潮汐河口特大跨度水闸抗震标准及设防措施

第３０卷第１期２　０　１　２年１月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．１Ｊａｎ．２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０１－０１１０－０４潮汐河口特大跨度水闸抗震标准及设防措施季永兴１，２，张燎军１，卢永金２（１．河海大学水利水电学院，江苏南京２１００９８；２．上海市水利工程设计研究院，上海２０００６１）摘要：以上海市苏州河河口水闸为例，根据工程所在区域的地震资料、潮汐河口水位特性、地震与高潮组合超越概率分析、相关法规要求、工程规模与重要性，并结合周边既有建筑物设防标准，确定了潮汐河口特大跨度水闸合理的抗震设防标准，并从结构方案、总体布置、基础处理、节点设计等方面提出了抗震设防措施。

水闸试运行结果表明，该抗震设防标准和措施科学、可行。

关键词：水闸；特大跨度；水下卧倒门；抗震标准；苏州河中图分类号：ＴＶ６６３文献标志码：Ａ收稿日期：２０１１－０８－０８，修回日期：２０１１－０９－０６作者简介：季永兴（１９７０－），男，高级工程师，研究方向为水利工程设计与研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｙｘ＠ｓｈ１６３．ｎｅｔ 水闸是典型的挡水水工建筑物，除遭遇超标洪水、地质隐患等因素而失事外，地震是水闸失事的重要因素之一。

水闸设计时必须根据工程规模、功能及其重要性进行抗震设防标准选择及抗震稳定验算，并采取可行的结构方案和必要的构造措施等使其具有一定的抗震安全性。

水工挡水建筑物的抗震设防标准一般根据壅水或非壅水情况确定。

但位于潮汐河口的水闸随潮汐涨落双向挡水，受力呈双向交替变化。

设计工况防御的是潮汐最高高潮位或最低低潮位。

由于最高高潮位或最低低潮位发生时间极短，且发生的概率又极小（与设计标准相当），因此感潮河网地区的水闸与一般的壅水水工建筑物不同。

鉴此，本文以上海市苏州河河口水闸为例，基于工程所在区域的地震资料、潮汐河口水位特性、地震与高潮组合超越概率分析、工程规模与重要性等因素，并结合周边既有建筑物设防标准，确定了潮汐河口特大跨度水闸合理的抗震设防标准，提出了既满足功能要求又利于降低重心高度的底轴驱动水下卧倒闸门的全地下水闸结构，从总体布置、结构方案、节点设计等方面提出抗震设防措施。

１　水闸主体结构为防御黄浦江高潮位、灵活调度苏州河水系水资源、改善水环境、解决苏州河河口周边区域交通和景观问题，上海市政府决定拆除原吴淞路闸桥，在苏州河与黄浦江交界的河口建设苏州河河口水闸。

水闸净宽与河口同宽（净宽１００ｍ），防洪标准为千年一遇，工程等别为Ⅰ等，主体水工建筑物级别为１级。

闸门采用底轴驱动的水下卧倒门，主体结构均位于地面以下，水闸配套设施全置于南岸现有空箱式防汛墙下和闸墩内。

工程主要包括基坑围护、基础钢管桩、闸墩、底板、水下防渗设施、防冲护坦、拦物防撞设施、钢闸门、启闭设备、电气自动控制系统等。

水闸主体采用３个闸墩、１块整体闸底板的两跨连续梁总体方式受力（图１（ａ））。

闸门承担的水压力通过底轴，由轴承座传递至闸底板，最后传递至两侧边墩和闸墩基础（图１（ｂ））。

闸底板为单体薄壁格构式钢筋混凝土预制沉箱，尺寸为９９．００ｍ×１４．００ｍ×６．２５（４．４０）ｍ（长×宽×高），上下游两侧面外包钢板，纵向四角包角钢，并由纵隔板与横隔板分隔成２４５个独立的隔腔。

闸图１　水闸结构剖面图（单位：ｍ）Ｆｉｇ．１　Ｓｌｕｉｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｐｌａｎ第３０卷第１期季永兴等：潮汐河口特大跨度水闸抗震标准及设防措施底板在船坞内制作后，安装闸门，再浮运至现场沉放，搁置在闸墩沉井支座上（图１（ａ））。

