马颊河干流津期店节制闸除险加固建筑物布置及结构计算

b)机架桥主梁竖向裂缝
图1
津期店闸典型病险问题
[收稿日期]2020-03-17
[作者简介]陈彦青(1984-),女,汉族,山东德州人,工程师,本科,主要从事水利工程项目管理工作。

第6期(总第457期)
吉林水利2020年06月
[文章编号]1009-2846(2020)06-0012-04
1工程概况
津期店闸位于山东省夏津县雷集镇津期店村
东南马颊河干流129+022里程处[1],为8孔钢筋混凝土开敞式河道型平底水闸,Ⅲ等3级中型闸。

改造后水闸总长71.7m ,闸孔净宽64m 。

设计防洪流量815m 3/s ,相应闸上水位23.72m (黄海高程,下同),排涝流量403m 3/s ,相应闸上水位22.85m 。

设计
蓄水位22.70m ,蓄水量555万m 3,最大蓄水量670
万m 3,年调节水量1665.0万m 3。

工程主要用途为蓄水灌溉,设计灌溉面积4万亩,实际灌溉面积1万亩。

2工程病险现状及安全复核
津期店闸运行至今39年,在防洪排涝、蓄水
灌溉等方面均发挥非常良好的作用。

但由于原设计标准低和施工质量差等原因,加上超期运行,水闸运用指标达不到现状设计标准,工程存在严重损坏且呈逐年加剧趋势[2-3]。

防洪标准偏低、水闸上
下游河道泥沙淤积严重、闸基渗漏、消力池护坦抗浮性能差、混凝土裂缝及碳化剥落、闸门锈蚀及止水老化失修等,严重威胁到水闸运行安全及功能
的正常稳定发挥。

津期店闸现存典型病险问题,如图1所示。

马颊河干流津期店节制闸除险加固
建筑物布置及结构计算
陈彦青
(德州市水利局,山东德州253000)
[摘要]针对津期店节制闸防洪标准偏低、闸基渗漏失稳、超期服役混凝土裂缝及碳化剥落等病险问题,结合安全复核成果,从闸墩加固方案、构建物布置、水力计算及稳定性分析等方面,对水闸除险加固方案进行了论证分析。

优选的原闸址闸墩拆除重建方案,在施工难度、施工质量控制、水闸结构优化和运行管理等方面均较优。

工程实施后,水闸防洪泄流和拦蓄灌溉能力得到提高,将显著改善水闸安全稳定运行效果。

[关键词]除险加固;防洪排涝;消能防冲;节制闸[中图分类号]TV 698.23
[文献标识码]
B
a )混凝土碳化严重
根据《水闸安全鉴定规定》,2000年山东省水利科学研究院对津期店闸进行了安全鉴定,结果表明:①防洪标准偏低,津期店节制闸位于马颊河流域干流,原设计防洪标准相当于20年一遇、排涝标准低于5年一遇。

现状水闸防洪标准低于马颊河50年一遇防洪和5年一遇排涝标准。

②混凝土碳化,测点最大碳化深度39.0mm,而与之相对应构件的钢筋保护层设计厚度为5.0cm。

实际厚度很不均匀,最薄处仅1-2cm,混凝土碳化深度的发展直接影响结构耐久性,已引起钢筋锈胀、混凝土产生顺筋裂缝,甚至多处混凝土保护层脱落,直接危害水闸安全。

③钢筋锈蚀,闸墩、机架桥墩施工时部分模板立模时加固不牢、密封不严,钢筋保护层未采取适当控制措施,混凝土表面蜂窝、麻面、孔洞严重,钢筋保护层厚度亦不均匀,多处主筋裸露,钢筋已严重锈蚀。

④闸基渗透变形,闸基渗流绝对异常值达46mv,系渗流已产生渗透变形的反映,闸底板断裂、护坡塌陷,渗透变形对闸室安全已构成严重威胁。

⑤闸门锈蚀变形,闸门锈蚀变形严重,止水橡皮老化失修、闸门启闭困难。

水闸超期运行,运用指标达不到设计标准,工程存在严重损坏,评定为三类水闸,急需采取合理的除险加固措施进行处理,以恢复其正常的防洪排涝、蓄水灌溉及生态环保等功能效益[4-5]。

