大新沟闸安全综合评价

2022-05-14刘锡鸣

河南水利与南水北调 2022年4期

刘锡鸣

（辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁朝阳 122000）

1 工程概况

大新沟闸位于新沟河下游东港市大东区内，闸址以上控制流域面积87.10 km2，区域内有大楼房、田家沟两座小型水库，控制面积3.10 km2、2.40 km2，区间控制面积81.60 km2，河道长度16.80 km，担负着大新沟挡潮、排洪、灌溉等综合任务的水利工程。该闸始建于1968年，其结构为闸、桥结合式，规模小，标准低，于1999年进行了除险加固和扩建。经过二十年的运用，水闸建筑物主体工程已出现局部破损、剥蚀、冻融破坏等问题，启闭机出现锈蚀等安全隐患，因长时间运行和频繁使用，水闸整体出现老化现象。已经影响工程正常使用，需要进行工程安全评价，发现工程存在的问题和隐患，分析问题原因，评价对工程安全的影响并提出处理意见，确保工程安全运行。

2 基本资料

2.1 水文及地质条件

2.1.1 水文气象

新沟河地处中纬度，属北温带大陆性季风气候。寒冷期长，无霜期短，降雨集中，四季分明。年降水量分布自西向东递增，降水量在年内分配极不均匀，主要集中在6-9月，约占年降水量的72%。流域内多年平均气温9.30℃，多年平均风速一般在2～3 m/s，多年平均无霜期为146 d。

2.1.2 工程地质

经钻探揭示，新沟河地层为上层淤泥质粉质粘土，黑灰色、较湿、软、松，为高压缩土。4 m以下稍硬，天然含水量达30%左右，底部夹有少量粉砂；下层淤泥质粉砂，灰、浅灰色、饱和、上部稍散、中部和下部渐密含云母碎屑，天然含水量30%左右。该区域地震烈度为Ⅶ度区。

3 安全复核计算

3.1 防洪标准复核

3.1.1 设计洪水复核

3.1.1.1 大新沟闸原设计成果

闸上游洪水流量主要由两部分组成：一是大楼房、田家沟两座水库的泄洪流量，二是山丘区、平原区降雨产流。大楼房水库、田家沟水库入库洪水及区间洪水流量计算方法采用《辽宁省水文手册》，按小流域洪水计算方法进行计算。设计潮位采用《东港市沿海防潮堤加固达标和重建连线工程可性行研究报告》阶段成果，大东港站资料年限只有16 a，对大东港潮位资料按极值I型分布律进行频率分析。设计洪水及设计潮位成果见表1。

表1 大新沟闸原设计成果表（黄海基面）

3.1.1.2 大新沟闸设计洪水复核

经此次复核大新沟闸以上集水面积87.10 km2，河长21.50 km，比降0.314‰，设计洪水采用1998年版《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》进行计算，设计成果见表2。

表2 区间设计洪水成果表

3.1.1.3 大新沟闸设计潮位复核

对大鹿岛与大东港站实测潮位资料按P-Ⅲ型进行相关分析，大东港站潮位与大鹿岛站潮位相关性结果见表3。此次大新沟闸距离大东港站较近，采用大东港站的计算潮位作为大新沟闸的设计潮位。

表3 大东港站与大鹿岛站潮位相关结果表（黄海基面）

3.1.1.4 大新沟闸设计采用成果

经表1、表2、表3对比得出，此次大新沟闸3.30%频率洪水采用本次成果，10%频率洪水复核成果与原设计成果接近，5%频率的设计潮位成果小于原成果。从工程安全角度考虑，大新沟闸设计洪水采用此次复核成果，设计潮位采用原设计成果，即30年一遇洪水为370 m3/s，10年一遇洪水为266 m3/s，20年一遇设计潮位为4.62 m。

3.1.2 工程规模及洪水标准复核

大新沟闸在2000年进行改扩建设计时，工程等别为Ⅳ等，建筑物级别为4级，洪水标准为10年一遇洪水设计，20年一遇洪水校核。设计挡潮水位和校核挡潮水位按城市挡潮标准进行设计，设计挡潮标准为20年一遇潮位设计，50年一遇潮位校核。

目前工程设计治涝面积0.20万hm2，灌溉面积1.33万hm2，工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。洪水标准为10年一遇洪水设计，30年一遇洪水校核，设计挡潮标准为20年一遇潮位设计。因此，现状水闸防洪标准不满足规范要求。

3.1.3 泄流能力复核

泄流能力复核主要是复核工程在下泄设计、校核洪水时，上游水位壅高是否影响工程及两岸的防洪安全。按宽顶堰公式计算结果可以得出，当水闸下泄设计洪峰流量266 m3/s（P=5.00%）时，水闸上游水位将达到3.54 m；当水闸下泄校核洪峰流量370 m3/s（P=3.30%）时，水闸上游水位将达到4.45 m。工程现状闸墩顶高程4.90 m，交通桥顶高程5.20 m，大于设计及校核工况时上游水位，可见现状水闸满足洪水过水要求。

