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      里運(yùn)河?xùn)|堤典型交叉建筑物安全評價

      2020-03-31 07:25:32戴永琪劉愛軍李宏恩劉曉青
      江蘇水利 2020年2期
      關(guān)鍵詞:海漫閘室消力池

      戴永琪, 劉愛軍, 代 菊, 李宏恩, 劉曉青

      (1.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全與管理研究所, 江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 3.揚(yáng)州水利局, 江蘇 揚(yáng)州 225000)

      我國地域遼闊,江河湖泊情況復(fù)雜,部分區(qū)域洪澇災(zāi)害頻繁,對周邊地區(qū)和人民造成非常嚴(yán)重的損失和影響。堤防工程作為我國防洪工程體系的重要組成部分,是指沿河、渠、湖、海岸或行洪區(qū)、分洪區(qū)、圍墾區(qū)的邊緣修筑的擋水建筑物[1],能夠有效地抵御洪水的侵襲,是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施。但是,由于我國的堤防工程歷史悠久,現(xiàn)有的堤防大多是在民埝或者舊堤基礎(chǔ)上加高培厚從而逐漸形成的,沒有經(jīng)過專業(yè)的地質(zhì)勘探和地基處理,也沒有嚴(yán)格控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工填筑質(zhì)量,并且在長期運(yùn)行過程中歷經(jīng)多次加固、搶險和生物破壞,堤身和堤基的情況非常復(fù)雜,存在諸多安全隱患,嚴(yán)重威脅堤防工程的安全[2]。

      里運(yùn)河位于南水北調(diào)東線江蘇省內(nèi),其沿線的江都、高郵段東堤全長74.4km,為國家一級堤防,防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。里運(yùn)河?xùn)|堤沿線現(xiàn)存的清水潭、車邏壩、小蔡潭等13處險工險段不僅普遍存在不良地質(zhì)條件段、穿堤涵閘多、多次加固堤段資料不詳?shù)裙こ虇栴},更具有位于南水北調(diào)東線輸水主干線、部分沿線建筑為文物保護(hù)對象等工程特殊性。因此,針對上述問題開展的里運(yùn)河?xùn)|堤典型交叉建筑物安全評價研究,為里運(yùn)河堤防工程的設(shè)計加固工作提供依據(jù),對確保南水北調(diào)東線工程運(yùn)行調(diào)度與沿線公眾生命財產(chǎn)安全具有重要的實際意義和實踐價值。

      1 工程概況

      車邏閘位于車邏鎮(zhèn)南約500 m處,是里運(yùn)河?xùn)|堤沿線的典型交叉建筑物[3],主要作用是引水灌溉。車邏閘為單孔水閘,底板高程4.0 m,閘頂高程10.1 m,閘身長19.29 m,閘孔凈寬4 m,凈高3.5 m,胸墻底高程8 m,下游消力池底高程3.84 m,最大泄水流量15.6 m3/s,配有8 t手電兩用螺桿式啟閉機(jī)一臺。根據(jù)規(guī)范可知,車邏閘工程為2級水工建筑物;車邏閘所處場地地震動峰值加速度為0.10 g,相應(yīng)的地震基本烈度為7度。車邏閘工程復(fù)核計算水位組合見表1。

      2 地質(zhì)條件

      車邏閘工程所在地區(qū)土層情況自上而下分述如下:

      第①層,素填土,層底高程5.36 m,層厚6.10 m,比貫入阻力2.67 MPa。

      第②層,淤泥質(zhì)黏土,層底高程4.06 m,層厚1.30 m,比貫入阻力0.46 MPa,承載力30 kPa。

      第③層,黏土,層底高程3.06 m,層厚1.00 m,比貫入阻力2.14 MPa,承載力130 kPa。

      第④層,黏土,層底高程2.36 m,層厚0.7 m,比貫入阻力2.11 MPa,承載力160 kPa。

      表1 車邏閘工程復(fù)核計算水位組合表

      第⑤層,黏土,層底高程1.36 m,層厚1.00 m,比貫入阻力1.88 MPa,承載力130 kPa。

      第⑥層,黏土,層底高程-0.14 m,層厚1.50 m,比貫入阻力2.14 MPa,承載力160 kPa。

      第⑦層,黏土,層底高程-1.34 m,層厚1.20 m,比貫入阻力2.01 MPa,承載力150 kPa。

      3 安全復(fù)核計算

      3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核計算

      3.1.1 閘頂高程復(fù)核計算

      根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》SL 265—2016[4],防洪高程應(yīng)按下式復(fù)核:

