采用锚杆增强三河闸抗滑稳定技术研究

周和平，陆美凝，严 凯，郭 军

（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100；2.江苏省淮河入海水道工程管理处，江苏 淮安 223200）

1 研究背景

三河闸位于江苏省洪泽区和盱眙县交界处，洪泽湖东南角，是淮河入江水道的控制口门。1952年10月1日动工兴建，1953年7月26日建成放水。闸身为钢筋混凝土结构，共63孔，每孔净宽10m，原设计流量为8 000m3/s，1968年加固提高到12 000m3/s，为大（1）型水闸，等别为Ⅰ等。设弧形闸门，配卷扬式启闭机。经历过4次较大规模加固，主要功能为排泄淮河洪水、调蓄洪水减轻下游防洪压力，以及拦蓄来水为地区生活、生产、生态、航运等提供水源，建成以来发挥了巨大的经济社会效益。

1.1 闸身抗滑安全富余有待恢复

1954年淮河大洪水后，洪泽湖规划水位做调整，设计水位由15.3m调整到16.0m，并增设校核水位为17.0m，蓄水位由12.5m调整到13.5m，超工程设计标准，三河闸抗滑稳定安全富余下降，须采取措施。考虑闸顶压载抗滑，但底板配筋不允许；考虑加固闸底板，需构筑施工围堰，淮河防汛不允许。因此，1967年前三河闸加固设计未能定案。1968—1970年重启设计、加固，开展拖板试验，取得地基土较高c、φ值，采取提高地基土摩擦系数、闸身局部增加重量、设计水位和校核水位时按泄洪8 000m3/s核算，并调低设计水位和校核水位时抗滑安全系数等措施，使三河闸抗滑稳定计算成果符合有关规范要求［1］。此后的安全鉴定、加固设计，均遵循水闸设计规范，地基土摩擦系数取0.45（三河闸原设计取0.33），核算成果一般表达为：考虑拖板作用时，三河闸各工况下抗滑安全系数均满足规范要求；不考虑拖板作用时，地震工况下抗滑稳定安全系数不满足规范要求。

拖板有无效用，存在争议，无法验证。但是，三河闸在提高使用标准的同时，未能通过工程措施提高工程标准，而是挖掘地基潜力达到计算安全，总体是降低了工程的安全富余度，与工程重要性不对等。

1.2 闸底板配筋有待补强

工程建成以来，历经多次加固，先后接长了闸墩、门墩，增设了新的工作桥、排架、启闭机房，拓宽了公路桥，这些荷载都是工程设计时没有考虑的，增加了底板弯矩和剪力，核算成果表明，局部钢筋配置只能勉强满足规范要求。

更为严重的是，多年来为埋设测压管和渗压计，闸底板钻孔达41个（表1）。钻孔直径都在130mm左右，或在闸墩、门墩部位，或在闸孔位置，截断钢筋若干，且相对集中于3、6、11、16、19号底板。底板上钻孔对底板的伤害呈隐性状态，看不见也就不被重视，但钢筋切断，必然导致配筋不足，裂缝扩展、延伸，危害极大。

表1 三河闸测压管渗压计布设情况

1.3 三河闸抗滑稳定需增强

2008年2月，中国工程设计大师、工程院院士周君亮在《水利水电科技进展》发表文章《地基土上水工建筑物的抗滑动稳定》，描述到1968年三河闸加固设计抗滑稳定的算法，认为提高地基土摩擦系数属于经验取值，虽计算安全，工程也经过了冬春季较高蓄水位的考验，但还存在不确定性，主张待解决淮河洪水出路（兴建三河越闸）后，打坝加固底板，闸身压重，彻底提高工程抗滑稳定性［1］。

2015年2月、2016年10月、2018年4月，周君亮院士又就地基土上建筑物的滑动问题在《江苏水利》发表系列研究文章［2-4］，均强调三河闸需进行抗滑稳定加固（《江苏水利》编辑部曹海明同志讲，周君亮院士亲自到编辑部送稿，并说一直在反复思考，要对江苏水利重要技术有交待）。周君亮院士指出，归档计算书按似岩基抗剪断法计算存在错误，地基土与混凝土间摩擦系数取用偏高；铺盖不应作为拖重；三河闸下游渗流出口不完全畅通，闸身渗压比计算稍大；三河闸洪水位17.0m时抗滑安全需做进一步论证；主张先建三河越闸，再加固三河闸。

