劉世煌，聶廣明（.水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京，000；.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，3004）

混凝土閘壩安全評價探討

劉世煌1，聶廣明2
（1.水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京，100011；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、防洪安全性、抗震安全性、閘基安全性、閘壩結(jié)構(gòu)安全性、泄洪消能安全性等方面，對混凝土閘壩安全評價內(nèi)容、評價標(biāo)準(zhǔn)和評價重點進(jìn)行了探討，供混凝土閘壩安全評價時參考。

混凝土閘壩；安全評價；評價內(nèi)容

1　閘壩安全評價的依據(jù)

閘壩是介于水閘與混凝土重力壩之間的一種壩型，鑒于我國當(dāng)前并沒有專門的閘壩設(shè)計規(guī)范，閘壩工程安全評價應(yīng)參照《水閘設(shè)計規(guī)范》和《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》。

SD133-84《水閘設(shè)計規(guī)范》，是總結(jié)20世紀(jì)50～70年代在江蘇、安徽等平原地區(qū)建設(shè)的一大批水閘經(jīng)驗編制而成。當(dāng)時閘室高度大多5～10 m，閘室長8～20 m，上下游水頭差4～8 m，且大多為開敞式水閘。該規(guī)范適用范圍為平原地區(qū)的大中型工程中1、2、3級水閘設(shè)計，重點適用于土基上的水閘設(shè)計。

2001年修訂后的SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》，雖然在各章節(jié)中增加了山區(qū)、丘陵區(qū)及巖基上水閘設(shè)計的規(guī)定，擴(kuò)大了適用范圍，但由于種種原因，該規(guī)范對原規(guī)范中某些重要規(guī)定和計算方法未做相應(yīng)的修訂。

近年來我國在巖基或砂礫石地基上修建了一大批中低水頭的閘壩工程。這些工程上下游水頭差、閘室結(jié)構(gòu)尺寸較大，結(jié)構(gòu)形式也較為復(fù)雜，有些問題已超出《水閘設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，如：

（1）由于地基條件的變化，除沿閘基存在抗滑穩(wěn)定問題外，也存在沿軟弱夾層或細(xì)砂層的淺層抗滑穩(wěn)定問題。如耿達(dá)閘壩蓄水不久，沿閘基持續(xù)向下游位移35 mm，閘壩不得不降低5 m水頭運行。

（2）由于閘壩工程大多建于基巖或砂礫石地基上，《水閘設(shè)計規(guī)范》中相應(yīng)軟土地基上的彈性地基梁的閘底板計算方法，已不適應(yīng)巖基及砂礫石地基上的閘壩工程。

（3）由于水頭差加大，閘門推力加大、胸墻高度和厚度及閘室底板和閘墩厚度相應(yīng)加大，閘壩結(jié)構(gòu)已成為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，《水閘設(shè)計規(guī)范》所推薦的結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)計算方法已不再適用，需要綜合工程經(jīng)驗與有限元計算成果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（4）由于閘壩自重較一般重力壩相對較輕，大泄量時上下游水頭差較小，存在結(jié)構(gòu)抗浮問題。

（5）由于水頭增大，閘基滲流穩(wěn)定和下游消能問題相對較為復(fù)雜，特別是受砂礫石抗沖流速及單寬流量的限制，閘壩的樞紐布置較土基上水閘有所不同。

2　設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)評價

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)評價內(nèi)容為：閘壩工程等別、建筑物級別、防洪標(biāo)準(zhǔn)和抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（1）閘壩的工程等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)的評價本應(yīng)該是一件較為簡單的事情，只需依據(jù)GB 50201-94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和DL5018-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全規(guī)準(zhǔn)》執(zhí)行即可。但由于閘壩工程庫容不大、壩不高，常介于平原區(qū)和山區(qū)、丘陵區(qū)之間，再加上工程開發(fā)任務(wù)較多，結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，設(shè)計確定閘壩等級時又往往執(zhí)行不同的標(biāo)準(zhǔn)，給安全評價工作帶來較大困難。

（2）評價閘壩級別和防洪標(biāo)準(zhǔn)時，宜首先區(qū)分閘壩類型。對于最大擋水建筑物高度小于15 m、且上下游水頭差小于10 m的閘壩，執(zhí)行平原地區(qū)工程等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)（如王甫洲水電站）；對最大高度大于等于15 m、且上下游水頭差大于等于10 m的閘壩，執(zhí)行山區(qū)、丘陵地區(qū)工程等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（3）失事后損失巨大或影響十分嚴(yán)重的2級以下閘壩，經(jīng)論證，工程等級可提高一級，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)相應(yīng)提高，但抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不提高。

