水闸重建方案论证及稳定性分析研究_杨祯和.pdf

101 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）水闸重建方案论证及稳定性分析研究杨祯和（湛江市雷州青年运河管理局西海河管理所，广东 廉江 524400）摘 要：由于水闸建成时间较早,原设计标准偏低，主要发挥供水，挡洪作用。加之经过多年运行，该闸闸身，翼墙抗滑及渗流稳定均不满足要求，为消除安全隐患，确保工程安全运行，拟对该闸进行拆除重建。该水闸重建设计方案,通过水闸水位、流量和高程计算三方面进行深入研究。开展水闸的渗流，闸室应力分析，地震力计算以及复合地基承载力计算来论证重建水闸的稳定性，且计算结果能较直观地反映水闸整体工作性态。从而分析具体影响，并提出相应的解决方案，论证水闸重建的必要性。关键词：水闸；重建；渗流；应力稳定性 中图分类号：TV66 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0101-04 收稿日期 2022-11-13 作者简介 杨祯和（1 9 7 4-），男，广东廉江人，工程师。1 工程概述司前镇水闸始建于 1970 年左右，原先水闸设计由 6 副闸孔构成，总净宽度约 19m，由于使用年限长，原来地基承载不足，在运营年限过久和超荷载通行的情况下，水闸各处不同程度出现变形、开裂和不均匀沉降的各种损毁现象。受交通条件限制，原址重建该水闸施工难度较大，所以通过此次规划移址新建一座新闸，来实现区域内的防洪排涝同时兼顾取水灌溉和交通通行的目的。新建水闸设计选用的整体敞开式水闸结构。新建水闸由净孔宽达 8m 的 3 组孔构成。综合考虑到河底的平均高程和考虑到地基基础的沉降等因素，最终设计闸顶高程 3.6m，交通桥宽度为 7m，防浪墙顶部高程 4.6m。2 工程地质条件2.1 岩性特征经过对现场场地的勘察和分析。得出现场范围内的土层从上至下划分为第四系土层和第三系。具体可划分如下：2.1.1 第四系地层1）粉质黏土：主要由粉、黏粒组成，为塘基土。2）淤泥：含粉细砂、贝壳和腐植质。局部为淤泥质土，具有高压缩性、高灵敏度土质极差的特点。3）粗砂：饱和，中密状态。主要由粗粒石英砂组成，含各级砂及粉、黏粒。2.1.2 第三系岩层1）强风化泥质粉砂岩：岩石矿物颗粒细小，主要以黏土矿物及石英、云母等为主；岩石风化强烈，呈半岩半土状。2.2 水文特征工程区域地势较低,且地下水埋藏较浅。场中粉质黏土为主含有土壤的中上层滞水,淤泥层主要包含结合水，主要含水层为粗砂砾层，其中有主要为孔隙水，具有强承压水能力，侵蚀能力较好，大的风化泥质粉砂岩则为主含有裂隙水。终孔后测得两个钻孔地下水稳定水位分别为 1.50m、1.70m。地DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.057 102 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）下水一般来自大气降雨和横向潜流的供应，消耗于日常蒸发水和横向迳流排泄2。2.3 存在的问题历来洪（潮）涝灾害频繁，强台风经常带来大暴雨，给当地造成了严重的经济损失。工程所在河流两岸堤防高程普遍较低，一旦有遇到潭江较高的洪潮，将造成巨大经济损失，洪潮灾害已威胁到当地人民群众的生活、生产和生命以及国家财产3。因此，重建闭口闸，使其与加固达标后的江堤组成一个防洪、挡潮、交通体系，水闸能及时关闸防洪挡潮，保护围内人民的生命生产安全。排涝指围内河涌因暴雨产生涝水时，水闸能及时排泄涝水入外河，以保护围内不受淹或者尽可能的少受淹。3 水闸设计计算根据项目附近的水文站点的数据。结合地区河涌地势的分布特征，确立了水闸的内外特征水位如表 1 所示。