3津期店闸除险加固设计
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》,津期店拦河闸工程建筑物等级为Ⅲ级,拦河闸为3级建筑物。

50年一遇防洪标准:流量815m3/s,底宽112m,水位23.72m。

3.1闸墩加固方案优化比选
津期店闸安全复核计算表明:水闸行洪排涝过流能力、二道消力坎消能能力、抗渗及抗滑稳定、水结构强度及刚度等均满足规范要求,但其超期服役,损坏严重,运用指标已不能满足正常稳定运行需求,设计优选原闸聚合物砂浆加固修复和拆除重建两种除险加固方案进行比选,如表1。

加固方案主要施工内容方案特点
方案一:原闸加固修复①清除酥松混凝土,直至新鲜混凝土;
②采用焊接、帮条等加固锈蚀钢筋;
③压抹聚合物砂浆分层修补混凝土。

优点:充分利用现状水闸结构,拆除工程量小;造价较
低;
缺点:施工工序复杂、施工技术难度高、结构未优化、
修复质量难控制。

方案二:拆除重建①原闸墩拆除,原闸墩位置新建闸墩;
②上游侧新增60×25cm检修工作门。

优点:新建闸墩质量易控制、新增检修门便于检修、结
构整体得到优化;
缺点:拆除工程量较大;投资较大。

闸墩除险加固方案
表1
从表1可以看出,两种闸墩处理方案均能排除水闸现有险情,确保其功能正常稳定发挥。

闸墩拆除重建方案虽比原闸墩加固处理方案投资较大,但在施工技术难度、施工质量控制、结构优化、运行检修和使用寿命等方面具有较大优越性,故优选闸墩拆除重建方案。

3.2水闸构建物布置
津期店闸改造包括闸室控制段和上下游连接段。

按50年一遇防洪标准设防,设计蓄水位
22.70m(对应蓄水量555万m3),最大蓄水位
23.20m(对应蓄水量670万m3),设计排涝流量403m3/s(闸上水位23.51m;闸下水位23.41m),设计防洪流量815m3/s(闸上水位23.51m;闸下水位23.36m)。

3.2.1闸室及上部结构布置
津期店闸为钢筋混凝土开敞式,共8孔,闸室总长71.7m,闸墩、承台均为钢筋混凝土结构,闸墩为分离式底板,大底板兼做桩基承台,顺水流方向长11m;垂直水流方向大底板长3.5m、厚1.2m,小底板长5.6m、厚0.5m;闸墩高7.8m、宽4.5m、厚1.1m。

(1)闸底板
闸底板存在裂缝、倾斜等问题,直接影响闸室的稳定性,为增长渗径,提高地基渗透性。

除险加固设计在闸底板上游1.4m处采取高压喷射注浆防渗帷幕,灌浆孔间距1m,孔深10m;对大小底板采用充填灌浆以提高地基承载力,改善地基抗渗稳定性,压力灌浆梅花布置,孔间距2m,深3m,每孔
计算工况一级消力池
二级消力池
海漫长度
防冲槽深度
池长池深底板厚池长池深底板厚现状值13.3 1.80.510.2 1.30.310 1.2判断结果
满足
满足
满足
满足
满足
不满足
不满足
不满足
顺水流方向布设3排。

(2)闸墩及闸门
水闸闸墩现状破损严重,桥柱表面混凝土水
位变化区冻融破坏严重,闸门槽处存在多处裂缝,水闸安全检测评估评定为C 级;闸门锈蚀较为严重,截面损失率为4.8%,水闸安全检测评估评定为B 级;且津期店闸下游为德州市引黄线路马颊河段的一部分,对承担上游污水起到至关重要作用,是德州市饮水安全的关键工程。