      閘頂高程≥設(shè)計防洪水位+浪高+波浪中心線至靜水面距離+安全超高;

      閘頂高程≥校核防洪水位+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算,風(fēng)速根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》JTG D60—2004[5]可以查得,基本組合時計算風(fēng)速為25.6 m/s,特殊組合時計算風(fēng)速為17.07 m/s。

      由于水閘的級別為2級,故對應(yīng)的波列累積頻率取2%。

      用下式計算浪高及波浪中心線至靜水面距離:

      (2)

      (3)

      各工況閘墩高程計算結(jié)果見表2。

      表2 閘墩高程計算結(jié)果 單位:m

      由表2可知,閘墩頂高程計算最大高程為9.083 m,實際高程為10.10 m,符合設(shè)計要求,評定為A級。

      3.1.2 過流能力復(fù)核

      車邏閘過流能力復(fù)核的水位見表3。

      表3 車邏閘過流能力復(fù)核計算水位流量

      過流能力計算方法如下:

      (4)

      車邏閘工程過流能力計算結(jié)果見表4。

      表4 車邏閘工程過流能力計算成果

      由表4可知,車邏閘設(shè)計流量為15.6 m3/s,計算流量為38.04 m3/s,該閘過流能力滿足要求。

      3.2 滲流復(fù)核計算

      3.2.1 水位組合

      車邏閘滲流復(fù)核計算水位組合見表5。

      3.2.2 驗算防滲長度

      閘基地下輪廓布置如圖1所示。該閘室閘基持力層為黏土,根據(jù)規(guī)范允許滲徑系數(shù)取為3~2。

      表5 車邏閘滲流復(fù)核計算水位組合 單位:m

      圖1 閘室閘基地下輪廓布置示意圖(單位:高程m;長度mm)

      運(yùn)行情況其實際長度:

      L實=28.55m

      ΔH=3.6m

      C=L實/ΔH=28.55/3.6=7.93>3~2

      故閘室閘基防滲長度滿足要求。

      3.2.3 閘室滲流計算

      根據(jù)閘室地下輪廓的特點,采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計算,由圖1可得到地下輪廓簡化和分段,具體布置如圖2所示。

      圖2 閘室設(shè)計工況地下輪廓簡化和分段布置圖(單位:高程m)

      (1) 計算地基有效深度

      L0=27.29m

      S0=0.7m

      L0/S0=38.99>5

      Te=0.5L0=0.5×27.29=13.65m

      閘基土質(zhì)均勻,閘基滲流的影響范圍以有效深度Te控制。

      (2) 計算各典型段的阻力系數(shù)

      進(jìn)出口段:

      (5)

      內(nèi)部垂直段:

      (6)

      水平段:

      (7)

      傾斜段:

      (8)

      進(jìn)出口段水頭修正:

      (9)

      (10)

      閘室各典型段的幾何特征及阻力系數(shù)計算見表6。

      表6 閘室各典型段阻力系數(shù)計算結(jié)果

      (3) 各典型段滲壓水頭損失計算

      各典型段滲壓水頭損失:

      (11)

      各典型段滲壓水頭損失計算見表7。

      表7 各典型段滲壓水頭損失計算 單位:m

      (4) 滲透坡降計算

      由于持力層為黏土,則

      [Jx]=0.30~0.40;[J0]=0.60~0.70。

      滲流出口最大滲透坡降:

      水平段最大滲透坡降:

