漿砌石水閘上部結構抗震分析

詹文芳

漿砌石水閘上部結構抗震分析

詹文芳

(福建省漳州市水利水電勘測設計研究院，福建 漳州 363000)

上世紀80年代之前，由于物資短缺以及社會發(fā)展的需要，漳州市建設了大量的漿砌石水閘。由于運行時間普遍較久和外部環(huán)境等因素的影響，以及其自身材料的局限性，目前絕大部分漿砌石水閘均存在問題，已經(jīng)制約了經(jīng)濟社會的發(fā)展。本文分析指出了漿砌石水閘上部結構抗震能力不足，闡明了其除險加固的必要性。

漿砌石；水閘；抗震；上部結構

1 漳州水閘概況

漳州市位于福建省東南部，境內有山區(qū)，有平原,有沿海。區(qū)內河流較多，主要水系有九龍江、鹿溪、漳江、詔安東溪，還有一些獨立入海的小支流，如湯溪、佛曇溪、杜潯溪、梅洲溪等。水閘具有防洪、防潮、引水、納潮、蓄水、排水等功能，與人們的生產生活密切相關，因此區(qū)內各類水閘數(shù)量眾多，分布廣、類型全。據(jù)水利普查資料統(tǒng)計，漳州市境內現(xiàn)有大(1)型水閘8座，大(2)型水閘11座，中型水閘72座，各類小型水閘583座。其中位于河流下游并且臨海的龍海市、漳浦縣、云霄縣和詔安縣共計約500座，約占總數(shù)的74%。漳州市水閘建設年代分布情況表見表1。

表1 漳州市水閘建設年代分布情況

由于上世紀90年代之前，我國工業(yè)發(fā)展水平較低，鋼筋水泥產量較低，大部分水閘采用漿砌石結構。

2 漿砌石水閘出現(xiàn)的問題

漿砌石水閘大多建設年份較早，運行時間長，且受當時水閘設計、施工水平和物資材料的限制，管理和維護措施不足，以及受運行條件改變等因素影響，水閘安全性、適用性、耐久性嚴重下降。目前，正在使用中的漿砌石水閘存在的主要問題有：防洪標準偏低；地基處理不徹底導致水閘不穩(wěn)定；基礎不均勻沉降引起的結構損壞；滲流導致的破壞；混凝土和漿砌石結構的老化破損，漿砌石砂漿脫落、開裂；閘下游消能防沖設施沖刷破壞；啟閉設備老化失修，配件無處購置更換；管理經(jīng)費不足。

現(xiàn)階段，這部分水閘均存在不同程度的問題，已經(jīng)危及到水閘運行安全，水閘除險加固勢在必行。而在水閘除險加固之前，必須完成水閘安全鑒定工作，主要包括水閘安全評價、水閘安全評價成果和水閘安全鑒定報告審定三個基本程序。其中水閘安全評價是前提，包括一系列的安全復核：防洪標準復核、滲流安全復核、結構安全復核、抗震安全復核、金屬結構安全復核和機電設備安全復核。

3 漿砌石水閘抗震復核分析存在的問題

一般情況下，漿砌石水閘僅工作橋和啟閉房屋頂采用鋼筋混凝土梁板結構，其余部分采用漿砌石。

《水工建筑物抗震設計規(guī)范》中規(guī)定，水閘的抗震計算應包括抗震穩(wěn)定和結構強度計算。然而，在水閘安全評價抗震復核過程中，往往較注重地震工況下水閘的整體抗震穩(wěn)定和基底應力計算，而忽略了水閘結構自身的抗震分析。漿砌石水閘，特別是排架為漿砌石結構的水閘，受震后工作橋與排架大部分產生裂縫，甚至斷裂，倒塌斷裂部位多數(shù)在彎矩、剪力最大的排架底部和頂部。由于頂部變形較大，震后工作橋大梁與排架脫開，甚至整個橋面塌落下來。也就是說在漿砌石水閘受震整體失穩(wěn)前，水閘上部結構其實已經(jīng)倒塌，該狀況下水閘的整體抗震穩(wěn)定應另當別論。

4 結構抗震計算方法

水閘地震作用效應計算方法主要是動力法和擬靜力法。規(guī)范規(guī)定，設計烈度為8、9級或地基為可液化土的大型水閘應采用動力法。而對于中小型水閘，目前大都采用擬靜力法計算。

擬靜力法公式，沿著建筑物高度作用于質點i的水平向地震慣性力代表值為

Fi=ahζGEiai/g

(1)

式中Fi——作用在質點i的水平向地震慣性力代表值；

ζ——地震作用的效應折減系數(shù)，除另有規(guī)定外，取0.25；

GEi——集中在質點i的重力作用標準值；

ai——質點i的動態(tài)分布系數(shù)，應按《水工建筑物抗震設計規(guī)范》中水閘的有關條文取值；

g——重力加速度，取9.81m/s2。

根據(jù)式(1)，可以推出hi以上的水平向地震慣性力F為

(2)

式中GE(h)——重力作用標準值關于高度h的分布函數(shù)；

計算出地震力后，根據(jù)結構力學計算各點彎矩，再根據(jù)下列公式進行應力復核和穩(wěn)定復核:

(3)

抗剪斷穩(wěn)定復核：

(4)

5 實例分析計算

此次以港口渡水閘為對象進行分析，因為其建設年份、結構設計、施工工藝在漿砌石水閘當中具有很強的代表性。

5.1 工程概況

港口渡水閘位于詔安縣四都鎮(zhèn)境內的港口村西側，地處獨立入海的梅洲溪出?？?，是詔安縣解放后最早的圍墾工程，工程擔負著堤內墾區(qū)的擋潮、排澇和引水灌溉任務，同時也是連接詔安與東山兩縣的交通要道。墾區(qū)內受保護耕地面積2.62萬畝，保護3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)23個行政村，保護人口8.5萬多人，灌溉面積為1.45萬畝，其中已建左干渠4.8km、右干渠2.2km。工程上游集雨面積172km2，海堤堤面為東山縣與詔安縣兩縣交通要道——公竹公路，距詔安縣城24km。

港口渡共有3座水閘，均屬于中型水閘。港口渡1號水閘位于梅洲溪的左岸，有3孔，總凈寬8.0m。3號水閘位于右岸，有7孔，總凈寬18.5m，其中深孔2孔、淺孔5孔。2號水閘位于3座水閘的中間，共有9孔，總凈寬22.5m，其中左側4孔為深孔、右側5孔為淺孔。工程中除了3號水閘4個深孔為1989年擴建外，其余均為1956年3月動工興建，于1957年3月竣工。港口渡水閘的具體情況見表2。

表2 港口渡水閘情況

根據(jù)相關資料及現(xiàn)場調查可知，水閘閘室下部均為M5漿砌條石底板、漿砌條石閘墩，閘墩上建M5漿砌條石排架，截面尺寸0.6m×1.2m，每層厚約30cm，上設C20鋼筋混凝土工作橋后建啟閉房。以2號水閘為例，由于水閘深孔和淺孔為分開布置，此次以5個淺孔段為例進行分析。水閘縱橫斷面見圖1、圖2。

圖1 水閘橫剖面簡圖 圖2 水閘縱剖面簡圖

依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)和《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》福建省區(qū)劃一覽表，工程區(qū)抗震設防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度值為0.15g，地震動反應譜特征周期中硬場地為0.35s。按照《水工建筑物抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，該工程建筑物應按基本烈度為Ⅶ度進行抗震設防。

5.2 計算條件

在水閘破壞之前，漿砌石排架與工作橋及閘墩按固端連接計算，水閘上部按漿砌石排架、鋼筋混凝土工作橋和啟閉房三部分進行簡化。

根據(jù)《砌石壩設計規(guī)范》，漿砌條石的彈性模量取6.5GPa ，M5水泥砂漿砌條石的容許應力為：壓應力不大于4.5MPa，拉應力不大于0.68MPa；抗剪斷穩(wěn)定系數(shù)不低于1。

排架以上的水平向地震力各參數(shù)如下：

ah=0.15g，c′取0.25MPa ，f′取0.5。

重力標準值簡化為

5.3 計算成果

通過計算，可得水閘漿砌石排架在地震工況下的受力情況，見表3。

表3 水閘漿砌石排架受力情況

從表3可以看出，在地震工況下，漿砌石排架的壓應力和拉應力均超過允許應力值，抗剪斷穩(wěn)定系數(shù)小于1，水閘上部結構漿砌石排架在地震情況下將開裂、傾覆坍塌。

6 結 語

由于漿砌石水閘整體性較差，漿砌石排架是其較為薄弱的節(jié)點，在地震工況下水閘上部結構極易發(fā)生開裂、傾覆坍塌。因此，為保證安全運行，現(xiàn)有大量的漿砌石水閘需進行除險加固，建議上部改為鋼筋混凝土結構以提高整體性；有條件的地方，水閘需整體進行重建。

[1] DL 5073—2000水工建筑物抗震設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2000.

[2] 華東水利學院.水閘設計[M].上海：上海科學技術出版社,1985.

[3] 衛(wèi)明,王錫忠,等.水閘震害及抗震動力分析[J].上海水利.1998(4)：14-24

[4] 康立榮,徐文俊,吝江峰.江蘇大中型病險水閘概況及主要加固措施探討[J].水利建設與管理,2014(3):36-58

[5] 張年成，陳雁翔,袁靜.以漿砌石為主體結構的中小型水閘病害及檢測分析[J].江蘇水利,2015(9)：16-18

Analysis on Upper Structure Shock Resistance in Masonry Sluice

ZHAN Wenfang

(FujianZhangzhouWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Zhangzhou363000,China)

Large quantities of masonry sluices are constructed in Zhangzhou due to material shortage and social development demand before the 1980s. Currently, most masonry sluices have problems due to generally longer operation time, influence of external environment factors, and limitations of own materials. They have restricted the economic and social development. It is proposed that the upper structure shock resistance in masonry sluice is weak through analysis in the paper, and the necessary of reinforcement is illuminated.

masonry; sluice; earthquake; upper structure

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.014

TV662

A

1673-8241(2017)06- 0059- 04