3.1.4 闸墩顶高程复核

水闸级别为4级，安全加高下限值应为挡正常蓄水位时取0.30 m，挡最高挡水位时取0.20 m，泄设计洪水时取0.50 m，泄校核洪水时取0.40 m。

通过泄流能力复核结果可以看出，设计洪水时，水位加安全加高为3.54 m，校核洪水时，水位加安全加高为4.45 m，均低于闸墩顶高程及交通桥顶高程。

水闸最高挡水位应为最高潮水位，设计挡潮标准为20年一遇潮位设计，潮水位为4.02 m。

波浪计算采用《水闸设计规范》附录E中的公式计算得出，频率为10%的波高为0.31 m，加潮水位4.02，加安全超高0.20 m，值为4.53 m，低于闸墩顶高程4.90 m，闸墩顶高程满足拦潮要求。

3.1.5 防洪安全评价

大新沟闸现状工程等别为Ⅳ等，防洪标准为10年一遇洪水设计，20年一遇洪水校核；挡潮标准为20年一遇潮位设计，50年一遇潮位校核。经复核，大新沟闸工程规模应为小（1）型，建筑物级别为4级，防洪标准应为10年一遇洪水设计，30年一遇洪水校核，设计挡潮标准为20年一遇潮位设计。因此，现状水闸洪水标准低于《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，不满足现行规范要求；水闸过流能力满足设计、校核工况下安全过流要求，泄流能力满足要求；闸墩顶及交通桥顶高程在下泄设计及校核洪水时均满足规范要求。

4 渗流安全复核

4.1 闸基渗流复核

根据《水闸设计规范》附录C，对于土基上的水闸，闸基渗透压力计算应采用改进阻力系数法，计算简图见图1。

图1 闸基渗流计算示意图

通过计算，闸室铺盖上、下游出口渗流坡降均小于闸基粉砂的允许渗流坡降值，不会发生渗流破坏。

4.2 绕闸渗漏复核

由于水闸缺少绕渗监测设备，无法通过监测数据分析绕渗情况，但根据水闸管理人员反映，水闸运行至今，未发生绕闸渗漏现象，现场检查也未见有异常。

4.3 渗流安全评价结论

通过闸基渗流复核计算，闸室上、下游渗流出口渗流坡降值均小于闸基粉砂允许渗流坡降，闸基不会发生渗透破坏。

5 结构安全复核

5.1 闸室稳定复核

水闸共3孔，未设分缝。两岸进水闸安全复核内容包括闸室稳定、闸基应力复核。根据地质勘察结果，闸基底面与地基之间的摩擦系数f=0.30。分别进行抗滑稳定、闸室基地应力和抗浮计算，结果见表4。可以得出，大新沟闸闸室抗滑、抗浮稳定满足规范要求，闸基应力小于基础承载力，闸室稳定满足规范要求。

表4 大新沟闸闸室抗滑稳定及基底应力计算成果表

5.2 上下游翼墙稳定复核

大新沟闸翼墙均为悬臂式挡土墙挡墙。计算工况选择墙后填土、墙前无水情况，荷载包括墙身自重、墙后填土压力、地震荷载。按抗滑稳定、墙基底应力计算结果见表5。可以得出，翼墙抗滑稳定安全系数不满足规范要求，基底最大应力小于基础允许承载力，应力比满足规范要求。

表5 挡墙抗滑稳定及基底应力计算成果表

5.3 消能防冲复核

大新沟闸消力池为钢筋混凝土结构，底流式消能，顺水流方向长15 m，上下游齿墙均为0.50 m深，消力池末端坎高0.80 m。此次消能复核计算按《水闸设计规范》附录B进行，消力池深度复核和海漫长度计算见表6。计算得出，消力池长度Lsj=11.60 m＜15 m，海漫长度Lp=18.009 m＜20 m。大新沟闸下游消力池目前基本良好，不影响工程稳定安全。

表6 消力池及海漫计算成果表

5.4 结构安全评价结论

大新沟闸闸室抗滑稳定满足规范要求，闸基应力小于基础允许承载力，满足设计要求；翼墙抗滑稳定安全系数不满足规范要求，基底最大应力小于基础允许承载力，应力比满足规范要求。大新沟闸下游消力池目前基本良好，不影响工程稳定安全。

6 抗震安全复核

6.1 地震烈度复核和抗震安全复核计算

根据《中国地震动参数区划图》，大新沟闸地区地震峰值加速度为0.20 g，反应谱特征周期为0.35 s，地震烈度为Ⅶ度。依据《水工建筑物抗震设计规范》规定，采用基本烈度作为设计烈度，即水闸抗震设计烈度为7度，工程抗震设防类别为丙，地震作用效应的计算方法采用拟静力法，计算工况为上下游最大水位差，即大新沟闸挡3.90 m水头，下游无水，仅考虑顺水流方向水平地震惯性力及地震动水压力。通过计算表明，闸室在挡最高水位遇地震情况下，闸室稳定及闸室基底应力均满足规范要求。翼墙遇地震情况下，稳定不满足规范要求。