水闸除险加固工程设计：材料强度与消能防冲复核

(一)设计标准

1.工程等别与建筑物级别

根据SL265—2001 《水闸设计规范》规定,该闸的工程规模为大 (2)型,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物包括:闸室及其上部结构、上下游翼墻、铺盖、消力池、桥头堡等级别为2级;次要建筑物包括:交通桥、上下游护坡、护底、办公、管理、生活用房等为3级;临时建筑物包括:施工围堰及施工期临时建筑物等为4级。

2.设计标准

该闸设计洪水标准50年一遇,校核标准为100年一遇。水位指标如下:

设计洪水标准:闸上水位36.69m,闸下水位36.50m;

过闸流量3300m3/s。

校核洪水标准:闸上水位36.97m,闸下水位36.77m;

过闸流量3600m3/s。

正常兴利水位:上级湖:34.50m;

下级湖:32.50m。

死水位:上级湖:33.00m;

下级湖:31.50m。

(二)材料强度指标

本次复核采用SL/T191—96 《水工混凝土结构设计规范》中材料强度设计值。

1.混凝土强度设计值

SL/T191—96将原规范混凝土标号的名称改为混凝土强度等级。根据SL/T191—96条文说明第3.1.2条的规定,将原设计混凝土强度设计值换算成SL/T191—96混凝土强度设计值,换算结果见表4-1。

表4-1　混凝土强度设计值

2.钢筋强度设计值

根据原钢筋强度设计值换算成SL/T191—96设计值见表4-2。

表4-2　钢筋强度设计值

(三)闸基渗流稳定复核计算

该闸闸基为黏性土,采用改进阻力系数法计算闸基渗流稳定。

计算工况:①正常兴利水位:闸前挡水位34.50m,闸下水位32.50m;②死水位:闸前挡水位33.00m,闸下水位31.50m;③远期运用校核水位:闸前挡水位34.50m,闸下水位31.50m。本设计复核计算最危险工况远期运用校核水位时的渗流稳定。

1.阻力系数计算

先分段计算阻力系数,计算公式如下:

进、出口段:

内部垂直段:

水平段:

式中 ξ0——进、出口段的阻力系数;

S——板桩或齿墙的入土深度,m;

T——地基透水层深度,m;

ξy——内部垂直段的阻力系数;

ξx——水平段的阻力系数;

Lx——水平段长度,m;

S1、S2——进、出口段板桩或齿墙的入土深度,m。

2.各分段水头损失值计算

计算公式如下:

式中 hi——各分段水头损失值,m;

ξi——各分口段的阻力系数;

n——总分段数。

3.进、出口段水头损失值修正

进、出口段水头损失值计算出来以后,再按下式做修正:

式中 h′0——进、出口段修正后的水头损失值,m;

h0——进、出口段水头损失值,m;

β′——阻力修正系数;

S′——底板埋深与板桩入土深度之和,m;

T′——板桩另一侧地基透水层深度,m。

4.渗流坡降值计算

计算公式:

(1)出口段渗流坡降值按下式计算:

(2)水平段渗流坡降值按下式计算:

式中 J0——出口段渗流坡降值;

Jx——水平段渗流坡降值。

5.计算成果分析

经计算,Jxmax=0.11,J0max=0.39;该闸基础底面高程29.58m,坐落在①层黏土层上,该层地基土的水平渗流允许坡降 [Jx]=0.3,出口段垂直渗流允许坡降 [J0]=0.6,从计算结果看,两项均在规范允许值范围之内,因此,闸基的渗流稳定满足规范要求。

