水闸闸室结构安全稳定复核分析研究

杨启龙

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

某水库流域集水面积2 112 km2，库区范围4.5 km2，于1987年兴建，1997年建成蓄水运行。水库原总库容3 770万m3，死水位1 563.55 m，死库容1 000万m3；兴利水位1 570.55 m，兴利库容2 524 万m3；汛限水位1 569.55 m，相应库容2 268.3 万m3；设计洪水位1 572.05 m，相应库容3 040 万m3，非常运行期水位1 574.10 m。水库主要任务是拦蓄布谷孜河洪水和冬闲水，解除流域的洪水、干旱双重灾害，保证水电站引水发电，同时兼顾养殖、旅游。溢洪道为开敞式溢洪道，布置在大坝西面约70 m 处，由进口段、控制堰（控制堰采用驼峰堰、弧形闸门控制）和泄槽组成，总长102 m，堰顶宽3×12 m，堰顶高程1 566.50 m，泄槽纵坡0.038。

2 闸型方案综合比较选择

2.1 溢洪道闸胸墙式直升门结构

根据工程特点，对胸墙式直升门、胸墙式弧形门、涵洞式3 种闸室结构型式进行方案比选。新建溢洪道闸闸室采用胸墙式直升门结构，闸孔总净宽24 m，共3孔，每孔净宽8 m。闸底板顶面高程4.50 m，厚1.4 m。闸中墩厚1.1 m，边墩厚1.1～1.4 m。闸室顺水流方向长18 m，垂直水流方向宽29 m。闸门偏下游侧布置，采用平面定轮直升式钢闸门，配备卷扬式启闭机启闭。工作闸门上游侧设检修门槽，检修门为浮箱式叠梁门，采用汽车吊启闭。闸门上方设工作桥，桥面高程22 m、宽5 m，上设启闭机房。

考虑两岸防汛交通要求和日常管理工作需要，在闸身上游侧布置净宽7 m 的交通桥，汽车荷载等级采用公路-Ⅱ级，为现浇板式结构，桥面高程14.5 m。交通桥与闸两侧堤顶道路相接，闸室两侧均设路堤墙，墙顶高程14.5 m。启闭机房东、西侧分别设控制室和桥头堡。

2.2 溢洪道闸胸墙式弧形门结构

新建溢洪道闸闸室采用胸墙式弧形门结构，闸孔总净宽24 m，共3 孔，每孔净宽8 m。闸底板顶面高程4.50 m，厚2.0 m。闸中墩厚1.1 m，边墩厚1.1～1.4 m。闸室顺水流方向长20 m，垂直水流方向宽29.0 m。闸门偏上游侧布置，采用弧形钢闸门，配备QH-2×160 kN 弧门卷扬式启闭机启闭。工作闸门上游侧设检修门槽，检修门为浮箱式叠梁门，采用CDI-20 kN-12D 电动葫芦启闭。闸门上方设工作桥，桥面高程21.0 m，宽5.0 m，上设启闭机房。闸身下游侧布置净宽7.0 m的交通桥，汽车荷载等级采用公路-Ⅱ级，为现浇板式结构，桥面高程14.5 m。交通桥与闸两侧堤顶道路相接，闸室两侧均设路堤墙，墙顶高程14.5 m。启闭机房东、西侧分别设控制室和桥头堡。

2.3 溢洪道闸涵洞式结构

新建溢洪道闸闸室采用矩形箱涵结构，共3 孔，每孔孔径8.0 m×4.0 m（宽×高），闸室底板面高程4.5 m、厚1.5 m，顶板底高程8.5 m、厚1.1 m。闸中墩厚度1.1 m，边墩厚度1.1 m。整个闸室顺水流方向长度17.0 m，垂直水流方向宽度28.4 m。工作闸门采用平面直升式钢闸门，配备QP-2×250 kN-11m 卷扬式启闭机。工作闸门上游侧设检修门槽，检修门为浮箱式叠梁门，采用CDI-20 kN-12D电动葫芦启闭。闸门上方设工作桥，桥面高程21.5 m、宽5.0 m，上设启闭机房。闸身下游侧布置净宽7.0 m的交通桥，桥面高程14.5 m，汽车荷载等级采用公路-Ⅱ级。交通桥与闸两侧堤顶道路相接，闸室两侧均设路堤墙，墙顶高程14.5 m。启闭机房东、西侧分别设控制室和楼梯间。

3 种闸室结构方案投资比较详见表1，综合比选详见表2。

表1 溢洪道闸3种闸室结构方案投资比较

表2 溢洪道闸闸室结构方案综合比选

经比较，3 种方案技术上均可行，方案1 闸门偏下游侧布置，有效利用了上游水重来满足挡洪期闸室稳定要求，节省了工程量，且启闭机房位于下游，和管理所同侧，方便管理。方案2、3 闸室结构无法有效利用上游水重，为满足闸室稳定要求，需加长加厚底板或在涵洞上部空箱内填土压重，且投资均比方案1高，故本次拟选用方案1。