对周君亮院士的忧虑，江苏省水利厅十分重视，要求深入开展技术研究，采取措施，消除隐患，目前均调度洪泽湖正常蓄水位不超过13.5m。管理单位积极开展相关技术研究，制定并落实工程控制运用方案，严格执行调度指令，确保工程安全。

2 抗滑方案比较分析

周君亮院士认为三河闸抗滑稳定存在不确定性，主张加固改造。若采用通行的底板补强、闸身压重方案，上游需构筑施工围堰，投资较大，且施工期导流尚无出路。若言拆除重建，投资更大，也要导流。能否不构筑围堰，另辟蹊径增强三河闸抗滑稳定呢？我们翻阅了历史档案，结合多年来三河闸运行管理情况，进行了深入研究。

2.1 底板压重法

底板压重法，是考虑在底板上均匀加载，能改善底板受力分布，减小钢筋受力。此法区别于闸顶加载，闸顶增加的荷载通过闸墩传递给底板，会增加底板跨中、支座部位弯矩。

（1）水重保持法。如图1，闸底板末端有一尾槛，高50 cm，尾槛上设有排水孔，下游水位低于高程7.5m时，能排除闸底板积水。若堵住尾槛排水孔，底板上能增加50 cm厚水重，对闸身稳定有益，设计蓄水工况（上游13.5m，下游7.5m，下同）下，闸身稳定安全系数由1.40提高到1.51（见表2，按规范计算，不计拖板，下同）。

表2 设计蓄水位下闸室稳定计算成果

图1 闸底板尾槛排水孔封闭蓄水示意（单位：m）

（2）钢筋混凝土填平法。如图2，将闸底板一定范围内用钢筋混凝土填充至高程8.0m，与尾槛同高，设计蓄水工况下，闸身稳定安全系数由1.40提高到1.61。实施时植筋、布筋，同时补强底板。

图2 闸底板局部增厚示意（单位：m）

（3）底板尾槛增设矮门法。如图3，在尾槛上设置矮门挡水，使底板上储水一定高度，譬如矮门高1.7m，相当于在闸底板上增加了2.2m厚水重，设计蓄水工况下，闸身稳定安全系数由1.40提高到1.86。若摩擦系数取为0.33（原设计选用，下同），安全系数为K=1.36>1.35，相当于该工况下恢复了工程设计标准。

图3 闸底板尾槛增设活动矮门示意（单位：m）

以上3种办法，均有利于闸身稳定，能改善闸底板受力，无需导流，但各有利弊。水重保持法易实施，但效果不明显；钢筋混凝土填平法效果稍好，同时能补强闸底板，但不能大幅增强闸身稳定；底板尾槛增设矮门法能大幅提高闸身稳定性，但工程管理任务显著加重。

2.2 抬高下游水位法

抬高下游水位，增加了下游底板上水重和下游水压力，降低了扬压力，有利于闸身稳定。譬如将下游水位抬高到10.0m，设计蓄水工况下，闸身稳定安全系数由1.40提高到1.84。若摩擦系数取为0.33，安全系数为K=1.35，达到原设计标准。抬高下游水位思考两个途径。

（1）下游新建橡胶坝。在下游适当位置，新建顶高程10.0m的橡胶坝，挡水时升高，泄水时放倒。下游需构筑围堰，需较大投资。

（2）提高入江水道金湖控制挡水高度。改造入江水道金湖控制，提高挡水高度到10.0m。该方案影响较大，涉及入江水道金湖控制的改造和上游滩地的淹没。金湖控制的改造包括挡水工程建设、东偏泓闸、西偏泓闸、船闸改造，需数千万元投资。可分段施工，不需导流。金湖控制上游入江水道内，洪泽区有滩地约666.67 hm2，金湖县有滩地面积约266.67 hm2，若水位抬高到高程10.0m，滩地基本全部下水，该段入江水道成为湖泊。这样的转换，需要分析评估、顶层决策。

2.3 锚杆抗滑法

显然，以上各方案存在一个普遍问题：能增强蓄水期闸身抗滑稳定，却不能增强洪水位17.0m时闸身抗滑安全。但是，锚杆法能增强闸身各种工况下的抗滑稳定。

3 杆设置与计算

3.1 锚杆的布置与钢索选用

锚杆布置应避开钢筋密集部位，同时选在底板跨中部位。在三孔一连的闸底板上，闸孔内各布置1组，计3组，门墩之间各布置1组，计5组，共8组，平面布置如图4。每组锚杆选用3根常用钢绞线（直径15.24mm，破断力约240 kN）。下锚角度设为45°（锚碇偏上游，如图5），锚入地下长度、锚固方式等另处理。

