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        基于滲徑系數(shù)法的樅陽閘抗?jié)B性能檢測

        2022-11-18 10:37:02宋東國
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年16期
        關(guān)鍵詞:樅陽啟閉機(jī)抗?jié)B

        宋東國

        (安慶市長江河道管理處三分處,安徽 安慶 246000)

        在大型水利工程項(xiàng)目中,水閘發(fā)揮及其重要的作用,也在項(xiàng)目整體中占有十分重要的地位。因此,水閘安全也是整個(gè)水利工程項(xiàng)目安全的核心所在[1]。為了確保水閘安全,必須要定期和不定期地對(duì)水閘進(jìn)行安全檢測。水閘安全檢測的內(nèi)容很多,僅對(duì)水閘構(gòu)成組件的檢測就多達(dá)十幾種,如閘墩檢測、排架柱檢測、工作橋檢測、翼墻檢測、護(hù)坡檢測以及閘門檢測等[2]。此外,還需要對(duì)水閘整體進(jìn)行抗?jié)B檢測、防沖檢測、穩(wěn)定性檢測等[3]。因此,水閘檢測不僅內(nèi)容多,還需要準(zhǔn)確高效的檢測方法。該文以樅陽閘為具體研究對(duì)象,對(duì)威脅閘體安全最大的抗?jié)B性能展開深入分析。

        1 樅陽閘概況及其工程結(jié)構(gòu)

        1.1 樅陽閘概況

        樅陽閘位于安徽省安慶市長江下游,它是菜子湖流域內(nèi)唯一的通江水閘,因此也稱菜子湖閘。樅陽閘通過長河和菜子湖連通,通過夾江河道和長江連通,控制的流域面積超過3000 km2。樅陽閘是一座功能齊備的大型水閘,綜合了防洪功能、泄洪功能、排澇功能和引水灌溉功能。在汛期,樅陽閘發(fā)揮其防洪、泄洪以及排澇功能,防洪面積近200 km2,排澇面積近100 km2。在干旱季節(jié),樅陽閘發(fā)揮其蓄水灌溉功能,灌溉面積超過200 km2。 可見,樅陽閘在菜子湖流域內(nèi)所發(fā)揮的巨大作用。

        樅陽閘的歷史非常悠久,是20世紀(jì)50年代省巢滁皖規(guī)劃的大型水利工程項(xiàng)目。1958年,樅陽閘開始興建,并于1959年建成投入使用。截止到2022年,樅陽閘的服務(wù)年限已經(jīng)超過63 年。為了確保閘基安全,樅陽閘選址在白鶴峰山腳,此處和河道呈現(xiàn)出明顯的S型。

        樅陽閘系建造在巖基上的圬工水閘,設(shè)計(jì)最大排水流量1150 m3/s,校核排水流量為1288 m3/s,為安徽省沿江大型水閘之一。閘身由泄流孔和發(fā)電孔組成(發(fā)電孔目前已封閉),泄洪孔共10 孔,每孔凈寬4.5 m,凈高5.35 m,閘底檻高程6.75 m(吳淞高程,下同),閘室總寬度63.0 m,凈寬49.8m,閘底板長20.0 m,可控制閘門10扇,閘門為潛孔式平面鋼閘門,每扇門重82.2 kN,配置10臺(tái)單吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī),啟閉力為250 kN,啟閉機(jī)臺(tái)高程27.45 m,建有啟閉機(jī)房,設(shè)有主控制室,配備自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用,并及時(shí)采集閘門開度、荷重、水位等信息。

        1.2 樅陽閘的工程結(jié)構(gòu)

        樅陽閘的工程結(jié)構(gòu),主要包括閘室、閘堤連接段、啟閉設(shè)備和閘門、消能設(shè)施、上下游翼墻等部分,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 樅陽閘的結(jié)構(gòu)圖