闸墩基础结构为钢壳沉井式承台，下设钢管桩基础（图２）。

沉井式承台初为预制中空钢壳沉箱，浮运至现场后充填混凝土。

边墩沉井尺寸为３０ｍ×１６ｍ×７ｍ（长×宽×高），中墩沉井尺寸为１８ｍ×１３ｍ×４ｍ（长×宽×高）。

南岸边闸墩基础采用４０根直径６０ｃｍ的钢管桩，中闸墩基础为２４根直径６０ｃｍ的钢管桩，桩长约６０ｍ。

钢管桩施打结束后在顶部充灌混凝土。

北岸边墩在施工基坑围护高喷注浆时发生土体变形，后经论证改为钢套管加钻孔灌注桩结构，桩径１００ｃｍ，钢套管长１５ｍ，桩长同钢管桩约６０ｍ。

图２　闸底板在边墩嵌入方式示意图（单位：ｍ）Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｆｌｏｏｒ　ｓｅｔｔｙｐｅ　ａｔ　ａｂｕｔｍｅｎｔ　ｐｉｅｒ２　抗震设防标准的确定合理地进行工程抗震设防既能有效减轻工程的地震破坏和损失，又能合理地使用有限资金［１］，因此抗震设防标准的确定非常重要。

《水工建筑物抗震设计规范》［２］规定，工程抗震设防类别应根据建筑物级别、场地基本烈度，并考虑壅水或非壅水情况综合确定。

苏州河河口水闸主体建筑物为１级，《中国地震烈度区划图》［３］显示闸址场地地震基本烈度为７度，所以水闸的抗震设防类别主要由是否壅水确定为甲类或乙类。

苏州河河口水闸防御高潮位，潮位１ｄ两高两低，闸门或开或关，为非恒定型壅水，不是常规意义上的壅水水工建筑物，因此水闸抗震设防类别应区别对待。

２．１　组合超越概率根据《水工建筑物抗震设计规范》［２］，对壅水建筑物应取基准期１００年内超越概率Ｐ１００为０．０２，对非壅水建筑物取基准期５０年内超越概率Ｐ５０为０．０５。

因此，即使按非壅水建筑物５０年，可算出使用期内地震超越概率Ｐ５０为０．０５对应地震的重现期为１　０００年。

按独立事件，５０年使用期内千年一遇高潮位（超越概率同样为０．０５）与千年一遇的地震相遇，两者相遇的组合超越概率为２．５×１０－３［４］，表明苏州河河口水闸遭遇７度以上地震且高潮位的情况极小。

２．２　相关规范要求《建筑抗震设计规范》［５］规定，甲类建筑物应属于重大建筑物和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。

由此可知，苏州河河口水闸在挡高潮位时发生７度以上的地震概率非常微小，而一般性潮位（潮差）时水闸有足够的抗震能力，所以地震时不会发生严重的次生灾害。

因此，苏州河河口水闸的抗震设防类别可不按甲类标准。

《水工建筑物抗震设计规范》［２］规定，设防类别为甲类的水工建筑物，可根据其遭受强震影响的危害性，在基本烈度基础上提高１度作为设计烈度。

同样由于地震与高潮位组合超越概率极小，不会发生严重的次生灾害，水闸即使按甲类设防也无需提高设防标准，即以基本烈度７度作为设计烈度。

２．３　临近工程分析由于苏州河是黄浦江的一条支流，因此其河口水闸亦为黄浦江沿线防汛设施的一部分。

黄浦江沿线防汛墙按相关设计规范确定，并经水利部和上海市批准，采用７度设防标准进行设计。

苏州河河口水闸作为黄浦江沿线建筑物，应与其他沿线工程的抗震标准一致。

另外，苏州河河口水闸实际是原吴淞路闸桥的替代物，所以该水闸应与原吴淞路闸桥批准的７度抗震设防标准一致。

２．４　苏州河河口水闸设防标准由于苏州河河口水闸位于上海市，虽遭遇地震与高潮位的概率极小，且发生次生灾害不大，但保护人口多，失事后社会影响较大，因此综合考虑工程规模与重要性，提出苏州河河口水闸总体按７度设计、主体水工建筑物提高１级进行复核，且在总体布置、主体建筑物及易受破坏位置考虑抗震构造措施。