(四)过流能力复核

1.设计泄量

本闸设计泄洪流量3300m3/s,校核泄洪流量3600m3/s。

2.计算公式

采用式(3-1)、式(3-2),根据闸上、下水位,并考虑行近流速,进行过流能力验算,成果见表4-3。

3.计算成果分析

从计算结果得知,在设计洪水位、校核洪水位条件下,节制闸实际泄洪能力分别为3352m3/s、3608m3/s,均大于原设计的过闸流量,水闸规模满足设计要求。

(五)消能防冲复核

1.原消能防冲设施

原闸闸室后为2m 宽平台,后接消力池。消力池前端为2.4m 长1∶3的陡坡,下接消力池,消力池底高程30.2m,长12m,表层为0.25m 厚150 号混凝土护面,底部为0.35m 厚浆砌石,池深0.8m;其后为80号浆砌石海漫长5m、干砌石海漫长7m,厚度均为0.35m;1985年该闸改建后在海漫末端增抛石防冲槽,长13m,深1.2m。

2.复核工况

本次消能防冲按①正常兴利水位组合:上游水位34.5m,下游水位32.5m;②死水位组合:上游水位33.0m,下游水位31.5m;③可能出现的最不利组合:上游水位34.5m,下游水位31.5m,进行复核计算,整联对称开启,根据不同开启高度对现有消力池进行消能验算。

3.采用计算公式

按式(3-13)～式(3-17)及以下计算公式:

表4-3　该闸过流能力复核成果表

式中 Lsj——消力池长度,m;

Lj——水跃长度,m;

Ls——消力池斜坡段水平投影长度,m;

β——水跃长度校正系数,采用0.8;

t——消力池底板厚度,m;

ΔH′——闸孔泄水时的上、下游水位差,m;

k1——消力池底板计算系数,采用0.20;

k2——消力池底板安全系数,采用1.2;

U——作用在消力池底板底面的扬压力,kPa;

W——作用在消力池底板顶面的水重,kPa;

Pm——作用在消力池底板上的脉动压力,kPa,其值取跃前收缩断面流速水头值的5%;

γ——消力池底板的饱和重度,kN/m3;

Lp——海漫长度,m;

qs——消力池末端单宽流量,m3/ (s·m);

Ks——海漫长度计算系数,采用10。(www.xing528.com)

根据以上公式计算,其结果见表4-4、表4-5、表4-6。

表4-4　工况①防冲消能验算成果表

表4-5　工况②防冲消能验算成果表

表4-6　工况③防冲消能验算成果表

由计算结果可知,所需消力池最大池深0.93m,长14.86m,所需海漫长34.0m,实际消力池深0.8m,长12m,海漫长12m。因此,现有消能设施不满足防冲消能要求。

(六)闸室稳定复核

1.计算单元

本闸闸室稳定复核取五孔一联闸室为计算单元。荷载组合分基本荷载组合和偶然荷载组合。

2.荷载组合

基本荷载组合包括完建情况、正常蓄水位情况、设计洪水位情况、冰冻情况荷载组合。本次复核只计算正常蓄水位情况,计算条件为:①正常兴利水位:闸前挡水位34.50m,闸下水位32.50m;②死水位:闸前挡水位33.0m,闸下水位31.50m;其荷载主要有结构自重、水重、静水压力、扬压力、波浪压力、风荷载、人群荷载等组成。

特殊荷载组合包括施工情况、检修情况、校核洪水位情况、地震情况荷载组合。本次复核只计算地震情况,即正常蓄水位情况遇Ⅶ度地震。根据DL5073—2000 《水工建筑物抗震设计规范》要求计算地震惯性力。荷载组合条件为:闸前挡水位34.5m,闸下水位32.50m 遇Ⅶ度地震。其荷载主要有结构自重、水重、静水压力、扬压力、波浪压力、风荷载、地震荷载等组成。

3.计算公式

按土基上沿闸室基底面的抗滑稳定公式计算,计算公式详见式(2-1)。

闸室稳定复核成果见表4-7。

表4-7　闸室稳定复核成果表

4.计算成果分析

由表4-7知,闸室在正常运行情况和正常运行情况遇Ⅶ度地震时,抗滑和地基应力均不满足规范规定值。

根据本次加固改造工程对闸基附近重新做的地勘工作,在地震烈度Ⅶ条件下,闸基下③层含土砾质中粗砂有产生地震液化的可能性,原设计对闸基可液化土层未作处理,因此对工程造成一定的安全隐患。

