陳江華， 秦景洪

(1.泰州市高港區(qū)水利局， 江蘇 泰州 225321； 2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 250009)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步提升，工程技術(shù)水平也隨之不斷進(jìn)步，對于水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。平原地區(qū)河流眾多，水系發(fā)達(dá)，為了應(yīng)對地區(qū)地勢特點(diǎn)，水利工程通常采取閘、泵站以及涵洞等型式進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣一定程度上滿足防洪排澇的需求，也形成了既能防洪擋水，又能排澇抽水的功能。主要建筑物對于整個閘站樞紐是核心成分，其安全穩(wěn)定性能直接影響到工程的正常安全，基于此，需要在工程運(yùn)行一定年限后進(jìn)行安全鑒定[1-2]。安全鑒定主要劃分為全面安全鑒定和專項(xiàng)安全鑒定，建筑物、機(jī)電設(shè)備以及金屬結(jié)構(gòu)是鑒定的最主要部位。閘站安全鑒定主要有現(xiàn)狀調(diào)查分析、現(xiàn)場安全檢測、工程安全復(fù)核計(jì)算分析、安全綜合評價(jià)等，本文主要以泰州市高港區(qū)友誼閘站為例進(jìn)行建筑物的復(fù)核計(jì)算以及評價(jià)[3-4]。

1 工程概況

友誼閘站位于泰州市高港區(qū)口岸街道南官河?xùn)|港堤上，距長江邊1 320 m處。該閘站包括友誼閘和友誼排澇站2座建筑物，友誼閘始建于1975年，設(shè)計(jì)流量6 m3/s，友誼排澇站始建于1991年，設(shè)計(jì)排澇流量3 m3/s，該工程灌溉受益范圍為高港區(qū)港口路、江平線以南、新港大道以西沿江圩區(qū)，排澇范圍為口岸街道大石、城南、東南、新明、龍窩口等部分地區(qū)，同時(shí)對臨港工業(yè)園生態(tài)用水調(diào)度水源發(fā)揮了部分作用，于2014年對排架進(jìn)行維修加固，是一座具有防洪、灌溉、排澇及兼顧城區(qū)水資源調(diào)度的多功能水工建筑物。

友誼閘穿堤建筑物，漿砌塊石構(gòu)造，單孔閘凈寬2.3 m，閘底板頂高程1.90 m(廢黃河零點(diǎn)基面，下同)，底板厚0.5 m，閘頂高程6.90 m，上下游翼墻均為重力式漿砌塊石擋土墻，閘門結(jié)構(gòu)型式為平面鋼閘門，采用螺桿式啟閉機(jī)。友誼排澇站，為墩墻式濕室型泵房，底板頂高程0.5 m，底板厚0.5 m，電機(jī)層樓板高程4.5 m。南官河港堤位于南官河?xùn)|岸，長1.8 km。純土堤段長約0.8 km，堤頂高程6.5 m；土堤加擋墻段長1.0 km，墻頂高程約7.5 m。堤頂為4.5 m寬水泥路面。臨水側(cè)邊坡1∶3，采用灌砌石防護(hù)，背水側(cè)邊坡1∶2。泰州市長江洪水防御標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，區(qū)域洪水防御標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。

2 建筑物存在的問題

友誼閘站自投入運(yùn)行多年來，對高港區(qū)的排澇以及防洪起到了重要的作用。多年的運(yùn)行，使得該建筑物的維修以及改造并未得到有效的保障，閘站的主要建筑物當(dāng)前存在著以下問題。

(1)閘身以及泵房內(nèi)外墻粉刷層剝落現(xiàn)象明顯，表明裂縫較多，管理房屋屋頂存在滲水現(xiàn)象。

(2)出水池側(cè)墻止水接縫脫落2處，排架中部混凝土脹裂，消力池底板混凝土開裂較為嚴(yán)重，左翼墻與邊墩連接處止水脫落且漏水嚴(yán)重，上游左側(cè)翼墻沉降開裂。

(3)工作便橋大梁露筋、開裂。

3 建筑物復(fù)核計(jì)算分析與評價(jià)

3.1 復(fù)核水位組合

友誼排澇站復(fù)核水位組合見表1所示

3.2 防洪條件復(fù)核

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)，防洪高程應(yīng)按下式復(fù)核：

頂高程≥設(shè)計(jì)運(yùn)行水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高；

浪高和波浪中心至靜水面高度的計(jì)算，基本組合時(shí)，計(jì)算風(fēng)速為30 m/s，特殊組合時(shí)計(jì)算風(fēng)速為20 m/s。

由于排澇站的建筑物級別為2級，故對應(yīng)的波列累積頻率取2%。

再根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2016)，進(jìn)行計(jì)算浪高及波浪中心線至靜水面距離，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，友誼排澇站側(cè)閘墩頂高程計(jì)算最大高程為3.03 m，閘墩實(shí)際高程為5.10 m，滿足防洪要求。

3.3 滲流穩(wěn)定復(fù)核

滲流計(jì)算采用上下游水位差最大時(shí)的水位進(jìn)行計(jì)算。友誼排澇站友誼中溝側(cè)水位為▽1.70 m，墻后地下水位為▽3.80 m，水位差為2.10 m。