        1.2.1 閘室

        該閘閘室為鋼筋砼開敞式十孔一聯(lián)的整體結(jié)構(gòu),底板頂高程6.7 m,底部0.3 m漿砌條石上覆0.2 m厚鋼筋混凝土面層;閘孔頂高程(即胸墻底高程)12.01 m,每孔凈寬4.5 m,凈高5.4 m,閘孔凈尺寸為4.5 m×5.4 m;閘頂公路橋橋面高程為19.45 m,兩個(gè)發(fā)電孔,發(fā)電孔已封閉;閘孔過水總凈寬49.8 m,墩厚0.5 m,閘室總寬度(垂直流向)63.0 m,順流向上下游建筑總長約(順?biāo)飨颍?50 m;控制閘門10樘,平面鋼閘門,裝10臺(tái)20 t卷揚(yáng)式啟閉機(jī),啟閉機(jī)高程27.45 m,建有啟閉機(jī)房。

        1.2.2 閘堤連接段

        閘室與江堤間用鋼筋砼引橋連接,引橋兩側(cè)填土采用錐坡,閘室頂設(shè)有汽-10級(jí)公路橋一座,橋面高程19.45 m(即閘頂高程)與江堤堤頂同高,橋面寬9.0 m。

        1.2.3 啟閉設(shè)備和閘門

        啟閉機(jī)房設(shè)在閘頂臨江側(cè),位于排架頂部,排架頂高程27.00 m。啟閉機(jī)房采用磚混結(jié)構(gòu),寬4.8 m,長25 m,房頂高程31.15 m,啟閉機(jī)房安放10 臺(tái)QPQ-40型卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。啟閉機(jī)房兩側(cè)設(shè)置鋼螺旋樓梯供管理人員上下。

        1.2.4 消能設(shè)施

        閘室上游(臨江側(cè))設(shè)有消力池,采用150#鋼筋砼澆筑,厚0.4 m,總長31.5 m,池深1.5 m,池底高程3.7 m,消力池與閘室間以1∶6坡相接;消力池后接15 m長的護(hù)坦,原護(hù)坦長6 m,后進(jìn)行加固,在原干砌條石上澆筑厚200 mm的C20鋼筋混凝土,加固護(hù)坦后又新增9 m長C20鋼筋混凝土護(hù)坦,護(hù)坦底高程6.7 m,厚0.4 m;護(hù)坦后接44 m長干砌塊石海漫,海漫頂面坡度1∶6,厚0.4 m,首端高程6.7 m,末端高程6.4 m。海漫末端設(shè)拋石防沖槽,深1.17 m,長10 m。

        1.2.5 上下游翼墻

        閘上游(臨江側(cè))岸墻,為一半徑R=30.0 m的圓弧墻與岸坡相接,其結(jié)構(gòu)形式為漿砌塊石重力式。墻頂高程14.0 m,底板底部高程3.7 m。閘下游岸墻的首段,平面布置呈八字形,擴(kuò)散角為12 度。尾段用一半徑R=45 m的圓弧墻插入堤岸,結(jié)構(gòu)形式為重力式。墻頂高程為16.50 m,底板底部高程6.7 m。

        2 樅陽閘抗?jié)B性能分析

        樅陽閘抗?jié)B性能檢測采用滲徑系數(shù)法校核閘基防滲長度,采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算閘基底部滲透壓力。

        2.1 滲徑系數(shù)法驗(yàn)算滲徑長度

        根據(jù)水閘抗?jié)B安全規(guī)范要求,可用滲徑系數(shù)法確定閘基防滲長度。

        抗?jié)B復(fù)核采用萊恩系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算如公式(1)所示。

        式中:參數(shù)L表示閘基防滲長度,即閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度總和;參數(shù)C表示允許滲徑系數(shù)值,考慮樅陽閘閘基主要為粗面安山巖,迎江側(cè)消力池和護(hù)坦底部均為重壤土,按照SL265-2001要求,一般C=7~4(無濾層)。由于閘基未設(shè)板樁,本計(jì)算C取用大值7; 參數(shù)△H為水閘承受的最大上下游水位差,根據(jù)樅陽閘的實(shí)際情況,有△H=18.95-12.88=6.07 m。

