韓良凱

(遼寧省丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

除險(xiǎn)加固是恢復(fù)攔河節(jié)制閘下游流量控制和水位調(diào)節(jié)功能，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)保證水閘安全運(yùn)行，充分發(fā)揮工程效益以及促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)手段[1-4]。老河身閘建于20世紀(jì)70年代，由于建成年限較長(zhǎng)、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、老化壞損嚴(yán)重，加之長(zhǎng)期運(yùn)行缺少有效的維修管理，老河身閘長(zhǎng)期處于低效“帶病運(yùn)行”狀態(tài)。2019年安全鑒定及核查認(rèn)定老河身閘為三類閘，主要存在電氣設(shè)備老化失修、抗?jié)B穩(wěn)定不滿足要求、混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重、河道嚴(yán)重淤積等問(wèn)題，加之?dāng)r蓄灌溉及安全泄洪條件惡化亟需實(shí)施除險(xiǎn)加固整治。文章詳細(xì)論證老河身閘除險(xiǎn)加固方案，并進(jìn)一步探討了閘基防滲排水體系及其抗?jié)B穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 基本情況

老河身閘位于大洋河紅旗溝段右岸，樁號(hào)5+955。防洪標(biāo)準(zhǔn)20a一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)5a一遇，設(shè)計(jì)排澇流量為4.39m3/s，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。當(dāng)大洋河發(fā)生較大洪水時(shí)，關(guān)閉穿堤涵閘閘門(mén)擋水，小河沿及稻田水通過(guò)閘上泵站強(qiáng)排至穿堤涵閘外側(cè)。

1.2 病險(xiǎn)現(xiàn)狀

截至目前，在防洪排澇、攔蓄灌溉等方面老河身閘發(fā)揮著重要作用，但由于施工質(zhì)量差、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、服役時(shí)間長(zhǎng)等因素，老河身閘存在許多病險(xiǎn)問(wèn)題，具體如下：①水閘碳化嚴(yán)重，強(qiáng)度整體偏低，混凝土多處開(kāi)裂致使內(nèi)部鋼筋銹蝕，對(duì)水閘安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅；②由于存在裂縫和混凝土碳化，排架柱及機(jī)架橋的承載力大大下降，排架、部分雙向的受力面板及主梁無(wú)法滿足規(guī)范要求；③受兩側(cè)邊墩繞滲和基礎(chǔ)不均勻沉陷作用，刺墻、橋頭堡已經(jīng)出現(xiàn)錯(cuò)位喪失止水功能；④閘進(jìn)口翼墻傾斜，閘框砂化，漿層脫落，露石、露筋，閘后沖刷嚴(yán)重，無(wú)消能工程；⑤啟閉機(jī)銹蝕難以正常啟動(dòng)，電氣設(shè)備老化失修，貫徹設(shè)施簡(jiǎn)陋廢棄。經(jīng)安全鑒定，涵閘已運(yùn)行多年，其中老河身閘年久失修，進(jìn)口翼墻斷裂損壞嚴(yán)重，涵洞嚴(yán)重變形，無(wú)法發(fā)揮正常的作用，各項(xiàng)指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求亟需進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理，以恢復(fù)防洪排澇、攔蓄灌溉等功能。

2 除險(xiǎn)加固方案比選

2.1 方案比較

現(xiàn)狀生產(chǎn)橋、機(jī)架橋、排架柱、節(jié)制閘閘墩露筋銹蝕、裂縫、麻面、混凝土碳化嚴(yán)重，整體耐久性明顯下降；閘室大小底板出現(xiàn)不均勻沉降裂縫，配筋達(dá)不到現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要拆除重建。綜合考慮水閘運(yùn)維條件、施工組織、構(gòu)筑物布置、閘址處地形條件等因素，初步設(shè)計(jì)3種不同方案，如表1所示。其中，方案1：閘室改建為倒π型結(jié)構(gòu)、地基改建為復(fù)合地基；方案2：閘室改建為倒π型結(jié)構(gòu)、加固灌注樁基礎(chǔ)；方案3：維持閘室的大小底板結(jié)構(gòu)、保留灌注樁基礎(chǔ)。