(七)岸墙稳定复核

1.边墩岸墙稳定复核

(1)计算工况及参数。为防止不均匀沉陷产生裂缝影响闸室正常工作,岸墙与边墩用沉陷缝分开。边墩岸墙为半重力式浆砌石挡土墙,回填土高程35.1m。本设计按现状结构形式尺寸对岸墙进行安全复核。墙后回填土的物理力学指标为黏聚力27.6kN/m2,内摩擦角10.3°,湿重度19.6kN/m3,饱和重度20kN/m3。

计算工况:①正常运用工况,地下水位34.0m;②正常运用工况遇Ⅶ度地震。

(2)复核成果。计算结果见表4-8。

表4-8　边墩岸墙稳定复核成果表

2.上游翼墙稳定复核

整体稳定安全复核。计算工况:①正常运用工况,墙前水位34.5m,墙后地下水位34.1m;②正常运用工况遇Ⅶ度地震。计算结果见表4-9。

表4-9　上游翼墙稳定复核成果表

由表4-9知,上游翼墙稳定及地基承载力均满足要求。

3.下游翼墙稳定复核

(1)翼墙形式。闸室下游为80号浆砌石翼墙,底板为混凝土结构,后接浆砌石护坡,其墙后回填土高程为35.4m。按现状结构形式尺寸对浆砌石翼墙进行安全复核,墙后回填土的物理力学指标同边墩挡土墙。

(2)危险断面浆砌石抗剪复核。高程31.0m 处,即浆砌石翼墙与混凝土底板接触断面为最危险断面,对此断面浆砌石进行抗剪强度复核。计算工况为设计工况及校核工况两种。设计工况为正常运行工况(墙前水位31.5m,墙后地下水位33.1m);校核工况为正常运行工况遇Ⅶ度地震。经计算校核工况为控制工况,计算剪应力149.5kN,小于允许剪应力为266.7kN,翼墙抗剪强度满足要求。

(3)整体稳定安全复核。计算工况:①正常运用工况,墙前水位31.5m,墙后地下水位33.1m;②正常运用工况遇Ⅶ度地震。计算结果见表4-10。

表4-10　下游翼墙稳定复核成果表

由表4-10知,翼墙在正常运用情况下稳定满足要求,地震工况安全系数1.01小于规范允许值。

(八)中墩强度复核

1.结构承载力复核原则

(1)在不改变工程现状结构形式和截面尺寸的前提下,考虑不同运行工况和运行管理要求,对组成闸室的主要构件进行承载力复核。

(2)各部位混凝土标号的采用,依据混凝土质量检测总体推定强度标号,并按SL/T 191—96 《水工混凝土结构设计规范》换算成强度等级,见表4-11。

表4-11　混凝土检测推定强度与原设计标号比较表

2.计算情况说明

原闸墩为下端固结,上端自由的构件,顺水流向7.0m,垂直水流向截面尺寸0.7m,高7.0m,实配竖向受力钢筋(Ⅰ级)为2412,小于构造要求μmin=0.2%,因此按素混凝土进行复核。垂直水流方向截取单宽板带,按照固结于底板上的悬臂梁进行计算。

计算工况①检修工况;②正常运用工况遇Ⅶ度地震。

3.荷载计算

检修期情况下经计算得中墩根部最大弯矩为71.46kN·m,轴力:N=256.83kN。

偶然组合水平地震惯性力采用拟静力法计算,沿建筑物高度作用于质点i的地震惯性力代表值按下式计算:

式中 αh——水平向地震加速度设计值,Ⅶ度地震,αh=0.1g;

ξ——地震效应折减系数,ξ=0.25;

Gei——集中在质点i的重力作用标准值;

