北野场闸结构安全复核分析

尚海龙，田苡菲，王志扬，朱新民

（1.北京江河中基工程咨询有限公司，北京 100073；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

水闸是为城市防洪、排涝等方面提供服务的重要基础设施，在经济社会发展中发挥着重要作用[1]。2021 年，水利部运行管理司司长阮利民[2]在水利专访中明确提出要扎实推进水利工程运行管理工作，开展水利工程安全隐患排查[3]，全力保障水利工程运行安全。根据《水闸安全鉴定管理办法》（水建管〔2008〕214 号）[4]，全国河道、灌排渠系、堤防上依法修建的由水利部门管理的各类水闸实行定期安全鉴定制度。我国大部分中小型水闸均建成运行多年，受建设年代经济社会和技术条件限制，存在建设标准偏低、配套设备落后等“先天不足”问题[5-7]。依据《水闸安全评价导则》（SL 214-2015）的规定[8]，须定期组织专业人员对水闸进行实地查勘，对水闸工程质量和运行管理情况进行评价，开展水闸安全评价分析工作。

1 水闸基本情况

北野场闸位于北京市大兴区北部，坐落在凉水河的支流新凤河北野场村段，为中型6孔节制闸，按新凤河北野场闸段河道规划的20 a 一遇洪水设计，相应流量320 m3/s，工程等级为Ⅲ等，主要建筑物级别为3 级，地震设防烈度8 度。因此，现状北野场闸设计洪水标准符合近期规划标准。

根据工程竣工图并经现场复核，北野场闸由闸室、防渗排水设施、消能防冲设施、两岸连接建筑物组成。闸室采用平底板开敞式结构型式[9]，为C30W4F200 钢筋混凝土结构，设2 联6 孔，单孔宽度6.0 m，孔口总净宽36.0 m，闸室总宽度45.8 m，上游正常蓄水位29.50 m，最高蓄水位29.70 m，设计闸顶高程30.30 m，闸底板顶高程25.27 m。因此，现状北野场闸闸底高程符合近期规划要求。

北野场闸闸室段长14.0 m，底板厚1.2 m，中墩（缝墩）厚1.8 m，边墩厚1.4 m，墩高5.03 m，墩顶与岸顶持平。顺水流向依次布置上游连接段、上游铺盖段、闸室段、消力池段、海漫段及防冲槽，总长度74.0 m。上游连接段长5 m，设置M7.5浆砌石厚0.5 m护底和护坡，与现状上游河底及两岸边坡顺接。铺盖段长10 m，底板为厚0.6 m C30 钢筋混凝土，两侧为C30钢筋混凝土挡墙。闸室下游消力池为长15.0 m、深0.5 m、厚0.6 m 的C30 钢筋混凝土结构，底板顶高程24.77 m，末端设高0.5 m 消力坎，上游侧采用1∶4的斜坡段与闸室段连接。海漫段长20 m，底板为厚0.5 m M7.5 浆砌石护底。防冲槽为长10 m、厚0.5 m干砌石防冲槽，槽深1.5 m。

北野场闸基本参数，详见表1。

表1 北野场闸基本参数

2 闸室稳定分析

2.1 荷载组合

北野场闸的闸室为3 孔1 段，共2 段。2 段闸室结构相同，二者之间设置永久缝。本次结构安全复核，以其中一段作为研究对象。

闸室稳定复核的主要内容有基底应力复核、抗滑稳定复核和抗浮稳定复核。闸室稳定复核的荷载组合参照《水闸设计规范》（SL 265-2016）第7 章，并结合北野场闸的实际情况，设置以下计算工况：正常蓄水位、设计洪水位、检修等情况、正常蓄水位遇地震。闸室水位情况，详见表1。

由于本次安全鉴定未获取水工建筑物荷载的原设计资料，所以诸多荷载均需重新计算或估算：建筑物的自重荷载依靠图纸尺寸计算；闸门和启闭机自重根据其尺寸和型号，参考相似工程的经验估算；闸室扬压力基于本次有限元[10]渗流计算的成果而计算。相关荷载取值及说明，详见表2。

表2 北野场闸荷载取值

2.2 闸室稳定计算分析

闸室稳定计算取两相邻顺水流向永久缝之间的闸段作为计算单元[11]。依据《水闸设计规范》（SL 265-2016）中的有关计算公式分别计算闸室基底应力、抗滑稳定安全系数和抗浮稳定安全系数[12]。