地質(zhì)條件特別復(fù)雜或采用實踐經(jīng)驗較少的新型結(jié)構(gòu)的2級以下閘壩，工程等級可提高一級，但防洪標(biāo)準(zhǔn)和抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不提高。

（4）山區(qū)、丘陵區(qū)廠壩分開布置的閘壩，當(dāng)工程等級僅由裝機(jī)容量確定時，經(jīng)論證，閘壩級別可降低一級，相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)按降低一級后確定。

僅由水庫總庫容決定工程等級的閘壩，當(dāng)擋水建筑物最大水頭小于30 m，且?guī)烊萁咏燃墭?biāo)準(zhǔn)下限，或非常洪水時上下游水位差小于2 m，或壅水建筑物最大水頭小于10 m時，閘壩等級可降低一級，防洪標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整。

（5）梯級電站中，閘壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與上下游電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)相互協(xié)調(diào)，既要考慮上級水庫潰壩的不利影響，也要考慮工程規(guī)模及失事后的危害程度。

新集水電站位于漢江中游，庫容4.418億m3，日調(diào)節(jié)水庫，裝機(jī)120 MW，擋水建筑物（土壩）最大壩高17.3 m，屬峽谷區(qū)水電站，按庫容確定為2級閘壩，相應(yīng)確定設(shè)計洪水重現(xiàn)期為100年，校核洪水重現(xiàn)期為2 000年。但上游王甫洲水電站庫容3.095億m3，擋水建筑物（土壩）最大壩高12 m，遵照規(guī)范，按平原水庫設(shè)計，相應(yīng)設(shè)計洪水重現(xiàn)期為50年、校核洪水重現(xiàn)期為300年，即發(fā)生超過300年洪水時，王甫洲土壩即將潰壩，相應(yīng)下游的新集電站土壩也將面臨漫壩可能，考慮到下游崔家營電站也系小型電站，按照規(guī)范要求，新集電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與王甫洲及崔家營電站的防洪標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)。

（6）閘壩為中低水頭建筑物，按規(guī)范規(guī)定：地震設(shè)防烈度應(yīng)與場地地震烈度相同，地震動峰值加速度應(yīng)取50年基準(zhǔn)期超越概率為10%時的地震動峰值加速度。

3　防洪安全性評價

防洪安全性評價應(yīng)包括閘壩泄流能力、壩頂超高、防洪調(diào)度原則和閘門開啟要求等。

（1）閘壩的泄流能力應(yīng)等于或略大于調(diào)洪演算后的泄洪要求。當(dāng)閘壩工程的調(diào)洪庫容較小時，為安全計，可不進(jìn)行調(diào)洪演算，直接根據(jù)溢流堰頂高程和溢流前緣長度，復(fù)核泄洪能力、設(shè)計及校核洪水位和壩頂高程。

設(shè)計工況時，排沙閘可參與泄洪；校核工況時，電站不發(fā)電，不參與泄洪。

（2）水庫最高庫水位宜低于閘壩壩頂高程，壩頂防浪墻高度應(yīng)大于各種水位下最大風(fēng)浪高度及風(fēng)浪爬高之和，且有足夠安全超高。

（3）閘壩工程應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行防洪調(diào)度程序。宜根據(jù)來水來沙狀況及泄洪沖沙要求，合理安排閘門啟閉順序和開度，避免閘門停留在振動較大區(qū)域內(nèi)泄洪，減少閘門振動，防止下游出現(xiàn)集中水流和折沖水流等不良流態(tài)。嚴(yán)禁閘門頂漫流。

（4）閘壩泄洪能力小于設(shè)計要求，且難以增加泄洪措施時，可考慮非工程措施，如電站流道過水、提前預(yù)泄、上游水庫調(diào)蓄、合理調(diào)度等。

4　抗震安全評價

評價結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和抗震措施是否滿足抗震規(guī)范要求，工程抗震是否安全。

（1）根據(jù)汶川地震及其他地震教訓(xùn)，中低水頭的閘壩工程雖具有較好的抗震性能和抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水能力，但震后也出現(xiàn)了閘門被水沖走，牛腿、閘墩、啟閉機(jī)房等上部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞等現(xiàn)象，且受地震次生災(zāi)害的影響，地面上的機(jī)電設(shè)備、管道、近壩自然邊坡等出現(xiàn)砸壞、掩埋、爆裂、失穩(wěn)嚴(yán)重，甚至發(fā)生水淹廠房等災(zāi)害。為此，抗震安全評價既要關(guān)注結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全，又要關(guān)注結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件是否可能發(fā)生次生災(zāi)害等。