表1 老河身閘除險(xiǎn)加固擬定方案

由表1可以看出，拆除改建閘室(方案3)能夠有效解決閘室配筋不足、強(qiáng)度低、混凝土老化等問(wèn)題，從而達(dá)到規(guī)范要求，水平承載力也可滿足設(shè)計(jì)要求，但原灌注樁埋入地下近50a無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算其承載力，因此安全冗余系數(shù)較小；對(duì)于補(bǔ)樁增強(qiáng)樁基承載力并拆除改建閘室的方案2，其采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)可能會(huì)存在地基土與閘底板“脫空”的情況；針對(duì)地基采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基、上部結(jié)構(gòu)與方案2相同的方案1，其閘室協(xié)調(diào)變形能力好且有效解決了地基土與閘底板可能“脫空”的問(wèn)題，復(fù)合地基在提高地基與底板摩擦系數(shù)的同時(shí)還增大了地基豎向承載力，能夠更好地實(shí)現(xiàn)閘室抗滑穩(wěn)定。從成本控制上，方案3最小、方案2最大、方案1居中。

綜上分析，3個(gè)方案的樁基承載力及閘室穩(wěn)定性均能滿足設(shè)計(jì)要求，但現(xiàn)階段無(wú)法精準(zhǔn)檢測(cè)原狀基承載力，所以原樁基承載力具有較大不確定性。此外，原混凝土灌注樁可能存在地基土與閘底板“脫空”的情況，為了實(shí)現(xiàn)除險(xiǎn)加固后水閘的長(zhǎng)效安全穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)選考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)、工程匹配性更高的方案1。

2.2 防滲排水措施

水閘的安全運(yùn)行與滲流問(wèn)題存在密切聯(lián)系，水體滲流會(huì)導(dǎo)致?lián)鯄?、閘墩發(fā)生滲透變形及水閘整體質(zhì)量的破壞，甚至?xí)?dǎo)致水閘垮塌等安全事故的出現(xiàn)[5-8]。因此，必須科學(xué)分析水閘的防滲排水措施，并對(duì)加固整治后水閘的抗?jié)B穩(wěn)定性進(jìn)行整體評(píng)價(jià)[9]。

現(xiàn)狀水閘底板的水平長(zhǎng)度14.0m、上游鋪蓋鋼筋混凝土段長(zhǎng)18.0m。將上游鋪蓋進(jìn)行拆除改建，翼墻底板、閘室底板與普高之間設(shè)止水，將遇水膨脹止水條填塞至原鋪蓋與改建段鋪蓋之間的施工縫內(nèi)，采用瀝青砂漿對(duì)臨水面進(jìn)行勾縫，鋪蓋下砂壤土挖出后利用水泥土回填。下游護(hù)坦上設(shè)置3排排水孔，排水孔下布設(shè)反濾層且保持底板距離第1排1.0m。

將下游翼墻及閘室底板進(jìn)行拆除改建，改建段長(zhǎng)4.0m，將下游消力池底板受影響范圍進(jìn)行拆除改建，翼墻底板、閘室底板與底板之間設(shè)止水，將遇水膨脹止水條填塞至原底板與改建段底板之間的施工縫內(nèi)，采用瀝青砂漿對(duì)臨水面進(jìn)行勾縫；同時(shí)，采用中砂回填消力池底板，改建段底板布設(shè)3排PVC排水管，直徑為5cm，按照梅花形、每排間距1m的形式布置。

采用扶壁式翼墻連接水閘兩岸，前、后端翼墻為圓弧形和直線形，順?biāo)鞣较蜾摻罨炷龄伾w銜接段的投影長(zhǎng)度為10m，后翼墻長(zhǎng)8.0m，最大高程21.50m；順?biāo)鞣较蜷l室邊墩長(zhǎng)度14.0m，最大高程21.50m；邊墩與翼墻間、翼墻間設(shè)止水，邊墩與翼墻后填筑壤土，滲透系數(shù)設(shè)計(jì)值8.0×10-5cm/s、壓密度0.95。將孔徑50mm的PVC排水管沿下游擋墻布設(shè)3排，并以粗砂及土工布設(shè)于排水管墻內(nèi)側(cè)端頭以發(fā)揮反濾作用。