北野场闸闸室基底应力、抗滑稳定安全系数和抗浮稳定安全系数计算成果，详见表3。

表3 北野场闸闸室稳定计算成果

复核结论如下。

（1）北野场闸在各工况下的闸室基底应力均小于地基允许承载能力（100 ～180 kPa），闸室基底应力不均匀系数均小于允许值，满足相关规范要求。

（2）闸室抗滑稳定安全系数均大于允许值，满足相关规范要求。

（3）闸室抗浮稳定安全系数均大于允许值，满足相关规范要求。

3 闸室结构安全复核

3.1 闸室结构安全复核说明

本节对北野场闸的闸室结构承载安全状况进行复核分析，采用的方法为三维有限元法。考虑北野场闸的运行特点，分析3种不利的受力工况，即正常水位运行情况，正常水位运行遇顺河向、横河向地震情况。因设计洪水位情况的闸门前后水位差较小，对整个闸室结构受力更有利，故认为无复核计算的必要。

三维有限元模型，如图1所示。

图1 闸室结构三维有限元模型

模型模拟了河道左侧3 孔形成的一段闸室，包含闸墩、底板和地基及结构细节，共剖分128 730 个节点、116 914 个单元。模型的y 轴指向下游，x 轴指向右岸，z 轴向上。向闸室施加了闸室稳定分析所述的全部荷载，其中来自上部排架结构的荷载施加到闸墩顶与排架柱的连接处，此外还向左岸边墙外侧施加了土压力。

3.2 正常水位工况成果

正常水位工况下闸室结构位移情况，如图2所示。

图2 正常水位工况下闸室结构位移

闸室竖直向下位移为20～40 mm。闸室向下游方向的水平位移为1～8 mm，闸墩顶向下游的位移小于底板处，这是由于闸室受竖向压力的作用中心位于上游侧，推力向下游侧，软基上的闸室为刚性结构，形成了微小的空间翻转。横河向位移以最左和最右侧闸墩的顶部为最大，约20～30 mm，这是因为最左侧闸墩受的土压力大于闸室内水压力，而最右侧闸墩外侧为结构缝产生了悬空。

闸室混凝土结构应力状况，如图3—5所示。

图3 正常水位工况下闸室结构应力

图4 正常水位工况下闸室结构拉应力（超过0.5 MPa）分布

图5 正常水位工况下闸室结构拉应力（超过1.0 MPa）分布

闸室混凝土结构最大压应力约2 MPa；最大拉应力超过1 MPa的部位很小，位于混凝土表层，主要位于最左侧闸室边墩外侧和底板下部、右侧闸室底板的上部，其原因也是左边闸墩受的土压力大于闸室内水压力，最右侧闸墩外侧因结构缝产生悬空。闸室混凝土结构拉应力尚未超过C30混凝土强度设计值1.43 MPa。整体而言，闸室混凝土结构应力较小，现有配筋可满足承载力要求。

3.3 地震工况成果

采用的计算方法同上，正常水位遇顺河向地震工况下闸室混凝土结构位移情况受顺河向地震荷载影响，顺河向位移明显大于正常水位工况下情况，闸室向下游方向的水平位移为8～12 mm。与正常水位工况相比，横河向位移和竖直向位移变化不大。

正常水位遇顺河向地震工况下，闸室混凝土结构最大压应力约2 MPa；最大拉应力超过1 MPa的部位极小，位于混凝土表层，主要位于最左侧闸室底板下部。由于闸室受排架压力的作用中心位于上游侧，顺河向地震荷载作用反而改善了闸室的拉应力集中现象。闸室混凝土结构拉应力尚未超过C30混凝土强度设计值1.43 MPa。

正常水位遇横河向地震工况下闸室结构位移情况受横河向地震荷载影响，横河向位移明显大于正常水位工况下情况，闸室向右岸水平位移为28～35 mm。与正常水位工况相比，顺河向位移和竖直向位移变化较小。

正常水位遇横河向地震工况下，闸室混凝土结构最大压应力约2.3 MPa；最大拉应力超过1 MPa 的部位较少，位于混凝土表层，主要位于最左侧闸室边墩外侧和底板下部、右侧闸室底板上部。闸室混凝土结构最大拉应力高于正常水位工况下情况，但未超过C30 混凝土的强度设计值（局部应力集中处可忽略）。

4 结论

经过结构安全复核，北野场闸闸室基底应力、抗滑稳定安全系数、抗浮稳定安全系数均满足相关规范要求。采用三维有限元法，分3 种不利的受力工况对北野场闸闸室结构承载安全状况进行复核，结果表明闸室混凝土结构最大压应力约2.3 MPa，最大拉应力超过1 MPa 的部位较小且位于混凝土表层，但未超过C30混凝土的强度设计值，整体而言，闸室混凝土结构应力不大，现有配筋可满足承载力要求。综上，根据《水闸安全评价导则》（SL 214-2015）4.4.13 款规定的水闸结构安全评价标准，北野场闸闸室结构安全满足标准要求，评定为A级。最后，希望能够通过本文为类似的水闸安全结构分析复核提供参考和借鉴。