αi——质点i的动态分布系数;

g——重力加速度。

经计算,中墩根部弯矩:Me=140.8kN·m,轴力:Ne=256.83kN

4.承载力验算

式中 γd——素混凝土结构的结构系数,γd=2.0;

γm——截面抵抗矩的塑性系数;矩形截面γm=1.55;

φ——素混凝土构件的稳定系数;φ=0.63;

e0——轴向力作用点至截面重心的距离;e0=M/N;

b——矩形截面宽度;

h——矩形截面高度;

fc——混凝土轴心抗压强度设计值;

ft——混凝土轴心抗压强度设计值。

计算成果见表4-12。经计算,特殊组合受拉区荷载效应大于结构抗力 (推定强度),因此特殊组合时承载力不满足要求。

表4-12　闸墩应力成果表　单位:kN

(九)闸底板强度复核

1.计算情况说明

原闸底板采用150号钢筋混凝土连续倒拱底板,每5孔一联,共11联;拱跨5m,半径4.73m,圆心角31.89°,拱厚0.7m,拱长7.5m,底板下为黏土地基。

拱圈强度按无铰单拱计算,主要荷载有上部结构自重引起的地基反力,不均匀沉陷引起的应力,均匀温差引起的温度应力,混凝土收缩应力等。因工程运行30多年,不均匀沉陷已趋于稳定,混凝土收缩也已完成,本次复核计算不再考虑由此引起的应力。

2.荷载计算

计算假定:①倒拱底板近似按无铰圆弧拱计算其内力;②倒拱下的地基反力在垂直水流向近似假定为均匀分布,在顺水流向假定为直线变化。

其基本荷载组合为:基本组合①正常蓄水位情况,闸前挡水位34.50m,闸下水位32.50m;②死水位:闸前挡水位33.0m,闸下水位31.50m;③设计洪水位情况。特殊荷载组合为:④校核洪水位情况;⑤地震情况。按最不利组合计算地基应力从而计算由外荷载引起的底板应力。

3.底板应力复核

按最危险工况⑤复核底板应力,见表4-13。

由表4-13知,闸底板计算综合应力值小于检测最低强度推定应力值,承载能力满足要求。

(十)机架桥主梁强度复核

机架桥结构形式为两片T 形梁组合梁板结构,桥面宽3.5m,梁高0.8m,宽0.25m,长5.68m。按照静力复核计算得主梁最大弯矩为189kN·m,最大剪力为123kN。

表4-13　闸底板应力计算成果表　单位:kN/m2

主梁实配主筋Ⅱ级钢筋620,正截面承载能力为338kN·m,大于主梁最大弯矩;主梁箍筋为Ⅰ级钢筋φ8@250,满足斜截面受剪承载力要求;短期组合的最大挠度7.62mm＜[fs]=Lo/400=13.13mm,满足要求。

(十一)排架强度复核

排架为钢筋混凝土结构,立柱计算垂直水流方向,按照固结于闸墩上的悬臂梁进行计算。排架立柱截面尺寸宽为0.5m,高为0.6m,高度为8.88m。

荷载组合:排架立柱受力最不利组合条件是相邻两孔闸门单孔开启。

计算得中墩排架立柱弯矩为65.223kN·m,轴向力为453.79kN,边墩排架立柱弯矩为42.80kN·m,轴向力为366.858kN。

中、边墩排架立柱实配主筋Ⅱ级钢筋516,中墩正截面受压承载力614.88kN 大于轴向力设计值476.5kN;边墩正截面受压承载力677.05kN＞轴向力设计值385.2kN,承载能力满足要求。

(十二)安全复核结论

经复核,节制闸闸基渗流稳定、过流能力均满足规范要求,但闸下消能、闸室稳定不满足要求需进行加固处理;边墩岸墙及上、下游翼墙稳定计算基本满足规范要求;闸室底板、排架、机架桥等构件结构强度满足要求,闸墩承载力在特殊荷载组合时不满足要求。闸门内部钢丝网钢筋锈蚀,混凝土碳化严重。