（2）按照規(guī)范規(guī)定：8度以上地震區(qū)不宜修建分離式閘室，可采用幾孔聯(lián)合成一個單元的整體結(jié)構(gòu)，抗震計算時可把一個閘壩單元作為計算對象，研究結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。8度以下地區(qū)的閘壩抗震計算可采用擬靜力法，8度、9度地區(qū)的1級、2級閘壩及地基為可液化土的1級、2級閘壩，應(yīng)采用動力法進(jìn)行抗震計算。

（3）動力法計算中，可不計豎直向地震作用，閘墩、閘頂排架柱等結(jié)構(gòu)應(yīng)同時計入順?biāo)鞣较蚝痛怪焙恿鞣较虻卣鹱饔?，外荷載應(yīng)折算成等效質(zhì)量施加于相應(yīng)作用質(zhì)點上。地震過程中可能產(chǎn)生不同步變形的構(gòu)件間，應(yīng)模擬正負(fù)向動力晃動影響。

（4）在東北、西北嚴(yán)寒地區(qū)，冬季發(fā)生地震時，地震荷載可能與常見冰荷載遭遇。由于冰荷載較同等水深的水荷載大，如不設(shè)置融冰裝置，弧門的推力將明顯增加，地震時由于閘門變位與閘墩變位的不同步，可使牛腿在反復(fù)拉壓作用下破壞。

（5）啟閉機(jī)房及公路橋梁板與啟閉臺柱連接方式對于提升閘室橫向剛度作用明顯，強(qiáng)震區(qū)不宜采用簡支方式連接，應(yīng)盡量使其鉸接或剛接。

（6）地基對閘壩地震反應(yīng)作用明顯，汶川地震中，映秀灣、漁子溪、耿達(dá)電站在地震后，各閘段均有不同程度的水平錯位和垂直錯位，其中映秀灣河床閘段與相鄰岸坡壩段垂直錯位200 mm，耿達(dá)水平錯位106.4 mm，垂直錯位92 mm。為減少地震時地基變位的不利影響，各閘室宜構(gòu)成一個獨立的整體式單元。

5　地基安全性評價

閘壩地基常分為覆蓋層（主要為砂礫石）地基和巖石地基。閘壩工程地基安全評價包括：閘壩地基地質(zhì)條件、地基處理措施和地基運行性態(tài)。

5.1覆蓋層地基

5.1.1砂礫石地基的承載能力

砂礫石地基允許承載力本是一個比較清晰的問題，但由于砂礫石的允許承載力不僅與地基力學(xué)參數(shù)有關(guān)，也與基礎(chǔ)形式及尺寸、埋深等有關(guān)，還與垂直荷載、水平荷載、邊荷載狀況等有關(guān)，再加上目前砂礫石地基上允許承載力的計算公式頗多，計算結(jié)果差異甚大。如漢江興隆閘壩設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，各公式計算結(jié)果差異達(dá)三倍之多。鑒于該問題的復(fù)雜性，總結(jié)國內(nèi)實際使用狀況，宜在對漢森公式或其他公式進(jìn)行比較后，視成果的合理性及安全性，合理確定地基允許承載能力，相應(yīng)評價閘壩基礎(chǔ)面受力狀態(tài)。

5.1.2可液化粉細(xì)砂處理

砂礫石地基中常有粉細(xì)砂層，當(dāng)其埋深小于20 m，處于飽和狀態(tài)時，在地震工況下就可能衰失強(qiáng)度、液化。為了做好可液化粉細(xì)砂地基處理，首先應(yīng)嚴(yán)格按水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，分別從砂礫石形成年代、埋深、顆粒級配、土層剪切波速等，初判飽和少粘性土的液化可能性，再按標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)、相對密度、液性指數(shù)等復(fù)判其液化可能。

當(dāng)?shù)乇硪韵?0 m范圍內(nèi)存在可液化土層時，宜區(qū)分可液化透鏡體及通透液化土層，分別考慮液化土層在地震作用下孔隙壓力轉(zhuǎn)化過程及土的非線性力學(xué)特性，合理確定殘余強(qiáng)度，根據(jù)地層特性及結(jié)構(gòu)特點，分別采用換填、壓實、振沖、封閉、樁基等處理措施，進(jìn)行液化土處理，并評價抗液化措施的合理性。

