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        常州市大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程安全復(fù)核分析

        2021-06-21 05:52:36胡鵬鑫
        陜西水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:閘室粉質(zhì)大運河

        張 興,胡鵬鑫,蔣 益

        (常州市城市防洪工程管理處,江蘇 常州213000)

        0 引言

        水利樞紐建設(shè)完成后會導(dǎo)致外部環(huán)境出現(xiàn)不同程度的變化。例如,河道沉積導(dǎo)致河床變化。外部條件改變會對水利樞紐工程安全產(chǎn)生一定影響。因此,適時復(fù)核水利工程安全是十分必要的[1-3]。影響水利樞紐正常使用的重要條件包括滲流和穩(wěn)定性。結(jié)合常州市大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程,分析變形觀測成果以及復(fù)核滲流及穩(wěn)定性問題。

        1 工程概況

        大運河?xùn)|樞紐為常州運河北片大包圍主要口門建筑物之一,是常州市水利分區(qū)運北片的重要防洪控制工程。樞紐地處常州市中心城區(qū),位于距丁塘港河口520 m的大運河河道上。北側(cè)毗鄰常戚公路,由一座2×16 m節(jié)制閘和一座100 m3/s的排澇泵站組成,其主要功能是防洪、除澇和改善城市水環(huán)境。節(jié)制閘為兩孔,單孔凈寬16 m,采用下臥式平面鋼閘門,液壓啟閉機操作。

        圖1 大運河?xùn)|樞紐

        2 監(jiān)測成果分析

        2.1 垂直位移觀測成果分析

        至2017年11月平均累計位移量為1 mm,其中最大的5 mm,最小的為0 mm,抬升的有4點。底板的最大累計位移量為2 mm,位于底板西北角,相鄰最大不均勻量為3 mm,其歷時3年。翼墻最大累計位移量為5 mm,位于翼墻中部,相鄰最大不均勻量為3 mm,其歷時3年。通過以上數(shù)據(jù)分析說明,大運河?xùn)|樞紐垂直位移總體較趨于穩(wěn)定。

        2.2 引河河道斷面觀測成果分析

        河道斷面從2014年開始觀測,共設(shè)8個斷面,外河側(cè)共設(shè)4個斷面,內(nèi)河側(cè)共設(shè)4個斷面,所有斷面樁均在河道兩側(cè)采用不銹鋼標(biāo)志進(jìn)行固定,并進(jìn)行斷面樁頂高程的考證。為能在河道斷面圖上進(jìn)行沖淤量比較,以首次測量斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面,沖淤量比較表中的計算水位采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(外河側(cè)5.95 m,內(nèi)河側(cè)4.8 m)。

        引河河道斷面觀測數(shù)據(jù)定性和定量分析如下。

        外河側(cè):本年度汛前及汛后兩次觀測結(jié)果與去年基本保持一致,無突發(fā)性不合理變化。由于水流影響,本年度汛前斷面在C.S.1上0+050位置表現(xiàn)為河道底部與去年保持一致,兩側(cè)邊坡有0.1 m~0.2 m淤積;汛后兩側(cè)邊坡淤積更為明顯,與去年相比兩側(cè)邊坡淤積量達(dá)到0.1 m~0.3 m。斷面C.S.2上0+100及C.S.4上0+200位置汛前斷面與去年相比河道底部有0.2 m沖刷,河道右側(cè)邊坡基本一致,左側(cè)邊坡有0.2 m淤積。汛后斷面基本與汛前保持一致。斷面C.S.3上0+15位置汛前斷面與去年相比河道底部基本保持一致,左右兩側(cè)邊坡有0.1 m~0.2 m沖刷,汛后斷面與汛前斷面相比無明顯變化。

        內(nèi)河側(cè):本年度斷面C.S.1下0+050及C.S.2下0+100與去年相比均表現(xiàn)為河道底部及左側(cè)邊坡基本保持一致,右側(cè)邊坡有0.1 m~0.2 m淤積。汛后斷面與汛前斷面基本保持一致。斷面C.S.3下0+150位置汛前斷面與汛后無明顯變化,與去年相比,左岸邊坡基本保持原狀,河道底部及右側(cè)邊坡有0.1 m~0.3 m沖刷。斷面C.S.4下0+200位置汛前斷面與汛后基本保持一致,與去年相比,河道底部基本不變,兩側(cè)邊坡有0.1m~0.3m淤積,初步分析是由水流引起的。

        由實測數(shù)據(jù)及以上分析可知,大運河?xùn)|樞紐垂直位移較穩(wěn)定;河道固定觀測斷面在汛前及汛后與去年相比無突發(fā)性變化。

        3 安全復(fù)核計算

        3.1 滲流復(fù)核

        3.1.1 水位組合

        大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘滲流復(fù)核計算水位組合見表1。

        表1 水位組合

        滲流計算采用上下游水位差最大時的水位,故取工況3(正向)進(jìn)行滲流計算。上游側(cè)水位為5.95 m,下游側(cè)水位為4.00 m,水位差為1.95 m。

        3.1.2 防滲復(fù)核

        (1)驗算滲流長度

        閘基地下輪廓布置見圖2。地基持力層置于灰、褐黃色粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土層上,因此,根據(jù)規(guī)范粘土的允許滲徑系數(shù)取為2~5。