        水閘抗?jié)B安全規(guī)范SL265-2001規(guī)定的允許滲徑系數(shù)值見表1。

        表1 SL265-2001規(guī)定的允許滲徑系數(shù)值(單位:μm)

        考慮汛期防洪的實(shí)際工況需求,此處的滲徑長度設(shè)置如公式(2)所示。

        如果水閘的止水設(shè)備完好無損并且正常工作,那么其地下滲透輪廓線水平總長的計(jì)算應(yīng)如公式(3)所示。

        式中:參數(shù)Ln表示正常長度,Lv表示正常長度偏離值。

        對(duì)比上述兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,L實(shí)≥L。這表明,滲徑長度的計(jì)算,滿足樅陽閘的實(shí)際抗?jié)B需求。

        2.2 改進(jìn)阻力系數(shù)法

        使用滲徑系數(shù)的同時(shí),還需要進(jìn)一步校驗(yàn)水閘的抗?jié)B穩(wěn)定性。根據(jù)SL265-2001規(guī)定,此處選擇改進(jìn)阻力系數(shù)法完成樅陽閘的抗?jié)B穩(wěn)定性校驗(yàn)。根據(jù)樅陽閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),底板臨江一側(cè)建造了消力池,臨湖一側(cè)建造了漿砌石鋪蓋,鋪蓋末端設(shè)置排水孔,鋪蓋下面設(shè)置了反濾部分。據(jù)此,抗?jié)B穩(wěn)定性的滲流計(jì)算區(qū)域如圖2所示。

        圖2 抗?jié)B穩(wěn)定性的滲流計(jì)算區(qū)域

        從圖2可以看出,受到樅陽閘結(jié)構(gòu)因素的限制,其滲流計(jì)算一共劃分了15個(gè)區(qū)域,各個(gè)區(qū)域的跨度長短不一,有的達(dá)到18 000 cm,有的則只有幾百厘米。

        根據(jù)助力系數(shù)法計(jì)算出的樅陽閘底板各滲流區(qū)段幾何參數(shù)和阻力系數(shù)見表2。

        從表2中的結(jié)果可以看出:樅陽閘整個(gè)工程底板的滲流區(qū)段共劃分為15個(gè)區(qū)段,各區(qū)段的阻力系數(shù)存在明顯的差異。例如,第4號(hào)滲流區(qū)段的區(qū)段類型為水平段,關(guān)鍵幾何參數(shù)為2.135,阻力系數(shù)為4.676,處于非常高的水平。第8號(hào)滲流區(qū)段的區(qū)段類型為水平段,關(guān)鍵幾何參數(shù)為0.026,阻力系數(shù)為0.058,處于非常低的水平。第12號(hào)滲流區(qū)段的區(qū)段類型為水平段,關(guān)鍵幾何參數(shù)為0.026,阻力系數(shù)為0.058,處于非常低的水平??梢?,在樅陽閘15個(gè)滲流區(qū)段中,第4段的阻力系數(shù)最大,第8段、第12段的阻力系數(shù)最小。

        表2 底板各滲流區(qū)段幾何參數(shù)和阻力系數(shù)

        樅陽閘水位各區(qū)段滲區(qū)水頭損失計(jì)算結(jié)果見表3。

        表3 設(shè)計(jì)水位各區(qū)段滲區(qū)水頭損失計(jì)算表(阻力系數(shù)法)

        從表3中的結(jié)果可以看出:樅陽閘各區(qū)段滲區(qū)水頭損失也存在明顯的差異,各區(qū)段并不相同。樅陽閘水位各區(qū)段的水頭損失計(jì)算結(jié)果中,第4段為水平段,其滲區(qū)水頭損失最大,達(dá)到了2.135,第8段、第12段同樣為水平段,其滲區(qū)水頭損失最小,只有0.026。其余各段的滲區(qū)水頭損失則處在這兩個(gè)值的中間??梢?,針對(duì)不同區(qū)段的情況,根據(jù)滲區(qū)水頭損失的差異,應(yīng)進(jìn)行有針對(duì)性的差異化處理。