當(dāng)采用連續(xù)墻或沉井封閉、或采用樁基處理時，宜吸取新疆布哈拉水閘教訓(xùn)，圍封深度和樁基應(yīng)嵌入非液化土層。

地震后應(yīng)檢查閘壩周圍地面及閘壩的變形監(jiān)測成果，關(guān)注地震后地表冒水、冒沙、開裂情況，視閘壩沉降量與不均勻變形狀況、揚壓力及地下水位變化狀況及閘壩破壞狀況，對液化土地基處理效果進(jìn)行評價，并采取相應(yīng)補強(qiáng)措施。

5.1.3砂礫石閘基淺層滑動

由于低水頭的水閘大多建于深厚的土基上，常不存在閘基淺層滑動問題，故《水閘設(shè)計規(guī)范》只對沿閘基面抗滑穩(wěn)定提出要求，對閘基沿淺層抗滑穩(wěn)定未提出要求。

隨著閘壩高度及水頭的提高，上述規(guī)定顯然不適用于砂礫石地基與巖基上的閘壩。如耿達(dá)電站基礎(chǔ)為砂礫石深覆蓋層，3 m以下為20 m厚中細(xì)砂層，該砂礫石層摩擦角35°，中細(xì)砂層摩擦角25°。自1988年電站運行以來，監(jiān)測資料及目測均發(fā)現(xiàn)，整個閘壩向下游有明顯水平移動，且各閘室間有明顯沉降差：其中1號非溢流壩段與3號泄洪閘間，2005年實測水平位移差35 mm。上述資料表明整個閘壩沿閘下中細(xì)砂層已發(fā)生明顯水平滑動和垂直沉降，為此決定降低5 m水位運行。耿達(dá)閘壩水平位移過程線見圖1。

5.1.4砂礫石地基的變形穩(wěn)定性

SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：巖石地基、砂礫石地基、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大于15擊的粉砂及細(xì)砂、砂壤土和粘土地基可不進(jìn)行地基沉降計算。但耿達(dá)閘壩因砂礫石及粉細(xì)砂地基的變形，蓄水7年后，1號非溢流壩段與3號泄洪閘間，實測垂直位移差9 mm。因而對于深厚砂礫石地基上的閘壩，還需要復(fù)核基礎(chǔ)變形穩(wěn)定性。

5.1.5砂礫石地基的滲流穩(wěn)定

當(dāng)砂礫石夾有粉細(xì)砂地層時，往往存在滲流穩(wěn)定問題，需要進(jìn)行滲流場分析，同時關(guān)注水平段和出口段滲流穩(wěn)定性。

為保持閘壩砂礫石地基的滲流穩(wěn)定，往往需要增長水平鋪蓋、垂直防滲和出口反濾保護(hù)等措施。

受周圍覆蓋層拉拽作用，深覆蓋層上防滲墻應(yīng)力狀態(tài)是一個較復(fù)雜的問題。為了減少閘壩施工對防滲墻應(yīng)力的不利影響，也為了減少蓄水后防滲墻與閘壩基礎(chǔ)裂縫的產(chǎn)生，覆蓋層上的防滲墻宜布置于閘前護(hù)坦下，閘壩與護(hù)坦間設(shè)止水連接。

閘壩防滲墻安全評價時宜根據(jù)防滲墻變形及應(yīng)力監(jiān)測成果，評價防滲墻工作性態(tài)，并根據(jù)防滲墻前后滲壓計或滲漏量監(jiān)測成果及變化趨勢，評價防滲效果。關(guān)注防滲墻與閘壩連接處接縫狀況及發(fā)展，特別關(guān)注止水效果。

5.2軟巖地基

5.2.1承載能力

由于軟巖及極軟巖往往具有遇水軟化特性，一旦泡水極易崩解，很難取出芯樣進(jìn)行飽和抗壓強(qiáng)度試驗，因而泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粘土巖的飽和抗壓強(qiáng)度較為分散，相應(yīng)允許承載力差異較大。但眾多工程試驗結(jié)果表明：同為第三系泥巖，由于年代、組成等原因，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粘土巖的飽和抗壓強(qiáng)度在2 MPa左右，是可行的。

5.2.2軟巖遇水后力學(xué)性能的變化

軟巖軟化系數(shù)低，遇水后易軟化泥化，力學(xué)參數(shù)將顯著降低。安徽紀(jì)村電站壩基泥巖軟化、壩基脫空，力學(xué)參數(shù)降低，經(jīng)30年不斷處理，方才正常運行。