        圖2 閘基地下輪廓布置示意圖(單位:高程m;長度cm)

        其實際長度:L實=30.16 m;ΔH=1.95 m;

        C=L實/ΔH=30.16/1.95=15.47>[C]=2~5;

        故閘基底板防滲長度滿足規(guī)范設(shè)計要求。

        (2)滲流計算

        采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計算,得到地下輪廓簡化和分段,見圖3。

        ①計算地基有效深度:L0=26 m;S0=1.2 m

        L0/S0=26/1.2=21.67>5

        Te=0.5L0=0.5×26=13 m

        閘基土質(zhì)均勻,閘基滲流的影響范圍以有效深度Te控制。

        ②計算各典型段的阻力系數(shù):

        各典型段阻力系數(shù)計算公式如下:

        進(jìn)出口段:

        式中:ξ0進(jìn)、出口段的阻力系數(shù);S板樁或齒坎的入土深度,m;T地基透水層深度,m。

        內(nèi)部垂直段:

        式中:ξy內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

        水平段:

        式中:Lx、ξx水平段長度、阻力系數(shù);S1、S2進(jìn)出口段板樁入土深度,m。

        進(jìn)出口段水頭修正h0"=β"h0

        式中:h0、h0"修正前、后進(jìn)出口段水頭損失值;β"阻力修正系數(shù);S"底板埋深與板樁入土深度之和,m;T"另一側(cè)透水層深度,m。

        上閘首各典型段的幾何特征及阻力系數(shù)計算見表2。

        ②各典型段滲壓水頭損失計算

        表2 阻力系數(shù)計算表

        表3 各典型段末滲壓水頭損失計算表 單位:m

        表4 各典型段末滲壓水頭損失修正表 單位:m

        ④滲透坡降計算

        滲流計算采用上下游水位差最大時的水位,故取工況3運行水位進(jìn)行滲流計算。上游側(cè)水位為5.95 m,下游側(cè)水位為4.00 m,水位差為1.95 m。

        持力層為灰、褐黃色粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土,滲透坡降系數(shù)為J0[]=0.5~0.60;Jx[]=0.25~0.35。

        滲流出口最大滲透坡降:

        水平段最大滲透坡降:

        故閘基底板滲流出口坡降滿足要求,水平坡降都滿足要求。

        3.2 穩(wěn)定復(fù)核計算

        3.2.1 閘室結(jié)構(gòu)

        節(jié)制閘為整體塢式結(jié)構(gòu),取節(jié)制閘一孔為計算對象,閘底板順?biāo)鞣较蜷L26 m。閘底板上游底面高程為-1.6 m,下游底面高程為-1.5 m,底板厚為1.8 m,閘墩頂高程為6.8 m。

        具體閘室結(jié)構(gòu)圖見圖3。

        圖3 閘室結(jié)構(gòu)布置圖(單位:高程m;長度cm)

        3.2.2 計算工況

        大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程節(jié)制閘計算水位組合見表5。

        表5 節(jié)制閘穩(wěn)定復(fù)核計算水位組合表

        3.2.3 計算荷載

        計算考慮的荷載為結(jié)構(gòu)自重、水重、水壓力、揚壓力、浪壓力、地震慣性力等。大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程所處場地的地震動峰值加速度為0.1 g,相當(dāng)于地震基本烈度7度。地震烈度為7度時,須進(jìn)行抗震計算。地震荷載主要考慮地震慣性力、地震動水壓力。閘室承受的水平地震慣性力按下式計算:

        式中:Fi作用在質(zhì)點i的水平地震慣性力代表值;ah水平向設(shè)計地震加速度;ζ地震效應(yīng)折減系數(shù),ζ=0.25;GEi集中在質(zhì)點i的水平向地震慣性力代表值;αi質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)。

        3.2.4 計算方法

        (1)閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算:

        式中:Kc安全系數(shù);∑G作用于閘底以上豎向荷載;∑H作用于閘室水平荷載;φ0作用于閘室基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地質(zhì)之間的摩擦角(依據(jù)地質(zhì)資料);

        (2)地基應(yīng)力計算按下式計算

        3.2.5 計算結(jié)果

        根據(jù)以上方法,在各計算工況下大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘的抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其不均勻系數(shù)的計算成果見表6。

        表6 大運河?xùn)|樞紐節(jié)制閘工程節(jié)制閘穩(wěn)定復(fù)核計算成果表

        表6復(fù)核計算成果表明:由地質(zhì)資料可知,大運河?xùn)|樞紐閘室底板底高程在-3.3 m,持力層為粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土層,地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值130 kPa,故地基承載力、地基應(yīng)力不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各工況下均滿足要求。

        4 結(jié)論

        (1)通過分析垂直變形和河道變形成果可知,大運河?xùn)|樞紐垂直位移較穩(wěn)定;河道固定觀測斷面無突發(fā)性變化。

        (2)通過滲流復(fù)核計算,不同水位組合下節(jié)制閘防滲長度、滲透坡降等滲流參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

        (3)通過穩(wěn)定性復(fù)核計算,不同荷載組合條件下節(jié)制閘的抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其不均勻系數(shù)均滿足要求。綜合分析可知,節(jié)制閘整體穩(wěn)定性較好。

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