表 1 水闸内、外特征水位表外江校核洪潮水位（P=2%）外江设计洪潮水位（P=3.33%）外江设计洪潮水位（P=20%）外江潮型平均水位外江平均最高潮水位外江平均高潮水位3.343.132.210.931.960.64外江平均最低潮水位外江平均低潮水位外江设计最低潮位（P=90%）内河正常蓄水位内河最高控制水位/-1.49-0.72-1.390.701.00/3.1 水闸设计流量根据工程现场实际调查，结合周边类似工程，分析重建闸前后的内涝情况。该工程地势属于平原河网区，两岸围内地形较低，当未建水闸之前，上游洪水与洪潮频繁遭遇，受洪潮顶托，水位壅高，导致两岸堤围内涝水无法自排，发生内涝；建闸之后，可以有效抵挡洪潮，但是在台风暴雨期间，水闸需要开闸排洪，受洪潮顶托，水位壅高，不利于围内排水，如果水闸关闭，自身集雨面积产生的洪水有时仍会导致内涝发生4。重建水闸工程设计流量是以围内最高水位控制，遭遇外江 5a 一遇 3d 潮型平均水位推求的过闸流量。由表 2 可知，水闸设计流量为95.4m3/s，大于10a一遇洪峰流量92.5m3/s，满足 10a 一遇排涝要求。表 2 水闸设计流量成果表水闸名称闸孔净宽/m闸底板面高程/m闸外水位/m最高内水位/m过闸水位差/m设计排水流量/m3s-1某河24-2.300.931.000.0795.43.2 闸顶高程计算设计工况按照正常防汛挡潮和校准后防汛挡潮两种进行计算。若在设计防汛挡潮工况下，取最大潮水位 3.13m 为水闸外设计水位。取最高潮水位下的日均最大风力值的 1.5 倍为设计值，V0=24m/s；在校核防洪挡潮工况下，闸外的设计水位取 3.4m。经计算水闸闸顶高程取两种工况最大值，为4.13m，综合设计新建水闸的顶部高程应高于两岸堤防高程，所以此次新建水闸设计墙顶高程为4.40m，设计闸顶高程为 4.40m。4 主要建筑物稳定性分析4.1 渗流稳定计算水闸的基础防渗轮廓主要由刺壁、底板、齿墙等构成，基础防渗轮廓全长为 37.2m。对于淤泥质土层，设计渗流坡降的允许值在水平段约 0.3，在出口段值 0.55；根据表 3 的计算结果可以发现，计算特定工况下的渗透坡降已经规范限定值，说明水闸满足渗流稳定的要求。设计将挡潮情况作为线性的渗流稳定性计算工况，其他情况为闸房稳定性分析和渗透流压力参数之用。表 3 渗流稳定计算成果表计算工况外江设计水位/m内涌设计水位/m水平段渗透坡降出口段渗透坡降完建期-2.30-2.30/设计挡潮期3.130.700.1290.162校核挡潮期3.341.000.1240.156设计运用遭遇 7 度地震1.960.704.2 水闸稳定计算闸室的计算时应采用如下公式对其抗滑稳定和基底应力复核：1）抗滑稳定可采用以下公式计算：式中：Kc 为抗滑稳定安全系数；G 为作用于闸室上全部竖向荷载；H 为作用于闸室上全部水平向荷载；f 为闸室基底面与地基之间摩擦系数。2）闸室基底应力计算：式中：Pminmax为闸室基底应力的最大或最小值；M为作用于闸室上的全部竖向或水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩；W 为闸室基础底面对于基础底面垂直水流方向的形心轴的截面矩；103 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）A 为闸室基础底面的面积。3）地震力：综合考虑地震惯性的代表数值，应采用静力方法进行预测。通常情形下，对水工构筑物的修改设计时所考虑的抗震作用力：建筑墙体本身和作用于其的作用力导致的水平和地震动的压力、抗震破土荷载、地震惯性运动。根据地勘资料表明，该项目地基坐落于淤泥土层，其强度仅有 40kPa。从设计成果表 4 中可知，基底应力不均匀系数和不同荷载下水闸均满足抗滑稳定和规范要求。但最大地基平均应力为53.32kPa，最大基底应力为 54.30kPa，不符合最大地基承载力 1.2 倍的条件进而不满足要求。