      故地基滲流出口坡降滿足要求,水平坡降滿足要求,滲流穩(wěn)定滿足要求,評定為A級。

      3.3 穩(wěn)定復(fù)核計算

      閘室結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖3所示。

      圖3 閘室結(jié)構(gòu)簡圖(高程:m;其余單位:mm)

      3.3.1 計算工況

      各計算工況的水位組合見表10。

      3.3.2 計算方法

      (1)閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù):

      (12)

      式中:Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G為作用于閘底面以上的全部豎向荷載;∑H為作用于閘身上的全部水平向荷載;F為閘室底板底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

      (2)地基應(yīng)力:

      (13)

      表8 進(jìn)出口修正及相應(yīng)典型段滲壓水頭損失調(diào)整計算 單位:m

      表9 各角隅點滲透水頭 單位:m

      表10 穩(wěn)定計算水位組合 單位:m

      3.3.3 計算結(jié)果

      根據(jù)以上方法,在各計算工況下該工程的閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、地基應(yīng)力及其地基應(yīng)力不均勻系數(shù)的計算成果見表11。

      由表11可知,在各種計算工況下,閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求,評定為A級;車邏閘基底為黏土,地基允許承載力130 kPa,閘室基底應(yīng)力的最大值為56.96 kPa,小于基底土的允許承載力值130 kPa,故地基承載力滿足要求,評定為A級。

      3.4 消能復(fù)核計算

      3.4.1 消能復(fù)核計算水位組合

      車邏閘消能復(fù)核計算水位組合見表12。

      3.4.2 消力池深度復(fù)核

      閘下收縮水深計算方程:

      (14)

      hc對應(yīng)的躍后水深:

      (15)

      出池落差:

      (16)

      消力池池深:

      d=σ0hc''-hs'-ΔZ

      (17)

      消力池深度計算成果見表13所示。

      由表13可知,消力池在計算中池深為0.71 m,而實際工程中消力池深度為0.16 m,不滿足要求。

      3.4.3 消力池長度復(fù)核

      消力池池長:

      Lsj=Ls+βLj

      (18)

      Lj=6.9(hc''-hc)

      (19)

      由表13計算得,hc=0.49m,hc''=2.35m。

      Lj=6.9×(2.35-0.49)=12.834m,故消力池

      表11 穩(wěn)定復(fù)核計算成果

      表12 工程消能復(fù)核計算水位組合

      表13 消力池深度計算結(jié)果

      全長為:L=13.98m。實際消力池全長為22.5 m,故滿足要求。

      3.4.4 消力池底板厚度復(fù)核

      消力池底板厚度(抗沖)計算式為

      (20)

      消力池底板計算結(jié)果見表14。

      表14 消力池底板計算結(jié)果

      由表14可知,消力池底板厚度不得低于0.5 m,實際消力池厚度0.54 m,滿足抗沖要求。

      3.4.5 海漫長度復(fù)核

      海漫長度復(fù)核計算式為:

      海漫長度計算結(jié)果見表15。

      表15 海漫長度計算結(jié)果

      由表15可知,海漫計算長度為8.24 m,實際海漫長度10 m,滿足要求。

      綜上可知,車邏閘消力池長度、底板厚度和海漫長度滿足要求,但消力池深度不滿足要求。按照《水閘安全評價導(dǎo)則》SL 214—2015[6],該工程消能防沖設(shè)施不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,故消能防沖安全評定為C級。

      4 結(jié) 論

      根據(jù)上述車邏閘防洪標(biāo)準(zhǔn)、滲流、穩(wěn)定和消能復(fù)核計算結(jié)果,經(jīng)綜合分析評價,車邏閘工程運(yùn)用指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),工程存在安全隱患。按照《水閘安全評價導(dǎo)則》SL 214—2015,雖然車邏閘防洪標(biāo)準(zhǔn)和滲流安全性都評定為A級,但是由于結(jié)構(gòu)安全性評定為C級,故車邏閘綜合評價為四類閘。

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