为保证下游饮水安全,拟对闸底板以上部分拆除重建,更换全部钢闸门及启闭设备。

改建闸墩高7m ,墩顶高程25.20m ,厚1.1m ,顺水流方向长11m ,闸室中部闸墩侧设70cm 宽×30cm 深闸门槽,置8×5.8m 双吊点平板钢
闸门,其上游侧设60×25cm 检修工作门槽,钢结构叠梁平板门;中墩墩身上下游设半圆头。

(3)排架及机架桥
排架混凝土开裂普遍,有顺筋裂缝现象;机架桥主梁表面龟裂严重、露筋,裸露钢筋已锈蚀,除险加固拆除重建排架及机架桥。

重建后钢筋混凝土排架柱截面尺寸为60cm ×60cm ,横梁顶高程32.10m ,柱间净距200cm ;机架桥为T 型梁截面,2
根,机架桥共8孔,每块桥面板尺寸为9.08m ×
1.72m ×0.15m ,主梁尺寸为9.08m ×0.85m ×0.85m 。

3.2.2
上下游连接布置
原闸底板上游设30m 长粘土铺盖,粘土铺盖
顶部设20m 长浆砌块石保护。

上游铺盖及护底段的边坡采用浆砌块石护坡,铺盖护坡下设粘土防渗层,上游护坡段总长30m 。

经多年水流冲刷破坏,上游铺盖破损严重,粘土基本被冲蚀,水平防渗达不到要求,上下游护坡砂浆剥蚀老化,下游护坡剥蚀严重,经水闸安全鉴定为C 级。

除险加固对闸室上游改建护底和铺盖,顺水流向分别为15m 浆砌
石护底(厚30cm)、20m 钢筋混凝土铺盖(厚50cm)。

3.2.3
消能防冲布置
原闸底板下游设23.5m 长钢筋混凝土护坦,消能型式采用二道消力坎消能。

护坦下游设10m 长浆砌块石海漫和5m 长防冲槽。

护坦、海漫、防冲槽段的边坡均采用浆砌块石护坡,下游护坡总长
38.5m 。

经多年运行,地基渗压破坏,导致反滤失效。

除险加固对闸室下游进行改建,依次布置1.5m 钢
筋混凝土反滤盖板、维修钢筋混凝土消力池。

由于第二道消力坎段厚度30mm ,不满足防冲要求,需加厚20mm ;浆砌石海漫加长至20m ;改建抛石防冲槽,倒梯形,长8m ,槽深2m ,底宽5m ,顶高程
17.2―18.2m 。

4
水闸构建物设计计算
4.1
行洪泄流能力分析
采用平底闸堰流计算得:设计防洪流量815m 3/s ,设计防洪水位23.51m ,闸孔总净宽B 0=
64m ,相应闸前水深h =23.51-18.20=5.31m 。