所以需要对本工程的技术基础处理。表 4 水闸稳定计算成果表荷载组合设计工况基底平均应力基底最大应力基底应力不均匀系数 抗滑稳定安全系数 Kc(kPa)(kPa)基本组合完建期53.32 54.301.04 设计挡潮期48.35 53.511.24 3.73特殊组合校核挡潮期43.3151.731.482.95正常运用期遭遇 7 度地震59.81 51.141.054.715 复合地基试桩试验工程试验桩数量为 3 根，采用 4 搅 2 喷的方法。水泥搅拌桩在施工时大致分成干粉喷法和湿浆粉喷法两种。在广东地区的水泥土搅拌桩试验的大量应用实践中，发现干法加固的地基其质量会发生比较大的波动，桩形成后自身的强度不满足要求，更有甚出现成桩断桩经常。多会因为在浇筑时的搅拌不均进行导致单桩承载力和整体复合地基承载力不足。根据珠三角地区施工的成桩质量的经验，综合考虑决定试验桩采用浆喷（湿法）施工。5.1 试验目的及要求搅拌桩试验有以下 3 个目的：1）获得水泥土抗压强度的现场试验值。2）抽芯试验测定试验桩的完整性。3）复核单桩承载力特征值的设计要求。采用钻芯法对本次 3 根试验桩应全部进行抽芯试验，进而保证水泥土单桩承载力特征值和抗压强度现场试验值试验值的数据真实。测试时应提供测试拌和体的深度、以及测试桩的高度能否达到工程要求；桩身水泥土的强度；判定桩身的完整性；桩身的成桩搭接和均匀性。先设置试验桩来设计水泥土的抗压强度实验，对各桩进行室内的抗压强度试验，然后抽取上部、中部、下部各 3 个芯样。选取 3 组样芯来进行抗压强度测试，取平均值最靠近设计值 fcu(1.56MPa)的单桩来继续进行单桩竖向强度测试。以建筑工程基桩检测技术标准中的要求试验，使用竖向抗压静载测试的方法，测试用的最高承载力量为单桩或综合基础设置压力的二倍。5.2 搅拌桩基础计算对散体材料增强体复合地基应按下式计算:式中:fspk为复合地基承载力特征值(kPa)，处理前海;n 为复合地基桩土应力比；m 为面积置换率。通过下表 5 的计算成果来看,设计基础的基底最大平均应该为 53.32kPa，复合地基力特征值fspk=72kPa,满足最大承载力要求；同时最大基底应力为 54.30kPa，满足要求，所以搅拌桩试验基底应力及不平衡强度均符合规范要求。表 5 水泥土搅拌桩设计参数表桩径/mm桩长/m桩端持力层单桩竖向承载力特征值/kN复合地基承载力特征值/kN桩顶标高/m50012.3（暂定）粗砂7972-3.25.3 地基沉降计算借鉴水闸地基土的沉降经验，可以选择有不利工况点来计算最终沉降量。本次施工水闸构造为现浇全尺寸混凝土结构，分析后选择的最终计算点为闸内外涌底的重点。计算得出临江一侧的最终沉降量为 0.28m，而内涌一侧最终沉降量 0.27m。考虑到应降低基础沉降会导致的不利影响，所以此次设计沉降量预留值增加 0.2m。设计水闸顶部高程为3.6m。闸室地基土最终沉降以下式计算方法：式中：S 为最终沉降量，mm；m 为地基沉降量修正系数，本项目取 1.3；hi为第 i 土层的厚度，mm。在这种情况下的基地压力最大，由此计算的沉降也最大。水闸地基在沉降过程中荷载是经常变化的，但计算地基的沉降量，一般只取完建期的荷载情况。临江侧基点沉降量 0.278m，内涌侧基点沉降量 0.277m，水闸内外涌沉降差 0.001m。6 结 论水闸重建工程是一项综合性极强的水利工程，104 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）具备防洪、控制水流量、调节水位等功能，是地区可持续发展的重要保障。根据基础闸门的位置分布和地基的应力情况，试验结果显示，该沉井基础闸门整个构造的位移，刚度和稳定性都符合了现行标准要求，在实际设计中，建议先进行沉井基础闸门构造的数值模拟。综上本工程的实施能有效