5.2.3軟巖的卸荷回彈

當(dāng)基礎(chǔ)開挖深度較大時，軟巖地基可產(chǎn)生明顯卸荷回彈變形。沙坡頭壩前混凝土鋪蓋開裂就是一例。

5.3硬巖地基

5.3.1斷層破碎帶

硬巖地基中有較大斷層、破碎帶時，應(yīng)關(guān)注斷層及破碎帶的分布、產(chǎn)狀、力學(xué)性狀，關(guān)注斷層破碎帶對閘壩工程安全的影響。

安全評價時應(yīng)檢查閘壩地基處理措施及處理效果，對采取混凝土塞、高壓固結(jié)灌漿、化學(xué)灌漿等處理后的巖石基礎(chǔ)，應(yīng)檢查閘壩基礎(chǔ)變形、基面揚壓力系數(shù)、滲漏量等變化情況，檢查反濾保護(hù)設(shè)施運行狀態(tài)，并依此評價閘壩地基的變形穩(wěn)定與滲流穩(wěn)定。

圖1　耿達(dá)電站3號泄洪閘與1號非溢流壩段水平錯位過程線Fig.1　Horizontal dislocation of the 3#sluice and the 1#non-overflow dam section of Gengda dam

5.3.2軟弱夾層

吸取葛洲壩電站經(jīng)驗教訓(xùn)，在對軟巖及極軟巖地基上的閘壩進(jìn)行安全評價時，除關(guān)注軟巖及極軟巖飽水后力學(xué)特性、變形特點、抗沖刷能力、卸荷回彈的發(fā)展趨勢外，還應(yīng)關(guān)注軟弱夾層計算參數(shù)的合理性，核算閘壩沿軟弱夾層的抗滑穩(wěn)定性，并根據(jù)閘壩水平變位、垂直變位、基面揚壓力、滲漏量、軟弱夾層性狀的變化及邊界條件的改變等，評價閘壩地基的穩(wěn)定性。

5.3.3壩基析出物

壩基排水孔中有較多析出物時，應(yīng)檢測析出物種類、數(shù)量及其變化，分析析出物的來源。當(dāng)析出物中的平均析鈣量大于混凝土或混凝土防滲體含CaO總量的20%，或混凝土強(qiáng)度降低25%以上時，可視為混凝土或混凝土防滲體已發(fā)生較嚴(yán)重溶蝕破壞，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)補強(qiáng)灌漿；當(dāng)析出物中鐵錳質(zhì)來自斷層泥，且斷層力學(xué)參數(shù)降低超過25%，或有粘土及細(xì)砂流出時，宜視為斷層已發(fā)生滲流破壞，應(yīng)采取相應(yīng)補強(qiáng)或加固處理。

揚壓力系數(shù)是判別閘壩安全性重要參數(shù)之一，安全評價時宜考慮散粒體滲流與裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流的差異，區(qū)分壩肩與河床壩段，關(guān)注揚壓力系數(shù)、滲漏量及其變化趨勢。當(dāng)揚壓力折減系數(shù)超過設(shè)計值，且滲漏量較大時，壩基防滲體系可能失效；當(dāng)滲壓較高但滲漏量較少時，排水孔可能堵塞，宜對排水孔進(jìn)行掃孔。

6　閘壩結(jié)構(gòu)安全評價

6.1整體穩(wěn)定性評價

（1）閘壩整體穩(wěn)定性評價包括基底承載能力評價、沿基底面和淺層抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、閘壩基底滲流穩(wěn)定和變形穩(wěn)定性評價等。

吸取耿達(dá)閘壩教訓(xùn)，對建基面附近含有軟弱夾層或連續(xù)砂層的閘壩，應(yīng)復(fù)核沿軟弱面或砂層的淺層抗滑穩(wěn)定性，復(fù)核砂層或軟弱夾層沉降變形和變形穩(wěn)定性。

（2）閘壩整體穩(wěn)定性評價應(yīng)首先檢查計算工況、計算荷載、荷載組合等是否符合SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》，并以開挖后地基的實測參數(shù)和實際邊界條件為準(zhǔn)，評價閘壩整體穩(wěn)定性。