当上下
游水位差取0.15m ,此时闸孔可过流流量为816.20m 3/s 大于50年一遇的防洪流量Q =815m 3/s 。

设计方案中上下游水位差为0.25m ,水闸过流能力满足要求,行洪排涝安全可靠性高。

4.2
消能防冲计算
津期店闸属于平原地区水闸,行洪排涝期间全部闸孔闸门敞开,闸室上下游水位差很小,闸下游消能不是危险情况。

由于水闸孔数较多,要全部闸孔齐步开启,不易做到。

部分闸孔开启是下游消能最危险的工况,要控制开启速度和开度(每次增加开度不得超过0.5m ),以求下游水位接近相应流量。

水闸消能防冲计算成果,如表2所示。

水闸消能防冲计算成果
表2
/m
从表2可知,现状消力池池长及坎高均满足设计规范要求。

但第二道消力坎底板厚0.3m ,不满足水闸设计规范要求,需做加厚处理,加厚0.2m 。

海漫长度不满足水闸设计规范要求,需加长至
20m ,防冲槽槽深取2m 。

4.3
闸室稳定性分析
津期店闸为钢筋混凝土开敞式中型节制闸,
闸室总长71.7m ,设8孔8m ×5.8m(宽×高)的平板钢闸门。

闸门底板顺水流方向长11m ,承台宽3.5m ,其底板为钢筋混凝土结构,墩高7m ,厚1.1m ,钢筋
混凝土结构。

根据《水闸设计规范》,闸室稳定性分析计算工况为:①完建工况,无水;②校核工况,闸上游水位为24.00m ,闸下游无水18.20m 。

③地震工况,正常挡水时期闸门全关,遭遇强震。

边墩闸室计算顺水流向(纵向)和垂直水流方向(横向)的稳定性;中墩闸室因其垂直水流方向(横向)向两侧水压力平衡,故只分析其顺水流向(纵向)的稳定性。

稳定性分析主要计算闸室地基承载力及抗滑稳定系数,如表3和表4所示。

津期店闸为3级建筑物,其沿闸室底面抗滑稳定安全系数的允许值基本组合时为1.25,特殊
组合时为1.10。

从表3和表4可知,各工况条件下,中墩和边墩的抗滑稳定系数均大于规范允许值,且富裕度较大,整体安全可靠。

地基应力不均匀系数虽在允许值2和2.5范围内,但基底应力最大值和平均值均大于地基允许承载力110kPa ,需采取合理措施进行地基处理。

采用钻孔灌注桩,基础按摩擦桩设计,即中墩增设灌注桩,桩长13m ;边墩增设灌注桩,桩长20m 。

钻孔灌注桩处理后,地基承载力得到提高,底部受力得到改善,承载力满足稳定性要求。

5结论
津期店节制闸是马颊河流域干流重要的防洪
排涝和蓄水灌溉水利枢纽工程,由于建设标准偏低、管理维护措施落实不到位,加上近40年服役且未经系统病险调查及处理,水闸存在上下游河道淤积、闸基渗漏失稳、闸墩混凝土裂缝及碳化剥落等病险问题,急需通过合理除险加固改造以恢复水闸功能效益。

结合水闸安全复核成果,综合考虑病险现状、工程地质条件和运行管理需求,设计优选原闸址闸墩拆除重建方案,能有效提高水闸
防洪标准和拦蓄灌溉及行洪泄流能力。

对水闸除险加固设计的总结,可为类似工程设计优化和施工建设提供一定参考。

□
参考文献:
[1]杜宝杰,于芳,吴金磊.德州市津期店节制闸除险加固设计[J].山东水利,2013(5):35-36.
[2]刘英超.自动翻板闸过流能力复核与除险加固方案比选[J].水科学与工程技术,2019(5):51-54.
[3]王琴红,高杰.万金滩拦河闸除险加固设计[J].吉林水利,2016(4):16-18.
[4]张万里,胡凯,涂超庆.高安市谢家闸除险加固工程泄洪闸设计方案分析[J].水利科学与寒区工程,2019,2(5):74-77.
[5]黎学锋.玉林市云良水闸除险加固工程设计浅析[J].陕西水利,2019(4):207-208.
计算工况基底应力(kPa )
地基承载力允许值(kPa )
地基应力不均匀系数抗滑稳定系数最大值最小值平均值计算值允许值计算值
允许值完建工况140.0499.69119.86110 1.412 1.25校核水位150.41133.37141.89110 1.132 2.40 1.10地震工况
163.64
119.62
141.63
110
1.37
2.5
1.74
1.05
中墩顺水流向(纵向)闸室稳定性计算成果
表3
水流方向计算工况基底应力(kPa )
地基承载力允许值(kPa )
地基应力不均匀系数抗滑稳定系数最大值最小值平均值计算值允许值计算值
允许值顺水流
完建工况135.24114.06124.65110 1.182 1.25校核水位178.81104.75141.78110 1.71211.88 1.10地震工况
184.5798.99141.78110 1.86 2.5 4.35 1.05垂直水流
完建工况166.1399.24132.68110 1.2215.60 1.25校核水位164.73115.13139.93110 1.342 1.43 1.10地震工况
185.81
95.69
140.75
110
1.05
2.5
2.05
1.05
边墩闸室稳定性计算成果
表4。