董 瑩 劉 坤 徐亞萍 陳燦明 鄭圣義

上六圩閘現(xiàn)場檢測、復(fù)核計算與安全評估分析

董 瑩1劉 坤1徐亞萍1陳燦明2鄭圣義3

一、概況

江蘇省靖江市上六圩閘位于長江大堤上，為3孔中型閘，鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，中孔為通航孔，凈寬7.0m；兩側(cè)邊孔凈寬3.0m（縱剖面如圖1）。中孔為升臥式平面鋼閘門，配2×160kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)；兩側(cè)邊孔為平面直升鋼閘門，配1×100kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，設(shè)計引排流量為104m3/s。1999年10月通過驗(yàn)收，由靖江市江河堤閘管理處負(fù)責(zé)日常運(yùn)行管理。根據(jù)水利部有關(guān)規(guī)定，水閘實(shí)行定期安全鑒定制度，首次安全鑒定應(yīng)在竣工驗(yàn)收后5年內(nèi)進(jìn)行，以后應(yīng)每隔10年進(jìn)行一次全面安全鑒定，為此該閘進(jìn)行了首次全面安全鑒定。本文主要介紹上六圩閘安全鑒定的內(nèi)容、方法和主要結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查檢測、復(fù)核計算和安全評估，并經(jīng)省水利主管部門組織鑒定，上六圩閘被評定為二類閘。

二、現(xiàn)場檢測

采用現(xiàn)場巡視檢查和測量、水下探摸、資料分析和材質(zhì)參數(shù)與機(jī)電參數(shù)檢測等方法，查明水閘的質(zhì)量缺陷、運(yùn)行損傷和老化病害等。

1.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物

閘室主要鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量良好，無明顯施工缺陷，各結(jié)構(gòu)間聯(lián)接完好，無結(jié)構(gòu)性裂縫，也無順筋開裂、混凝土鼓脹等老化病害。但中孔二側(cè)閘墩混凝土表面擦痕較多，左、右側(cè)面各有一處0.90m×0.60m和0.50m× 0.60m混凝土破損，右側(cè)面有一長0.20m鋼筋外露；交通橋兩端連接處有明顯不均勻沉降。

上、下游翼墻施工質(zhì)量較好，翼墻表面無結(jié)構(gòu)性裂縫，也無順筋開裂、混凝土鼓脹等老化病害；翼墻與水閘邊墩間、一、二級翼墻的結(jié)構(gòu)段間無明顯水平錯位和不均勻沉降；上、下游灌砌石護(hù)坡和漿砌石護(hù)坡總體完好，無明顯破損。但上、下游翼墻左右兩側(cè)弧彎處均有船舶碰撞擦痕。

2.材質(zhì)參數(shù)檢測

檢測混凝土抗壓強(qiáng)度、混凝土碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度等指標(biāo)，檢測結(jié)果表明：閘墩、胸墻和翼墻等主要鋼筋混凝土構(gòu)件混凝土強(qiáng)度為31.3～34.6MPa，均達(dá)到設(shè)計要求，也滿足現(xiàn)行規(guī)范對耐久性的要求；混凝土碳化深度0.5～3.5mm、平均1.6～2.3mm，鋼筋保護(hù)層厚度24～69mm、平均33.6～55.5mm，表明水閘不會出現(xiàn)碳化引起的鋼筋銹蝕等老化病害。

3.水下探摸檢查

通過潛水員進(jìn)行了水下探摸檢查，上、下游灌砌塊石護(hù)坦無淤積，無塊石缺失，總體完好；消力池完好，無破損、露筋現(xiàn)象，消力池內(nèi)無淤積；左、右兩側(cè)翼墻水下部分無損壞，相鄰墻體分縫無錯位，縫中填充物完好；閘室底板光滑，無明顯破損，上、下游閘室底板與消力池伸縮縫處分縫完好，縫中填充物完好。

4.鋼閘門

對鋼閘門外觀形態(tài)、銹蝕狀況和焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測和探傷，主要結(jié)果為：①鋼閘門整體狀況較好，閘門主輪、吊耳裝置等零部件齊全、完好，聯(lián)接牢固，止水橡皮無明顯老化和龜裂。②門體構(gòu)件表面涂層基本完好，閘門主軌、側(cè)軌存在一般銹蝕。③閘門整體呈均勻銹蝕，主要構(gòu)件平均銹蝕速率0.039～0.049mm/a。④中閘門縱梁后翼緣最大變形18mm，長約350mm；背拉桿最大變形15mm，長約1300mm；左側(cè)側(cè)導(dǎo)軌板最大變形95mm，長約800mm，聯(lián)接部位局部已脫開。⑤閘門焊縫局部有少量焊瘤、咬邊等外觀缺陷，中閘門主橫梁腹板對接焊縫有一處超標(biāo)的制作缺陷（未焊透），缺陷最大當(dāng)量RL+4dB。