（3）各種地基上閘壩，均應(yīng)按實際地層及力學(xué)特性評價基底的承載力。

①巖基和堅硬砂礫石地基上的閘壩，無需進(jìn)行基底最大應(yīng)力和最小應(yīng)力比的判別，只要求最大壓應(yīng)力不大于地基允許承載力，非地震工況下不出現(xiàn)拉應(yīng)力，地震工況下最大壓應(yīng)力不大于1.2倍地基承載能力，最大拉應(yīng)力不大于0.1 MPa。

②一般砂礫石地基上閘壩的閘基應(yīng)力不均勻系數(shù)，應(yīng)以SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》中基底平均應(yīng)力和最大與最小應(yīng)力的比值為基礎(chǔ)，可適當(dāng)放大。

③覆蓋層上的閘壩基面允許承載能力，應(yīng)根據(jù)閘壩承受垂直荷載、水平荷載及邊荷載等狀況，綜合考慮基礎(chǔ)挖深和基礎(chǔ)形狀系數(shù)等因素，在對漢森公式或其他公式進(jìn)行比較后，視成果的合理性及安全性，確定地基允許承載能力，相應(yīng)評價閘壩基礎(chǔ)面的受力狀態(tài)。

（4）閘壩沿建基面、淺層結(jié)構(gòu)面及軟弱帶抗滑穩(wěn)定評價，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行SL265-2001中有關(guān)規(guī)定，宜考慮滑面摩阻力和粘結(jié)力，按抗剪斷公式計算其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

（5）各種地基上所有閘壩，在各工況下，均應(yīng)滿足抗浮穩(wěn)定要求。

（6）各種地基上閘壩在各工況下均應(yīng)滿足整體抗傾穩(wěn)定要求。閘壩整體抗傾穩(wěn)定性評價應(yīng)通過閘壩變形監(jiān)測、壩基變形、壩踵、壩趾錨桿應(yīng)力、測縫計、壩基滲壓及滲流等成果的時效分析，評價閘壩的抗傾穩(wěn)定性，必要時提出相應(yīng)抗傾措施。

（7）各種地基上閘壩均應(yīng)按規(guī)范要求，檢查閘壩地基滲透壓力、滲流量、滲漏水質(zhì)、析出物等狀態(tài)，根據(jù)實測資料復(fù)核地基滲流穩(wěn)定。

巖基上的基底滲透壓力應(yīng)考慮防滲及排水效果，以實測揚壓力系數(shù)為準(zhǔn)，按全截面折線分布，復(fù)核設(shè)計水頭下閘壩地基滲流穩(wěn)定和斷層中充填物質(zhì)的滲流穩(wěn)定性。

砂礫石地基上的閘壩，應(yīng)按防滲處理后的邊界條件，用改進(jìn)阻力法或流網(wǎng)法或數(shù)值計算法計算揚壓力，分別判斷水平段和出口段滲流穩(wěn)定性，出口段的應(yīng)首先判斷滲流破壞類型，進(jìn)而判別流土和管涌破壞的可能性。對于不滿足滲流穩(wěn)定要求的閘壩，應(yīng)相應(yīng)加長滲徑或增加出口反濾保護(hù)。

6.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價

（1）閘壩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評價包括對閘壩底板、閘墩、牛腿、啟閉機(jī)排架、工作橋結(jié)構(gòu)、公路橋結(jié)構(gòu)、啟閉機(jī)房等結(jié)構(gòu)的安全性評價。

（2）閘壩工程不宜采用將閘墩和底板分開的分離式結(jié)構(gòu)。不論單孔或多孔聯(lián)成一體的閘壩工程，均宜為整體結(jié)構(gòu)，其中底板、胸墻、牛腿、閘墩、啟閉機(jī)排架常為空間結(jié)構(gòu)，為此1級、2級閘壩的下部結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)有限元整體空間結(jié)構(gòu)計算成果進(jìn)行安全性評價，簡支的上部板梁結(jié)構(gòu)也可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)法計算成果進(jìn)行安全評價。

（3）巖基或砂礫地基上的閘壩，不同于土基上的閘壩，不能再采用彈性地基梁法計算底板應(yīng)力，按《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦的基床系數(shù)法計算，往往也會帶來較大誤差。如湖北恩施金龍灘水電站5孔開敞式泄洪閘，寬72 m，高26 m，長23 m，上下游水頭差12 m，3級建筑物，灰?guī)r基礎(chǔ)。接基床系數(shù)法計算需2 m厚鋼筋混凝土底板，三維有限元計算復(fù)核，表明原設(shè)計安全度較大，只需按構(gòu)造配筋。施工中由于地方群眾阻撓，基坑無法正常施工，為了安全度汛，汛前搶澆了0.8～1.4 m厚鋼筋混凝土底板，有人擔(dān)心結(jié)構(gòu)安全，結(jié)果在惡劣工況下運行一年多，結(jié)構(gòu)安然，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)裂縫，這似乎說明《水閘設(shè)計規(guī)范》適用范圍擴(kuò)大到基巖后，相應(yīng)的計算方法和計算參數(shù)可能存在不匹配之處，也說明對巖基上的閘壩，采用有限元法進(jìn)行閘底板結(jié)構(gòu)計算更合理。