图4 闸底板锚杆布置平面示意

图5 闸底板布置锚杆剖面（单位：m）

3.2 闸身稳定计算

锚杆安装张拉力取钢绞线破断力的75%（K=1.33），总的张拉力为4 320 kN，水平分力、垂直分力均为3 054 kN。综合各种荷载，针对各种工况，将摩擦系数分别取为0.45和0.33，进行闸身抗滑稳定计算，成果见表3。成果显示，采用本设计方案，各种工况下工程抗滑稳定均达到或超过原设计标准。各计算工况中，校核蓄水位为作者个人特别验算，其它均为工程原设计工况。

表3 锚杆法闸身抗滑稳定计算成果

3.3 可能出现的问题与对策

（1）对闸底板钢筋的影响如何消除？底板跨中部位面层钢筋受拉，不能截断，底层钢筋受压，截断影响不大。三河闸底板高程7.5m，施工期可稍稍降低下游水位，排除底板积水，干法施工。采用混凝土钢筋检测仪能定位面层钢筋，也就能避开面层钢筋钻孔，确保不截断受力钢筋。

锚杆发挥作用后，能降低跨中弯矩和支座反向弯矩，总体改善闸底板受力，但锚杆受力后，底板部分钢筋出现附加拉应力。为消除不利影响，可将锚杆抗滑方案与门后闸底板填平方案结合使用，同时进一步补强底板。

（2）底板钻孔会不会引起渗透破坏？闸墩之间闸底板上的钻孔，其渗径较短，水平约39.0m，垂直约3.5m，地下轮廓线投影总长度L=42.5m。运行期最大水位差△H=6.0m（设计工况，H上=13.50m、H下=7.5m）。闸底板、上游护坦位于棕黄夹灰色粉质黏土上，按《水闸设计规范》SL265—2001表4.3.2，取允许渗径系数值［C］=3。计算渗径系数C=L/△H=7.08，大于允许渗径系数值，钻孔处防渗长度满足规范要求，不会出现渗透破坏。

（3）如何防止锚具前滑？锚杆斜向设置，锚具收到向前的拉力，为防止锚具前滑，应先采用钢筋混凝土填平闸底板，将锚具预埋好，28 d后再张拉锚杆，最后采用混凝土封闭锚具。

4 结语

4.1 锚杆法阻滑效果良好

（1）加固全面。能恢复工程原设计标准，保证各种工况下闸身抗滑安全。

（2）补强底板。多年来为埋设测压管、渗压计，闸底板钻孔41个，且相对集中，截断受力钢筋若干，危害极大。将锚杆抗滑方案与门后闸底板填平方案结合使用，能改善闸底板受力，消除测压管、渗压计设置带来的危害。

（3）无需导流。不构筑施工围堰，可利用泄洪、过流间隙施工。

（4）投资不大。与上游构筑围堰后补强底板、闸身压载方案相比，所需费用较小。

4.2 锚杆法阻滑意义重大

（1）有利于工程效益正常发挥和进一步提升。工程加固改造后，恢复了工程设计标准，消除了地基土不确定性、抗滑稳定不可靠的疑虑，可放心控制运用。

目前淮河入海水道二期工程已开工建设，淮河干流入湖段裁弯取直箭在弦上，洪泽湖综合治理卓有成效，倘三河闸完成加固改造，提高洪泽湖正常蓄水位的主要工程条件已经具备，若国家批准抬高洪泽湖正常蓄水位，将带来巨大的水资源效益和生态效益。

（2）有利于延长工程使用寿命。三河闸选址科学，地质良好；设计缜密，结构精巧；施工精湛，质量优良；目前变形不大，碳化轻微，安全鉴定为一类工程，运行70年安全无事故。三河闸是1949年中华人民共和国建国初期的巨大工程，蕴含着前辈们精雕细琢、精打细算的时代精神和人文精神，是宝贵的物质财富和精神财富。三河闸有一定病害，但可防可治，只要适当加固改造，无需太大投入，即能还其活力，焕发青春。愿三河闸百年屹立，经久不衰。