3 溢洪道闸结构安全复核分析

3.1 溢洪道闸水位组合

本次复核计算所用水位组合，详见表3。

表3 溢洪道闸复核计算水位组合

3.2 溢洪道闸堤顶高程复核

根据《水闸设计规范》（SL265-2016）第4.2.4条，闸顶高程计算结果为13.77 m，实际闸顶高程14.50 m，溢洪道闸闸顶高程满足要求。

3.3 溢洪道闸过流能力复核

根据《水闸设计规范》，溢洪道闸的过流能力计算结果详见表4。

表4 溢洪道闸过流能力计算成果

由表4可知，该闸过流能力均满足要求。

3.4 溢洪道闸渗流复核

3.4.1 溢洪道闸防渗长度验算

溢洪道闸闸基地下轮廓布置，如图1 所示。该工程持力层为粗中砂、灰砾石，局部有少量黏土，根据规范允许渗径系数取7。

图1 溢洪道闸闸基地下轮廓布置示意

因L实= 32.99 m、ΔHmax= 7.51m（设计工况下H上=13.01 m、H下=5.5 m），故C=L/ΔH= 32.99/7.51=4.39<[C]= 7，闸基防渗长度不满足要求。

3.4.2 溢洪道闸渗流复核计算

根据地下轮廓的特点，采用改进阻力系数法计算，地下轮廓简化和分段如图2所示。

图2 溢洪道闸地下轮廓简化、分段布置示意

由于地基土为粗中砂及砾石，取[J0]=0.40～0.45、[Jx]=0.15～0.17。经计算，闸身出口最大渗透坡降J0=0.272/0.55= 0.49>[J0]=0.40～0.45，闸身水平段最大渗透坡降Jx= 3.877/20= 0.19>[Jx]=0.15～0.17，闸身水平段、出口渗透坡降均不能满足要求。

3.5 溢洪道闸消能复核

根据《水闸设计规范》，消能复核计算成果详见表5。

表5 溢洪道闸消能复核计算成果

由表5 可知，消能Ⅰ、Ⅱ工况的消力池池长不满足要求，池深、底板厚度及海漫长度均满足要求；消能Ⅲ工况的消力池池深、长度不满足要求，底板厚度、海漫长度均满足要求。

3.6 溢洪道闸闸室稳定复核

3.6.1 溢洪道闸闸室结构

取溢洪道闸闸身上游段为计算对象，闸室共分为4孔，加固前，闸孔净宽6.0 m，总净宽24.0 m，底板为反拱底板，顺水流方向长20 m，垂直水流方向长27.1 m，中墩厚0.7 m，边墩厚度0.5 m，设胸墙，胸墙高程为8.5 m。加固后，闸孔净宽为5.8 m，总净宽23.2 m，底板厚0.6 m，反拱底板采用混凝土填平，中墩厚0.9 m，边墩厚度0.6 m，底板顶高程为4.5 m，闸上布置工作桥、公路桥和工作便桥。闸室结构，如图3所示。

图3 溢洪道闸闸身上游段结构布置

3.6.2 溢洪道闸闸室稳定计算成果

根据《水闸设计规范》，闸身上游段稳定计算成果详见表6。

表6 溢洪道闸闸身上游段稳定计算成果

由表6 可知，溢洪道闸闸身上游段的抗滑稳定安全系数、地基应力不均匀系数均不满足要求，地基承载力满足规范要求。

3.7 溢洪道闸结构复核计算

3.7.1 溢洪道闸闸室结构复核

采用有限元法对闸室结构进行受力分析，经计算，闸室配筋成果详见表7。

由表7 可知，门槽附近底板、其他位置底板面层、上下游段闸墩、排架、撑梁等结构经过配筋计算，其结构承载能力均满足要求。其他位置底板底层实际上未配钢筋，但其混凝土抗拉强度基本能满足要求。

表7 溢洪道闸闸室结构配筋计算成果

3.7.2 溢洪道闸工作桥结构复核

（1）工作桥结构。工作桥桥面高程16.0 m、宽2.95 m，采用梁板现浇的C25 钢筋混凝土结构，具体结构如图4所示。

图4 溢洪道闸工作桥结构

（2）横梁配筋计算。横梁和纵梁整浇在一起，与纵梁的连接为半固定状态，计算内力时可作简化处理，计算正弯矩时按简支考虑，计算负弯矩时按固定支座考虑，计算成果详见表8—9。由表8—9 可知，工作桥横梁强度满足要求。

表8 溢洪道闸横梁底部纵筋配筋计算成果

表9 溢洪道闸横梁顶部纵筋配筋计算成果

（3）纵梁配筋计算。①正截面强度复核：纵梁两端搁置在排架上，可按简支梁计算，结果详见表10。由表10可知，纵梁正截面强度满足要求。②斜截面抗剪强度复核：实际φ8@200 的箍筋沿全梁布置，则Vcs=0.7ftbh0+1.25fyv Asvh0/s=202.24 kN>KV=193.2 kN，故纵梁斜截面抗剪强度满足要求。

表10 溢洪道闸纵梁正截面承载力配筋计算成果

4 结语

经计算分析，溢洪道闸顶高程满足要求，在各种工况下过流能力均满足要求。该闸消能Ⅰ、Ⅱ工况的消力池池长不满足要求，池深、底板厚度及海漫长度均满足要求；消能Ⅲ工况的消力池池深、长度不满足要求，底板厚度、海漫长度均满足要求。闸基防渗长度不满足要求；闸身水平段渗透坡降基本满足要求，出口渗透坡降不能满足要求。溢洪道闸原设计标准低，且已运行超过40 a，混凝土病害严重，被评定为四类水闸。建议尽快立项实施拆除重建，确保工程安全运行；同时，应加强安全观测，必要时采取应急措施。