5.啟閉機(jī)機(jī)械零部件檢測

啟閉機(jī)主要由電動機(jī)、制動器、減速器、聯(lián)軸器、傳動軸、開式齒輪副、卷筒、滑輪組、鋼絲繩、開度指示及行程控制系統(tǒng)等組成。經(jīng)檢查啟閉機(jī)設(shè)備運(yùn)行、保養(yǎng)狀況良好，電氣線路布置規(guī)范，電氣系統(tǒng)接地可靠。主要問題為：①啟閉機(jī)開式齒輪副大、小齒輪齒面存在磨損、剝蝕及擠壓變形等現(xiàn)象。②啟閉機(jī)兩級斜齒圓柱齒輪減速器內(nèi)高速級雙聯(lián)齒輪副齒面存在磨損、擠壓變形現(xiàn)象。③中孔閘門關(guān)閉時啟閉機(jī)卷筒上鋼絲繩纏繞為3圈，不滿足規(guī)范要求。④鋼絲繩存在斷股、斷絲、繩芯擠出及鋼絲繩松散、起鼓等現(xiàn)象。

6.啟閉機(jī)電氣參數(shù)檢測

對啟閉機(jī)電動機(jī)的電流、電壓、絕緣電阻、溫升等進(jìn)行檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足安全運(yùn)行要求，具體結(jié)果如下：①中孔三相電流18.7～20.9A，不平衡度4.0%～6.5%。兩邊孔三相電流6.9～8.0A，不平衡度 5.3%～8.1%。②相電壓395～399V，不平衡度0.3%～0.5%。③電動機(jī)絕緣電阻（三相總對地）為10～70MΩ。④啟閉機(jī)運(yùn)行10min后（環(huán)境溫度20℃）電動機(jī)溫升約1℃。

7.電器設(shè)備檢測

檢測的上六圩閘主要電器設(shè)備的電器參數(shù)均滿足安全運(yùn)行要求，具體結(jié)果為：①變壓器絕緣電阻吸收比為1.35（高壓側(cè)對低壓側(cè)加地）、1.52（低壓側(cè)對高壓側(cè)加地）；變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)直流電阻為 18.87～19.10Ω、0.0210～0.0236Ω，折算到75度時最大偏差值為0.71%、0.65%；變壓器接地電阻3.05Ω。②主配電柜交流接觸器觸點(diǎn)電阻1.550～4.630mΩ，主配電柜接地電阻3.75Ω。③啟閉機(jī)控制柜交流接觸器觸點(diǎn)電阻為1.80～9.70mΩ，啟閉機(jī)電機(jī)電纜絕緣電阻 300～1000MΩ；啟閉機(jī)控制柜接地電阻為0.288Ω。④啟閉機(jī)三相鼠籠異步電機(jī)電樞繞組對地絕緣電阻330～370MΩ，接地電阻為0.288Ω。

8.觀測資料分析

上六圩閘在上、下游、閘身及二側(cè)控制室共埋設(shè)沉降觀測點(diǎn)53處，每年進(jìn)行一次閘體沉降觀測及河床沖淤觀測，實(shí)測結(jié)果為：2008年7月～2011 年7月三年間水閘各觀測點(diǎn)沉降為0.1～1.2mm，說明水閘地基已基本穩(wěn)定；上下游河床變形相對穩(wěn)定，河床及上、下游引河沖淤基本平衡，無明顯的沖刷或淤積現(xiàn)象。

圖1 上六圩閘縱斷面示意圖

三、復(fù)核計算

對水閘的閘頂高程、抗?jié)B、過流能力、消能防沖、抗滑穩(wěn)定以及地基應(yīng)力和不均勻系數(shù)等進(jìn)行計算復(fù)核，主要復(fù)核結(jié)果為：

1.閘頂高程復(fù)核

因水閘位于長江大堤上，依據(jù)規(guī)范最高擋水位工況下安全超高應(yīng)不低于0.40m，波浪要素的估算采用官廳水庫公式。根據(jù)計算，上六圩閘的門頂高程應(yīng)不低于6.88m，實(shí)際中閘門門頂高程 6.90m，邊孔胸墻頂高程7.40m，閘頂高程滿足防洪要求。

