孫劉林 胡升 安徽省交通科學(xué)研究院

陳亮 張林飛 魯文妍 南京水利科學(xué)研究院

1.引言

水閘是水利工程泄水建筑物調(diào)節(jié)的咽喉，其作用是按需全部或局部開啟，以調(diào)節(jié)上下游水位、通航、泄放流量及其他控制功能，一旦發(fā)生事故將可能威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全，其安全問題一直以來備受關(guān)注。付軍等調(diào)查發(fā)現(xiàn)退水閘前靜水區(qū)及泵站前池淤積后，影響退水閘應(yīng)急退水工作。張?jiān)葡嫉炔捎寐晠葯z測(cè)系統(tǒng)調(diào)查管道淤積，并估算了管道淤積量。王予勻等分析了六垛南閘下游引河淤積的原因，總結(jié)了類似水閘工程引河淤積的共性規(guī)律和減淤途徑。楊洲等研究表明閘門前后出現(xiàn)泥沙淤積是導(dǎo)致閘門難以提起的主要原因。部分水工建筑物閘門在特定時(shí)間段內(nèi)需保持較長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉狀態(tài)，如河道節(jié)制閘，閘門較長(zhǎng)時(shí)間固定于水下，且無法定期開閘沖砂，河流泥砂及其他雜物將不斷在閘門前后沉積，會(huì)對(duì)閘室穩(wěn)定、閘門結(jié)構(gòu)以及過流能力等產(chǎn)生影響。

某老運(yùn)河是歷史上重要的通航河道，新運(yùn)河開挖后，將老運(yùn)河切斷，為維持老運(yùn)河通航、控制新運(yùn)河與老運(yùn)河之間的水位并兼顧排澇功能，原規(guī)劃在老運(yùn)河上修建東、西兩座船閘，之后規(guī)劃調(diào)整，未修建完整船閘，只在臨近新運(yùn)河側(cè)保留了東、西兩座閘首，如圖1。兩閘首長(zhǎng)期處于關(guān)閉狀態(tài)，至今已運(yùn)行20余年，閘首長(zhǎng)12.7m，凈寬10m，閘頂高程6.0m，采用鋼筋混凝土平底板，底板平面尺寸為12.7m×18.4m，其中東閘首閘底板高程-1.5m，底高程-3.4m，西閘首底板高程-1.0m，底高程-2.8m。工作閘門均為升臥式平板鋼閘門，平面尺寸為10m×6.8m，閘門頂高程5.3m。上游老運(yùn)河長(zhǎng)期處于相對(duì)靜水狀態(tài)，靜水中雜物、泥沙等在閘前沉積，從而在閘首上游側(cè)產(chǎn)生淤積；下游新運(yùn)河河水流動(dòng)攜帶泥沙進(jìn)入閘后區(qū)域，在閘首下游側(cè)產(chǎn)生淤積。

圖1 東、西兩閘首平面布置圖

為全面了解兩閘首水下淤積環(huán)境以及淤積深度對(duì)閘首安全的影響，本文應(yīng)用超聲測(cè)深儀對(duì)東、西閘首開展淤積情況調(diào)查，并進(jìn)行水下泥沙淤積高程三維可視化處理；分析淤積對(duì)閘首穩(wěn)定、閘門結(jié)構(gòu)安全、過流能力、消能防沖以及閘門啟閉的影響。

2.長(zhǎng)期閉門狀態(tài)下閘首水下淤積調(diào)查

依據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》（G B 50026-2020），確定兩閘首的水深測(cè)量區(qū)為自閘門向上下游各60m，將測(cè)量區(qū)劃分為垂直水流方向間隔2m、順?biāo)鞣较蜷g隔3m的網(wǎng)格，采用超聲波測(cè)深儀測(cè)量網(wǎng)格點(diǎn)的水深。閘首段的水下淤積高程如圖2、圖3。

圖2 東閘首淤積高程圖

圖3 西閘首淤積高程圖

調(diào)查結(jié)果顯示，東、西兩閘首及上下游測(cè)量范圍內(nèi)，水下均產(chǎn)生了淤積現(xiàn)象，總體下游淤積深度較上游淤積深度大。東閘首淤積深度在0.37m～1.25m之間，上游鋪蓋淤積深度在0.40m～1.56m之間，上游連接段淤積深度在0.43m～1.26m之間；下游消力池淤積深度在0.28m～1.63m之間，下游連接段淤積深度在0.37m～1.60m之間。西閘首淤積深度在0.07m～1.52m之間，上游鋪蓋淤積深度在0.25m～0.95m之間，上游連接段淤積深度在0.59m～2.92m之間；下游消力池淤積深度在0.95m～2.32m之間，下游連接段淤積深度在0.39m～1.61m之間。