（4）開敞式弧形閘門閘墩受力條件復(fù)雜，不只是偏心受拉結(jié)構(gòu)，還是受扭構(gòu)件，是一塊一邊固定三邊自由且受閘門約束的彈性矩形板，《水閘設(shè)計規(guī)范》推薦采用彈性力學(xué)方法進(jìn)行分析，目前許多閘壩仍用傅作新-沈潛民的彈性力學(xué)應(yīng)力計算法進(jìn)行設(shè)計。

1959年結(jié)合江蘇二河閘設(shè)計，傅作新-沈潛民的彈性力學(xué)應(yīng)力計算法把中墩簡化為中心受拉平板，把邊墩簡化為平面彎曲板，利用彈性力學(xué)原理推導(dǎo)。該方法把推力除以中墩和邊墩厚度，得出單位寬度閘墩推力，該推力分解為P、Q、力矩M三個分量，將閘墩分成若干個矩形格子，然后建立物理方程，以變位連續(xù)性求解各格子平均應(yīng)力和方向。該方法只計算高寬比為5∶8和5∶10兩種尺寸比例的中墩及邊墩，P=100 t，Q=100 t，M=100 t-m時的應(yīng)力，其他比尺時按比例內(nèi)插，其他荷載按比例放大。由于該方法只能考慮弧門推力作用，不能考慮中墩一側(cè)關(guān)門一側(cè)過水的工況，也不能考慮迎水面水壓、墩側(cè)面水壓作用，更不能考慮承受水壓力的胸墻作用和溫度影響，是一個受單純弧門推力作用下的平面應(yīng)力問題的彈性力學(xué)解，采用上述計算方法，配筋較大。如蓮麓水電站泄洪閘弧形閘門的閘墩，按傅教授彈性力學(xué)方法配置的預(yù)應(yīng)力錨索的拉錨系數(shù)為常規(guī)的1.5～1.8倍，即使應(yīng)力松弛35%，拉力仍有富裕。

（5）帶胸墻閘室結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，《水閘設(shè)計規(guī)范》把它簡化為彈性地基梁上框架，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法或彈性力學(xué)方法計算。由于把空間結(jié)構(gòu)簡化為彈性地基梁上框架，本身就帶來較大的誤差，再加上規(guī)范缺少相應(yīng)計算公式和附表，較難執(zhí)行。特別當(dāng)巖基上的水閘高度、胸墻高度及上下水頭加大后，20～30 m高的胸墻，實際成了嵌固在順?biāo)鞣较騽偠群艽箝l墩上的一個承受巨大水荷載的深梁，整個閘室實際成為一個建于基巖上的頗為復(fù)雜的超靜定的空間結(jié)構(gòu)，再把它簡化為一個單寬的彈性地基上的框架，其誤差可能更大。

基于上述原因，考慮到現(xiàn)有彈性地基梁上部結(jié)構(gòu)計算中許多不完善的因素，再加上溫度影響較難考慮，在胸墻式水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中，出現(xiàn)五花八門的計算方法。一些工程把胸墻視為兩端固支的單寬梁，不計溫度應(yīng)力，與閘底板、閘墩分開計算；有的把底板簡化為簡支基礎(chǔ)板，把閘墩簡化為懸臂梁；有的考慮基巖并非土體，特別是出于預(yù)應(yīng)力閘墩計算的需要，采用有限元法進(jìn)行閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計。

近期興建的帶胸墻水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中，計算方法明顯不同，計算結(jié)果和配筋有較大差異，有的工程超量配筋，拉錨系數(shù)高達(dá)3.68～4.91，有的工程配筋不足，已出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)性裂縫。

綜上所述，適應(yīng)閘壩空間結(jié)構(gòu)特點，在閘壩結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣有限元計算方法是必然之路?？紤]到閘壩有限元計算中有關(guān)材料及力學(xué)參數(shù)以及計算方法中某些不完善之處，參見同類工程運用狀況，在有限元計算基礎(chǔ)上，采用工程類比法進(jìn)行閘壩結(jié)構(gòu)設(shè)計和評價是當(dāng)前現(xiàn)實之法。

