荊山湖退洪閘質量檢測與結構安全復核分析

張 龍

（安徽省茨淮新河工程管理局,安徽 蚌埠 233000）

1 工程概況

荊山湖行蓄洪區位于懷遠縣境內,面積72.1 km2,耕地8.6萬畝。荊山湖行洪區的運用,對降低淮南至蚌埠水位,確?；幢贝蟮桃约鞍霾?、淮南城市圈堤的防洪安全發揮著重要作用。為靈活、有效地控制荊山湖行蓄洪區,加強對淮河洪水的調度,2003年水利部淮河水利委員會批復同意興建荊山湖行蓄洪區退洪閘工程。荊山湖退洪閘是荊山湖行蓄洪區治理改造工程項目之一,工程于2004年2月10日開工,2006年汛前完工。2006年8月28日通過了投入使用驗收,2007年4月8日通過水利部組織的竣工驗收,工程正式投入運行。

該退洪閘為鋼筋混凝土開敞式水閘,工程等級為大（2）型水閘,其主要建筑物為2級,次要建筑物為3級,堤防級別為3級,臨時建筑物為4級。閘室主要部位均為C20鋼筋混凝土結構,順水流方向長19 m,閘室總寬度為340.6 m。閘墩采用鋼筋混凝土實心結構,中墩厚1.4 m,邊墩厚1.2 m。閘底檻高程為17.0 m,閘頂高程25.8 m。閘門為直升式露頂平板定輪鋼閘門,共30孔,單孔凈寬10 m。水閘設計流量為3500 m3/s,反向進洪流量2000 m3/s,設計退水流量1000 m3/s。設計防洪水位23.85 m,校核洪水位24.35 m。閘室底板為兩孔一聯分縫的分離式底板型式,大底板厚1.5 m,小底板厚1.2 m,大小底板間設搭接縫,縫間設橡皮止水。閘室2#、4#、27#、29#孔為單孔大底板。啟閉機臺布置在閘室下游,頂面高程為35.9 m,啟閉機大梁支撐于排架上,啟閉機臺上設啟閉機房,凈高4.5 m、寬均為5.2 m,橋面凈寬6 m,橋面高程25.8 m,兩側各設寬0.5 m的護輪緣石。荊山湖退洪閘全景見圖1。

圖1 荊山湖蓄洪區退洪閘上游全景

圖2 荊山湖退洪閘閘門金屬結構

鑒于荊山湖退洪閘運行多年以來,尚未進行質量檢測和安全鑒定分析。因此,根據水利部《水閘設計規范》（SL 265-2016）[1]及《水閘安全鑒定管理辦法》（水建管［2008］214號）等規范、規程要求,需對荊山湖退洪閘進行現場安全檢測報告和工程復核計算分析。及時復核閘頂高程、過流能力、消能防沖、建筑物穩定和構筑物結構安全等方面,以此評價工程的安全運行狀態。

2 工程地質條件

荊山湖退洪閘閘基中上部為近期河湖相沖、淤積地層。主要有：第四系全新統沖洪積層（Qal～pl）,具體為灰色淤積、淤泥質粘性土、①層灰黃～灰色輕粉質壤土、②層棕紅～灰黃色重粉質壤土、③層灰色重粉質壤土、④層灰黃～灰色中粉質壤土、⑤層稍密狀細砂,下伏下遠古界（Pt1）混合花崗巖。

勘探深度范圍內揭露地層主要為近期河湖相沖、淤積地層,上部為重～中粉質壤土層,局部夾輕粉質壤土和砂壤土夾層,中部為細砂層,下部為粉質粘土及花崗巖風化層。地下水主要以孔隙水的形式賦存于閘基地層中。根據試驗結果,閘基主要地層的透水性分為以下幾個級別：