        樅陽閘水位各區(qū)段滲區(qū)水頭計(jì)算結(jié)果見表4。

        表4 設(shè)計(jì)水位各區(qū)段滲區(qū)水頭計(jì)算表(阻力系數(shù)法)

        從滲壓水頭的計(jì)算結(jié)果可以看出,從H1到H16這16個(gè)水頭的水頭值依次減小,這一結(jié)果同前面幾組參數(shù)的結(jié)果相比具有明顯的規(guī)律性,呈現(xiàn)出逐級(jí)漸變的趨勢。其中,滲壓水頭H1的水頭值為6.070,滲壓水頭H8的水頭值為1.839,而到了滲壓水頭H16,水頭值迅速下降到0.001,趨近于0。

        進(jìn)一步分析,樅陽閘底板各段所承受的滲透壓強(qiáng)的具體分布情況如圖3所示。

        圖3 底板滲透壓力分布(單位:kPa)

        從圖3可以看出,樅陽閘底板各段所受的壓強(qiáng),從右向左依次增大,最右側(cè)部分所受的壓強(qiáng)在0 kPa~0.24 kPa變化,而到最左側(cè)部分所受的壓強(qiáng)在1.839 kPa~1.925 kPa變化。

        2.3 滲流坡降的計(jì)算

        根據(jù)滲流坡降的計(jì)算結(jié)果,樅陽閘的水平滲透坡降如公式(4)所示。

        根據(jù)滲流坡降的計(jì)算結(jié)果,樅陽閘出口滲透坡降如公式(5)所示。

        考慮樅陽閘底板土層的土質(zhì)主要為壤土,設(shè)定許用滲透坡降如下:1)水平許用坡降[J]= 0.25~0.35,進(jìn)一步考慮河道中淤積情況,為防止冒水孔發(fā)生堵塞,取用[Jx]=0.25。2)出口許用滲透坡降[J]=0.5~0.6,進(jìn)一步考慮消力池海漫嚴(yán)重淤積,為防止冒水孔堵塞、反濾失效,計(jì)算中取[J]=0.5。

        2.4 抗?jié)B穩(wěn)定性評(píng)估

        首先,根據(jù)樅陽閘的實(shí)際使用情況,尤其是在水位較高的情況下,閘基可能已經(jīng)出現(xiàn)滲水。結(jié)合閘底板的實(shí)際情況和抗?jié)B性能的分析結(jié)果,樅陽閘閘基存在一定滲流隱患。

        其次,樅陽閘上、下游護(hù)坦出現(xiàn)了部分折損,間接表明了滲流出口處遭受到一定程度破壞,這也會(huì)給樅陽閘閘基埋下一定的安全隱患。而閘基整體是否存在裂縫,還需要進(jìn)一步檢測。

        最后,樅陽閘在上游鋪蓋、下游消力池以及閘止水設(shè)施均正常工作的情況下,出逸坡降滿足滲流穩(wěn)定要求。滲徑系數(shù)法和改進(jìn)阻力系數(shù)法的校驗(yàn)顯示,樅陽閘閘基整體滲流穩(wěn)定性還是滿足規(guī)范要求的,但存在一定滲流隱患。

        3 結(jié)論

        抗?jié)B性能是水閘工程安全運(yùn)行的重要技術(shù)指標(biāo),該文以樅陽閘為例,進(jìn)行了水閘抗?jié)B性能的研究工作。首先,該文對(duì)樅陽閘的工程概況進(jìn)行了闡述,其工程結(jié)構(gòu)包括閘室、閘堤連接段、啟閉設(shè)備和閘門、消能設(shè)施以及上、下游翼墻等關(guān)鍵部分。其次,運(yùn)用滲徑系數(shù)法驗(yàn)算樅1839陽閘滲徑長度,并運(yùn)用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行校驗(yàn)。抗?jié)B性能的分析結(jié)果顯示:樅陽閘閘基滲流穩(wěn)定檢測計(jì)算滿足規(guī)范要求,但也存在一定隱患,應(yīng)進(jìn)行定期檢測并做好預(yù)防。

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