（6）當(dāng)弧形閘門承受水推力大于35 000 kN，或閘墩混凝土出現(xiàn)較大拉應(yīng)力時，應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力閘墩，宜按三維有限元計算成果配置預(yù)應(yīng)力錨索。根據(jù)班多電站及其他電站預(yù)應(yīng)力閘墩經(jīng)驗，控制拉錨系數(shù)以大于1.8為宜。安全評價時，應(yīng)評價預(yù)應(yīng)力錨索張拉質(zhì)量，根據(jù)應(yīng)力松弛狀況評價閘墩受力狀態(tài)。

7　消能安全評價

（1）閘壩的消能安全評價包括消能防沖設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、消能型式、消能工結(jié)構(gòu)安全性、下游護(hù)岸工程等的安全性評價。

（2）根據(jù)閘壩地基地質(zhì)情況、河流水文及泥沙特點、樞紐布置方式、設(shè)計水頭、防洪調(diào)度及閘門開啟方式等，評價消能方式（底流、面流、戽流、挑流等）及消能設(shè)施結(jié)構(gòu)尺寸等選擇的合理性。

（3）閘壩下游消能防沖設(shè)施必須在各種可能出現(xiàn)的水力學(xué)條件下都能滿足消能及均勻擴(kuò)散水流的要求，且與下游河道及水面良好銜接。下游河岸不應(yīng)發(fā)生嚴(yán)重沖刷、河勢不宜發(fā)生明顯變化。

除設(shè)計工況外，尚應(yīng)評價小于設(shè)計流量但有較大水頭差等不利工況下，消能設(shè)施的安全性。關(guān)注宣泄常遇洪水時及閘門開啟關(guān)閉過程中跌流的流態(tài)及消能效果。

（4）在夾有較大礫石的多推移質(zhì)河流上的閘壩工程，應(yīng)兼顧消能與防沖蝕要求，優(yōu)選消能和抗沖結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化流道抗沖蝕能力，并視水頭的大小、推移質(zhì)礦物成分、顆粒尺寸及含量，適度增大溢流前沿長度、降低單寬流量、降低流速，也可采用剛性或柔性裾板消力池消能。當(dāng)泄洪能量不十分大時，也可不設(shè)消力池，而采用抗沖耐磨的漿砌卵石、鋼板或鋼軌襯砌、鑄石混凝土、硅粉混凝土等結(jié)構(gòu)型式，將斜坡式護(hù)坦與下游直接連接。

不設(shè)消力池僅采用抗沖護(hù)坦時，護(hù)坦后，宜設(shè)防沖墻，墻后宜設(shè)柔性海漫消能。

閘壩的消能安全評價，應(yīng)同時關(guān)注泄洪消能安全及抗沖蝕破壞要求，檢查排沙設(shè)施和抗沖蝕的措施及運行狀況，檢查泄洪排沙調(diào)度程序的執(zhí)行狀況。

（5）根據(jù)閘壩下游沖坑發(fā)育及護(hù)岸運行狀況，分析河勢發(fā)展趨勢，評價消能效果及對閘壩及下游河道安全的影響。

8　結(jié)語

由于設(shè)計、施工質(zhì)量不同，運行的環(huán)境條件不同，每座閘壩工程既有共性問題，也往往有突出的個性問題。安全評價是針對具體工程所進(jìn)行的現(xiàn)狀評價，評價過程中既要遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)范，又要正視規(guī)范本身的發(fā)展，尊重客觀實際，綜合工程地質(zhì)條件、工程設(shè)計、施工質(zhì)量、監(jiān)測成果和運行性態(tài)，仔細(xì)分析、全面論證，科學(xué)、客觀地進(jìn)行評價。

Title:Discussion on the safety assessment of concrete gate dams//by LIU Shi-huang and NIE Guangming//China Renewable Energy Engineering Institute

The assessment items，standards and key issues in safety assessment of concrete gate dams are discussed，including the aspects such as design standards，safety in flood and seismic condition，safety of gate foundation and dam structure as well as the safety of discharge and energy dissipation.

concrete gate dam；safety assessment；assessment items

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0033-07

2015-01-20

劉世煌（1941-），男，江蘇南京人，教授級高級工程師，長年從事水利水電工程勘測、設(shè)計、科研、審查、咨詢及安全評價工作。

作者郵箱：liushihuang3320@sina.com