①層輕粉質壤土,局部夾有粉土,其滲透系數為1.00×10-4cm/s～6.00×10-4cm/s,具中等透水性。

②層重粉質壤土,局部近粘土,其滲透系數為1.00×10-6cm/s～1.00×10-5cm/s,以微透水性為主,局部具弱透水性。

③層重粉質壤土,局部為粉質粘土,其滲透系數為5.00×10-6cm/s～2.00×10-5cm/s,具微透水性。

④層中粉質壤土,其上部多夾重粉質壤土,下部多夾輕粉質壤土,其滲透系數為2.00×10-5cm/s～7.00×10-5cm/s,具弱透水性。

⑤層細砂,局部為中砂,其滲透系數為5.00×10-3cm/s～2.00×10-2cm/s,以中等透水性為主,局部具強透水性。

3 工程質量檢測

經現場檢測,荊山湖退洪閘閘門表面防腐良好,無大面積銹蝕及銹坑,根據現場具備的檢測條件,使用HCC-24型電腦涂層測厚儀測量閘門門體防腐涂層總厚度[2-4],檢測結果見表1。

表1 閘門門體防腐涂層總厚度檢測結果

以上結果說明閘門表面防腐良好,無大面積銹蝕及銹坑,抽檢的6扇閘門防腐涂層總厚度檢測結果符合設計圖紙及《水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》（DL/T 5018-2004）的技術要求。

閘門門體無明顯變形及扭曲的現象,面板、主梁、縱梁等主要構件未發現碰撞變形, 閘門表面局部略有銹蝕；焊縫及其熱影響區無異常變化；吊耳無變形及開裂；止水橡皮外觀良好,無明顯磨損、老化、開裂、破損等現象,止水橡皮壓板固定用螺栓表面銹蝕；滾輪表面銹蝕,未發現軸孔磨損變形；軌道埋件無明顯銹蝕；檢修閘門外觀正常,無明顯變形及銹蝕。

4 工程復核計算

在現有工程技術資料的基礎上,以檢查觀測資料和安全檢測成果為依據,按照水利水電工程各專業現行的規程、規范和規定的要求,對工程進行結構安全復核計算[5-10]。本次復核計算主要內容包括：（1）過流能力復核；（2）消能防沖復核；（3）抗滲穩定性復核；（4）整體穩定性復核。

4.1 過流能力復核

荊山湖退洪閘共30孔,每孔凈寬10.0 m,閘室總寬340.6 m。水閘底檻高程為17.0 m,閘頂高程為25.8 m,閘室順水流向長19.0 m,中墩厚1.4 m。荊山湖退洪閘具有多種運行條件,過流能力復核由設計水位：湖內側24.00 m,下游23.85 m,設計過閘流量3500 m3/s。

本工程行洪工況下,考慮下游水深與計入行進流速的上游總水頭之比大于0.9（即：hs/H0＞0.9）,該堰流處于高淹沒度,過流能力復核可按下列公式進行計算：

式中：Q為過閘流量,m3/s；B0為閘孔凈寬,m；μ0為淹沒堰流的綜合流量系數；hs為由堰頂算起的下游水深,m；H0為計入行進流速水頭的上游水深,m。

過閘流量計算成果見表2。由計算結果可知,閘門現狀復核流量為5516 m3/s,大于原設計流量3500 m3/s,說明閘門過流能力滿足要求。

表2 過流能力計算成果

4.2 消能防沖復核

荊山湖退洪閘采用綜合式消力池,反向進洪條件下湖內側高程17.0 m,淮河側23.85 m,設計進洪流量2000 m3/s；退水條件下湖內側24.00 m,淮河側22.5 m,退水流量1000 m3/s。消力池深度計算公式如下：

式中：d為消力池深,m；σ0為水躍淹沒系數,可取1.05～1.10；q為過閘單寬流量,m3/（s·m）；T0為總勢能,m；hc為收縮水深,m；a為水流動能校正系數,取a =1；Φ為流速系數,取Φ=0.95；hc''為躍后水深,m；ΔZ為出池落差,m；hs'為出池河床水深,m。