2.3 抗?jié)B穩(wěn)定分析

2.3.1 閘基滲流穩(wěn)定

1)地質(zhì)條件?？傮w上，可將水閘閘址區(qū)勘探深度范圍內(nèi)土層劃分成黏土層(Q3alp)、壤土層(Q3alp)、黏土層(Q3alp)、壤土層(Q4alp)、黏土層(Q4alp)、砂壤土層(Q4alp)、壤土層(Q5)。老河身閘現(xiàn)狀閘基土體依次為黏土、壤土和黏土，所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)為2.7×10-6、6.4×10-6、4.8×10-6cm/s。黏土層滲透變形形式按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》可以判定為流土，閘基黏土層滲漏為水閘面臨著主要問(wèn)題，出口段和水平段允許滲流坡降值為0.60、0.30。

2)計(jì)算模型。設(shè)計(jì)正常擋水和加大擋水兩種工況進(jìn)行，即下游水位平閘底板條件下閘前正常蓄水位為17.30m、17.80m兩種條件，如圖1。通過(guò)網(wǎng)格劃分和水閘滲流計(jì)算利用有限元軟件建立模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型僅展示閘門(mén)、水閘底板和水閘鋪蓋等關(guān)鍵部位。將上游水位總水頭定義為水閘上部，下游水位總水頭為水閘下部平地板[10-13]。

(a)正常擋水工況

(b)加大擋水工況

3)成果分析。經(jīng)數(shù)值模擬，確定不同計(jì)算工況下閘基滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，如表2。從表2可以看出，閘后出溢點(diǎn)的最小滲透比降(0.305)以及基礎(chǔ)與閘底板基礎(chǔ)面的最小滲透比降(0.128)均小于允許值0.30、0.60，并且具有較大的安全冗余，能夠保證水閘的安全穩(wěn)定。

表2 閘室滲透比降模擬計(jì)算

2.3.2 側(cè)向繞流分析

翼墻兩側(cè)及閘室邊墩回填土壤的滲透系數(shù)9.2×10-5cm2小于地基土，參照閘基滲流計(jì)算方法和《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》確定防滲長(zhǎng)度，其計(jì)算式為：

L=C·△H

(1)

式中：C、△H為墻后回填壤土的允許滲透系數(shù)值和上下游水位差，文中C取5.0，△H為5.5m。采用以上公式確定老河深閘的防滲長(zhǎng)度L不應(yīng)低于28m，而除險(xiǎn)加固方案中邊墩順?biāo)飨蚣吧嫌我韷傇O(shè)計(jì)長(zhǎng)度為35m，因此能夠達(dá)到防滲要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

除險(xiǎn)加固是恢復(fù)病險(xiǎn)水閘生態(tài)環(huán)境供水、防洪排澇和蓄水灌溉等功能的重要手段。文章通過(guò)論證分析除險(xiǎn)加固方案的經(jīng)濟(jì)性、可行性，得出的結(jié)論如下：

1)經(jīng)安全鑒定符合和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，老河身閘存在安全隱患，各項(xiàng)指標(biāo)難以滿足運(yùn)行要求，長(zhǎng)期處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，被鑒定為三類閘，為保證其功能效益的發(fā)揮亟需實(shí)施除險(xiǎn)加固整治。

2)考慮構(gòu)筑物布置、主體結(jié)構(gòu)性能、水閘病險(xiǎn)現(xiàn)狀等因素，確定有利于閘基滲流穩(wěn)定、閘室沉降變形適應(yīng)能力好的水泥土攪拌樁符合地基拆除重建方案為最優(yōu)方案。

3)側(cè)向繞滲和閘基滲流計(jì)算表明，除險(xiǎn)加固方案中滲流長(zhǎng)度和滲透比降符合規(guī)范要求，防滲排水措施科學(xué)合理能夠保證整體安全穩(wěn)定。