室渗透比降计算成果

根据表2计算成果可知，闸底板与基础接触面渗透比降最小值为0.125，闸后出逸点透比降最小值为0.303，均小于渗流坡降0.30和0.50允许值要求，且富裕度较大，水闸整体安全稳定性较高。

3.2.2侧向绕渗分析

由于闸室边墩及翼墙两侧回填壤土，渗透系数为 9.0×10-5cm/s，小于地基土的渗透系数。根据SL 265—2001《水闸设计规范》，参照闸基渗流计算方法进行分析得防渗长度：

图3 闸基渗流等势线图(加大挡水工况)

L=CΔH

(1)

式中，L—防渗长度，m；ΔH—上、下游水位差，ΔH=5.5m；C—允许渗径系数值，墙后回填壤土，取C=5。

经计算，防渗长度L需要大于 27.5m，而宫家闸除险加固方案中上游翼墙及边墩顺水流向设计总长度为32m，满足防渗要求。

4 结论

除险加固是病险水闸全面消除安全隐患，恢复蓄水灌溉、防洪排涝和生态环境供水等功能和兴利效益的重要工程措施。通过对宫家闸除险加固技改方案的可行性与经济性进行论证分析，主要结论如下。

(1)根据现场检测和安全鉴定复核成果，宫家闸属长期“带病超期超载”服役的病险水闸，水闸运用指标无法达到设计标准，存在严重的安全问题，被鉴定为三类水闸，亟需进行除险加固以消除病险隐患，确保其功能和效益稳定发挥。

(2)综合考虑水闸病险现状、主体结构性能、构建物布置等条件，设计优选的水泥土搅拌桩复合地基拆除重建方案，能较好地适应闸室沉降变形，且利于闸基渗流稳定。

(3)闸基渗流和侧向绕渗分析成果表明，除险加固防渗排水措施设置合理可靠，渗透比降及渗流长度满足规范要求，整体安全稳定。