消能防沖計算結果見表3。分析可知,反向進洪及退水工況下消力池長度、池深、底板厚度及海漫長度計算值均小于現狀值,均滿足規范要求,說明閘門消能防沖設施現狀滿足要求。

4.3 抗滲穩定性復核

荊山湖退洪閘防滲體由上游鋪蓋、多頭小直徑截滲墻、閘室底板及消力池構成,合計防滲長度68.6 m。滲徑復核時,取上下游最大水位差,即防洪校核水位,湖內側17.0 m,淮河側24.35 m,所需防滲長度為L=4×（24.35-17.0）=29.4 m,現狀閘基防滲長度為68.6 m,閘基防滲長度滿足規范要求。

規范要求水閘水平段和出口段的滲流坡降必須小于規定的水平段和出口段允許滲流坡降值,水平段和出口段的滲流坡降計算結果見表4。允許滲透坡降按壤土取值。根據《水閘設計規范》,滲流出口處設反濾時,允許滲透坡降值可增大30%。

表4 地基土滲透安全復核結果

從上述滲透計算結果可知,閘基水平段和出口段滲流坡降值分別為0.007和0.138,均小于規范允許值,滿足規范要求。

4.4 閘室整體穩定性復核

荊山湖退洪閘的閘室均為鋼筋混凝土結構,底板順水流向長19 m,閘底板為分離式結構,大底板厚1.5 m,小底板厚1.2 m,中墩厚1.4 m,公路橋布置在閘上側,啟閉機房布置在閘下側。為簡化計算,選取一跨大底板作為計算單元進行抗滑穩定計算。閘室穩定計算荷載包括自重、水重、水壓力、風浪壓力、滲透壓力等。退洪閘閘底板座落在表層重粉質壤土上,本次計算確定閘底板與地基之間的摩擦系數為0.3。閘室結構計算簡圖見圖3。

圖3 荊山湖退洪閘閘室結構計算簡圖（單位：mm）

在各種計算情況下,閘室平均基底應力不大于地基允許承載力,最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2倍；閘室基底應力的最大值與最小值之比,基本組合不大于2.00,特殊組合不大于2.50；閘室基底應力按下式計算：

閘室穩定計算結果見表5。根據以上計算結果：各工況下基底壓應力不均勻系數均滿足規范要求。完建期閘室平均基底應力均大于天然地基允許承載力,由于地基已采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁進行加固,加固后閘室穩定可以滿足規范要求。

各工況下閘室抗滑穩定計算見表6。從表中的結果可以看出,各個工況下,計算安全系數分別為1.52、1.34和2.88,均大于允許安全系數,閘室抗滑穩定均滿足規范要求。

表6 閘室抗滑穩定計算成果

5 結論

本文以荊山湖行蓄洪區退洪閘安全鑒定工程為例,首先對該閘門金屬結構和土建部分進行了系統的現場安全檢測,之后從過流能力、消能防沖、抗滲穩定性以及閘室整體穩定性等方面對閘門結構安全進行復核計算分析,最終得到以下結論供閘門安全鑒定參考：

（1）閘門整體外觀正常,無明顯變形,焊縫及其熱影響區無異常變化,滾輪表面和螺栓表面局部略有銹蝕；

（2）閘門現狀復核流量為5516 m3/s,大于原設計流量3500 m3/s,閘門過流能力滿足要求；

（3）各工況下消力池長度、池深、底板厚度及海漫長度計算值均小于現狀值,閘門消能防沖設施現狀滿足要求；

（4）閘基水平段和出口段滲流坡降值分別為0.007和0.138,小于規范允許值,閘基滲流穩定滿足規范要求；

（5）各個工況下閘室穩定安全系數分別為1.52、1.34和2.88,均大于允許安全系數,閘室抗滑穩定滿足規范要求。