３　抗震设防措施水闸的抗震设防措施主要包括以下两方面：①合理地选择场地，并进行地基处理；②结构上采取抗震措施。

但由于苏州河河口水闸位于上海市的重要繁华地段，闸址选择的余地非常小，所以水闸的抗震设防措施重点应集中在总体方案、结构布置、构造措施和基础处理上。

·１１１·３．１　主体结构选型一般水闸根据闸门开启位置可分水上、水中和水下３种类型。

考虑到景观要求（在苏州河河口最好无高耸突出物）和抗震要求（尽量减低建筑物的重心），选择水下类闸门比较适宜。

水下类闸门主要有单扇水下液压卧倒门、多扇水下液压卧倒门、浮箱下卧门、弧形旋转门、下卧式坞门。

其中，弧形旋转门和下卧式坞门在两岸需大型岸墩支撑体系，苏州河河口选定的闸址无法实施，可能的方案是单扇或多扇水下液压卧倒门和浮箱下卧门。

这３种门型的一个突出优点是关门挡水时门顶可保持与水面基本齐平，开门时门体沉入水中，对周边环境影响甚微。

同时，闸门及主体建筑物结构均埋设于河床和两岸土体内，抗震性能优于其他类门型。

３种门型各自的优缺点如下：①单扇液压卧倒门启闭可控性好，但机械制作精度要求高、检修困难，必须达到一定期限（２０～３０年）才免维护。

②多扇液压卧倒门结构受力分散，化大为小，可利用浮箱整体浮出水面进行大修，但挡水时门与门之间止水较难，可能会影响景观，启闭时门与门之间过水对闸门震动有影响，同步性差，设备数量多，闸门检修较困难。

③浮箱下卧门受力最合理，机械设备、金属结构较常规，但自动控制要求很高，门体维修不便。

从抗震角度分析，浮箱下卧门受震动影响大，底铰受力不确定因素大；多扇液压卧倒门较浮箱下卧门抗震性能好；单扇液压卧倒门因受大直径底轴固定，刚度大，抗震性能最好。

综合各方面优缺点，优选采用单扇液压卧倒门方案。

３．２　结构布置与构造（１）双跨连续梁总体布置。

从抗震角度看，对称布置的结构有利于抗震。

苏州河河口水闸需满足双向挡水要求，承担巨大双向水平力和垂直力。

为减少大跨度底板变形挠度对闸门底轴变形的影响，可考虑在水闸底板设置支撑闸墩以减小变形，但过多的支撑又会因闸底板不均匀变形引起闸门底轴卡阻，不利于轴承转动。

综合受力、挠度、变形、抗震各方面因素，确定在苏州河两岸及河中心设置３个闸墩，闸底板为一整块，预制浮运至现场后沉放，搁置于闸墩上，在竖直向形成对称的两跨连续梁结构（图１（ａ））。

（２）闸底板嵌入式搁置方式。

水闸的主体是闸门门叶与底轴固结，并通过底轴与轴承座和闸底板联结搁置于闸墩上，因此闸底板是整个水闸抗震稳定性的关键。

为此，本文从闸底板双向受力稳定、闸墩受力平衡、整体稳定和抗震稳定等方面考虑搁置方式。

①闸底板全埋入地基，利用土体反力分摊部分水平力，减小了闸底板水平向变形，增加了水闸整体抗震稳定性；②闸底板两端均嵌入两岸边墩沉井内，且搁置于沉井中隔墩上平板橡胶支座上，竖直和水平嵌入深度均达８．０ｍ（图１（ａ），图２），不仅确保了边墩受力稳定，且增加了水闸水平向和竖直向抗震性能，同时震动时闸底板也不易脱落；③在中闸墩位置利用钢围堰余留部分浇筑二期混凝土和高压喷射注浆（图３），增加了中闸墩的限位，减小了闸底板水平向变形，亦增加了闸底板的安全性。

图３　中墩限位墩示意图（单位：ｍ）Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｓｔｏｐ　ａｔ　ｍｉｄ－ｐｉｅｒ（３）闸底板外包钢空箱混凝土型式。