3.淤積對(duì)閘首安全的影響

3.1 淤積對(duì)閘首穩(wěn)定性的影響

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016），穩(wěn)定性復(fù)核包括基底應(yīng)力與抗滑穩(wěn)定性。計(jì)算工況見表1。

表1 計(jì)算組合表（單位：m）

在基本組合工況下，將閘首穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)時(shí)的上下游淤積高程，記為淤積臨界組合工況。

東、西閘首穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分別見表2和表3。結(jié)果表明基本組合和特殊組合工況下，東、西閘首基底應(yīng)力平均值、不均勻系數(shù)和抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。淤積高程對(duì)平均基底應(yīng)力以及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)影響不大，且各種工況下平均基底應(yīng)力不足允許值的50%，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于3，地基承載力和抗滑穩(wěn)定有足夠的安全裕度。

當(dāng)上游淤積高程為-1.22m，下游淤積高程為1.20m時(shí)，閘首平均基底應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范允許值，但此時(shí)地基不均勻系數(shù)η為2.00，達(dá)到了規(guī)范規(guī)定的允許值［η］=2.00。若下游繼續(xù)淤積，地基不均勻系數(shù)將超過2，因此閘首上下游淤積高程差不宜超過2.4m。西閘首底板高程-1.0m，下游水位1.0m，當(dāng)下游淤積至水面、上游無淤積時(shí)，淤積高差為2.0m，未超過2.4m，不均勻系數(shù)不超過規(guī)范允許值。

因此應(yīng)定期進(jìn)行水下環(huán)境調(diào)查，合理制定清淤方案，在清淤作業(yè)過程中控制上下游淤積高程差。

3.2 淤積對(duì)閘門安全性的影響

兩閘首擋水工作閘門均采用升臥式平板鋼閘門，設(shè)有4道水平主梁，主橫梁高度由125cm漸變?yōu)?0cm，與雙腹板端柱相接，縱梁、橫梁相接采用斜面漸變的方式，門葉寬均為9.96m，東閘首閘門高6.8m，西閘首閘門高6.3m。建立東、西閘首閘門有限元模型，東閘首閘門有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為28942個(gè)，單元總數(shù)為9824個(gè)；西閘首閘門有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為99763個(gè)，單元總數(shù)為33660個(gè)。坐標(biāo)系均定義為：x軸為沿主橫梁軸向，y 軸鉛直向上，z 軸水平指向上游。閘門底部受鉛直向約束，閘門在邊梁支承處受順?biāo)鞣较蚝痛怪彼鞣较蚣s束。

閘門構(gòu)件材料為Q235鋼，彈性模量2.06×10MPa，泊松比0.3，密度7850kg/m，重力加速度9.8m/s，閘門荷載考慮閘門自重、靜水壓力和淤沙壓力。取表2和表3中基本組合和特殊組合工況進(jìn)行閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析。

表2 東閘首穩(wěn)定計(jì)算成果表

表3 西閘首穩(wěn)定計(jì)算成果表

東、西閘首閘門面板、主橫梁、縱梁及邊梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果以及依據(jù)規(guī)范確定的各組合工況下閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力容許值見表4～5。計(jì)算結(jié)果表明，在特殊組合工況下，東閘首面板最大折算應(yīng)力超過容許值，西閘首面板最大折算應(yīng)力、以及縱梁、邊梁的最大折算應(yīng)力和正應(yīng)力均超過容許值。以下分別對(duì)東、西閘首閘門結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

表4 東閘門強(qiáng)度各工況計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

對(duì)于東閘門，兩種組合工況下，最大值出現(xiàn)在面板與中間兩根主橫梁連接處，范圍較小。在基本組合工況下，面板強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。在特殊組合工況下，面板最大折算應(yīng)力為259MPa，大于鋼材折減后的容許應(yīng)力。東閘門主橫梁、縱梁以及邊梁的抗彎、抗剪強(qiáng)度及折算應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

對(duì)于西閘門，基本組合工況下，面板強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。特殊組合工況下，面板最大折算應(yīng)力為270MPa，大于容許應(yīng)力200MPa。

表5 西閘門強(qiáng)度各工況計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

西閘門主橫梁抗彎、抗剪強(qiáng)度及折算應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。在基本組合工況下，縱梁、邊梁滿足規(guī)范要求。特殊組合工況下，縱梁、邊梁最大折算應(yīng)力為213MPa，大于容許折算應(yīng)力193MPa；最大正應(yīng)力為206MPa，大于容許抗拉（彎）應(yīng)力值175MPa。在特殊組合工況下，縱梁、邊梁的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，最大正應(yīng)力和折算應(yīng)力超過容許值，抗彎及折算應(yīng)力均不滿足要求。