站身地下輪廓布置如圖1所示。該持力層置于壤土夾砂壤土層上，根據(jù)規(guī)范允許滲徑系數(shù)C取為3～5，未設(shè)板樁。

圖1 站身基礎(chǔ)地下輪廓布置示意圖 (單位：m)

其實(shí)際長度：L=10.75 m；ΔH=2.10 m；

C=L/ΔH=10.75/2.10=5.11>[C]=3～5；

故防滲長度滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)地下輪廓的特點(diǎn)，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算，由圖1可得到地下輪廓簡化和分段，具體布置見圖2。

由于持力層為壤土，根據(jù)規(guī)范，[Jx]=0.25～0.35，[J0]=0.50～0.60

故閘基滲流出口最大坡降及水平最大坡降均滿足要求。

表1 友誼閘站工程復(fù)核計(jì)算水位組合

表2 友誼排澇站閘頂高程計(jì)算結(jié)果 單位：m

圖2 友誼排澇站地下輪廓分段布置圖(單位：m)

3.4 穩(wěn)定安全復(fù)核

排澇站主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，排澇站為單向排水。取主泵房為計(jì)算對象，站身底板順?biāo)鞣较蜷L6.0 m，垂直水流寬度為9.4 m。站身底板底高程為0.00 m，底板頂高程為0.50 m，站身設(shè)3孔。

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)第6.3.9條，在各種計(jì)算工況下，閘室平均基底應(yīng)力小于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力小于地基允許承載力的1.2倍。

由工程地質(zhì)勘察資料可知：本工程持力層為壤土層，地基允許承載力為60 kPa。由表3可知：閘室基底應(yīng)力的最大值為55.01 kPa，小于地基允許承載力值1.2倍為72 kPa。閘室基底應(yīng)力的平均值為40.44 kPa，小于地基允許承載力值60 kPa。即在各種計(jì)算工況下，排澇站站身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和地基應(yīng)力不均勻系數(shù)都滿足規(guī)范要求，排澇站站身地基承載力滿足要求。

3.5 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

為了對該工程整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有一個比較全面的了解，有必要采用三維有限元軟件ANSYS WORKBENCH對其整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，并對其安全性進(jìn)行評價(jià)。有限元計(jì)算法是目前解決復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)力學(xué)問題最有效的數(shù)值方法之一。

3.5.1 閘站有限元模型

坐標(biāo)系取為：x軸順?biāo)鞣较蛑赶蛏嫌?，y軸垂直水流方向左方，z軸垂直指向上方。泵房與地基整體三維有限元模型及泵房整體三維有限元模型包括單元總數(shù)為959 231個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 422 678個。

3.5.2 材料性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)

友誼排澇站站身結(jié)構(gòu)采用線彈性材料模擬，土體為彈塑性材料，假定服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，由于土體自重產(chǎn)生的變形已基本完成，故計(jì)算中不計(jì)入土體自重引起的應(yīng)變。本次復(fù)核計(jì)算的材料強(qiáng)度值應(yīng)選取原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級與檢測結(jié)果中的較小值。泵房結(jié)構(gòu)與地基土材料計(jì)算參數(shù)見表4。

3.5.3 計(jì)算結(jié)果

各工況下沉降差較小，最大沉降差為0.6 mm，閘室地基沉降的最大值與最小值的比值約為1.03～1.05。地基沉降量最大值為12.6 mm，根據(jù)規(guī)范，地基最大沉降量不宜超過150 mm，故地基沉降滿足要求。

隨著混凝土強(qiáng)度的研究進(jìn)一步完善，混凝土擁有較強(qiáng)的抗壓能力，但水工建筑物正常使用中，過低的抗拉能力常引發(fā)水工事故。結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析成為衡量建筑物安全使用的關(guān)鍵點(diǎn)。各結(jié)構(gòu)在各工況下友誼排澇站站身底板的最大主拉應(yīng)力主要分布在底板面層中心，最大值為1.06 MPa，混凝土強(qiáng)度滿足使用要求。

3.6 消能復(fù)核計(jì)算結(jié)果

友誼排澇站消能復(fù)核計(jì)算成果見表5所示。

表3 主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表4 結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)

表5 友誼排澇站消能復(fù)核計(jì)算成果

由表5可知，該排澇站出水后消力池池深、長度、底板厚度能滿足要求，海漫長度不滿足要求。

3.7 建筑物安全類別評價(jià)

(1)防洪能力

友誼排澇站的防洪高程滿足規(guī)范要求，滿足近期防洪規(guī)劃。

(2)滲流安全

友誼排澇站的出口坡降、水平坡降滿足規(guī)范要求。

(3)結(jié)構(gòu)安全

友誼排澇站各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力比及地基承載力均滿足規(guī)范要求。消力池池深、長度以及底板厚度滿足要求，海漫長度不滿足要求。通過三維有限元計(jì)算，排澇站底板，站墩等混凝土強(qiáng)度均滿足抗拉強(qiáng)度要求。

(4)抗震安全

在地震工況下，友誼排澇站的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力比及地基承載力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

經(jīng)過該閘站主要建筑物復(fù)核分析計(jì)算，結(jié)果表明該閘站主要建筑物是安全的，其運(yùn)用指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建筑物類別評定為二類，進(jìn)而可以為后期的更新改造提供理論支持。建筑物需要定期進(jìn)行安全鑒定以及復(fù)核，才可以保障安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮出應(yīng)有的作用。