3.3 淤積對(duì)閘首排澇過流的影響

東西閘首排澇水位：上游側(cè)3.82m，下游側(cè)3.67m。為研究淤積深度對(duì)閘首過流能力的影響，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016），計(jì)算不同淤積深度的水閘排澇流量，結(jié)果如圖4。

圖4 東、西兩閘首排澇流量與淤積深度的關(guān)系

結(jié)果表明，閘首淤積會(huì)顯著影響水閘過流能力，隨淤積深度增大，排澇流量逐漸減小。未淤積時(shí)，東閘首排澇流量83.5m/s，西閘首排澇流量74.9m/s；當(dāng)淤積深度達(dá)到2.5m時(shí)，東西閘首排澇流量均約減小至未淤積時(shí)排澇流量的50%；當(dāng)淤積深度達(dá)到4m時(shí)，東閘首排澇流量減小至18.7m/s，為未淤積時(shí)排澇流量的22.4%，西閘首排澇流量減小至10.4m/s，為未淤積時(shí)排澇流量的13.9%。根據(jù)超聲測(cè)深法獲取的水下淤積調(diào)查成果，東閘首淤積深度為0.37m～1.25m，西閘首淤積深度為0.07m～1.52m，截止調(diào)查完成時(shí)，東、西閘首排澇流量維持在未淤積時(shí)排澇流量的70%～80%。為確保安全排澇，建議定期對(duì)閘首水下淤積進(jìn)行清理。

3.4 淤積對(duì)消力池消能防沖的影響

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，自閘門向下游40m范圍內(nèi)閘首軸線淤積高程如圖5，東閘首底板高程-1.5m，西閘首底板高程-1.0m，東、西閘首消力池底板高程均為-2.1m，東閘首下游消力池軸線淤積高程約為-1.2m～-0.8m，西閘首下游消力池軸線淤積高程約為-0.4m～-0.1m，消力池軸線核心區(qū)域被淤積物填滿，淤積高程均超過消力池尾坎高程，淤積將影響消力池消能防沖，甚至導(dǎo)致消力池喪失消能防沖作用。因此建議定期檢查消力池淤積情況，并及時(shí)清淤。

圖5 閘首軸線消力池附近淤積高程圖

3.5 淤積對(duì)閘門啟閉的影響

東、西閘首閘門為升臥式平板鋼閘門，采用QP-2×250kN卷揚(yáng)式啟閉機(jī)控制。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 74-2019），平面鋼閘門啟閉力計(jì)算涉及摩阻力、閘門自重、底緣上托力、止水上托力、下吸力、閘門水柱壓力等。淤積將增加面板摩阻力和支承摩阻力，甚至滾輪卡阻，導(dǎo)致閘門啟閉困難；閘門長(zhǎng)期關(guān)閉，水下主梁或次梁上淤積有大量泥沙或其他沉積物，閘門自重相應(yīng)增大，所需啟門力增大。因此，淤積可能會(huì)影響閘門啟閉安全。

4.結(jié)論

本文對(duì)東、西閘首開展了淤積情況調(diào)查，分析了淤積對(duì)閘首穩(wěn)定、閘門結(jié)構(gòu)安全、過流能力、消能防沖以及閘門啟閉的影響。主要結(jié)論如下：

1）東、西兩閘首及上下游測(cè)量范圍內(nèi)，水下均產(chǎn)生了淤積現(xiàn)象，且下游淤積深度較上游淤積深度大。

2）東、西閘首基底應(yīng)力平均值、不均勻系數(shù)和抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。閘首上下游淤積高程差不宜超過2.4m。

3）當(dāng)前淤積情況下，上下游處于基本組合水位工況時(shí)，東、西閘首閘門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；上下游處于特殊組合水位工況時(shí)，東閘首閘門面板最大折算應(yīng)力大于容許應(yīng)力，西閘首面板最大折算應(yīng)力以及縱梁、邊梁最大正應(yīng)力均超過容許值，其他結(jié)構(gòu)各應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4）閘首淤積會(huì)顯著影響水閘過流能力，隨淤積深度增大，排澇流量逐漸減小。淤積深度達(dá)到2.4m時(shí)，兩閘首排澇流量減小至未淤積時(shí)排澇流量的50%，截止調(diào)查完成時(shí)，兩閘首排澇流量為未淤積時(shí)排澇流量的70%～80%。

5）東西閘首下游消力池軸線核心區(qū)域被淤積物填滿，淤積高程均超過消力池尾坎高程，淤積嚴(yán)重影響消力池消能防沖作用。

建議定期進(jìn)行水下環(huán)境調(diào)查，并合理制定清淤方案，在清淤作業(yè)過程中注意控制上下游淤積高程差。