2.抗?jié)B復(fù)核

按最大水頭差情況（水位差4.30m）分別采用勃萊系數(shù)法和改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行抗?jié)B復(fù)核。

閘基礎(chǔ)為砂壤土夾砂土薄層，按現(xiàn)行規(guī)范要求的最小滲徑長度為38.70m，實(shí)際地下滲透輪廓線長度46.0m，故勃萊系數(shù)法復(fù)核的該閘抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

根據(jù)改進(jìn)阻力系數(shù)法計算，上六圩閘下游消力池段、閘底板水平段、上游消力池水平段的滲流坡降分別為0.100、0.069、0.099，均小于規(guī)范允許滲流坡降值0.25，出口段的滲流坡降為0.339，小于規(guī)范允許滲流坡降值0.40，抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.水閘過流能力復(fù)核

上六圩閘設(shè)計排澇流量104.0m3/s，相應(yīng)水位組合為上游2.20m、下游1.90m。按堰流基本公式計算復(fù)核的設(shè)計水位組合時過閘流量為105.47m3/s，滿足設(shè)計要求。

4.消能防沖復(fù)核

復(fù)核包括消力池和海漫兩部分，計算工況為排澇期和引水期。經(jīng)計算，消力池深度計算值0.43m，實(shí)有值0.50m；長度計算值11.73m，實(shí)有值14.50m；底板厚度計算值0.59m，實(shí)有值0.50m；上游海漫長度計算值29.16m，實(shí)有值40.00m；下游海漫長度計算值25.00m，實(shí)有值30.00m；各計算值均小于實(shí)有值，滿足消能防沖要求。

5.穩(wěn)定復(fù)核

穩(wěn)定復(fù)核包括閘室和翼墻整體抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力和地基應(yīng)力不均勻系數(shù)計算。經(jīng)計算，最不利水位組合時閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 1.32，地基應(yīng)力42.39～107.10kPa，符合要求。地基應(yīng)力不均勻系數(shù)2.53，略大于規(guī)范允許值2.50，由于采用樁基礎(chǔ)加固，應(yīng)視為滿足要求。

最不利水位組合時下游翼墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 1.55，地基應(yīng)力 70.97～152.29kPa，地基應(yīng)力不均勻系數(shù)1.94；上游翼墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.30，地基應(yīng)力43.68～98.05kPa，最大地基應(yīng)力不均勻系數(shù)1.98，均符合規(guī)范要求。

6.鋼閘門復(fù)核

根據(jù)現(xiàn)場外觀檢查和銹蝕檢測結(jié)果，采用Super SAP程序?qū)λや撻l門在現(xiàn)狀條件下最不利水位組合時的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行復(fù)核計算。計算時根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，將面板、主橫梁、縱梁、邊梁、底梁等離散為板單元，支承主輪軸離散為梁單元，建立閘門結(jié)構(gòu)有限元計算模型，計算結(jié)果表明：①主橫梁腹板軸線方向最大正應(yīng)力σx為135.3MPa，垂直于軸線方向最大正應(yīng)力σy為30.5MPa、最大剪應(yīng)力τ為58.9MPa、最大折算應(yīng)力σzh為129.5MPa，后翼緣軸線方向最大正應(yīng)力σx為141.3MPa、最大折算應(yīng)力σzh為153.6MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力值。②縱梁垂直于軸線方向最大正應(yīng)力σy為100.6MPa，縱梁軸向最大正應(yīng)力σz為112.6MPa，縱梁最大剪應(yīng)力τ為45.3MPa、縱梁最大折算應(yīng)力σzh為122.9MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力值。③邊梁垂直于軸線方向最大正應(yīng)力σy為150.2MPa、軸向最大正應(yīng)力σz為-132.0MPa、最大剪應(yīng)力τ為69.2MPa、最大折算應(yīng)力σzh為158.5MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力值。④小橫梁最大正應(yīng)力σx為83.8MPa，小于相應(yīng)的容許應(yīng)力值。⑤面板最大折算應(yīng)力為143.1MPa，小于面板折算應(yīng)力容許值。⑥根據(jù)規(guī)范，對于表孔工作閘門（中孔）和潛孔式工作閘門（邊孔），主橫梁最大撓度與計算跨度的比值不應(yīng)超過1/600和1/750，其主橫梁最大撓度容許值為12.17mm 和4.8mm。計算的鋼閘門橫梁最大撓度8.92mm和2.49mm，閘門主橫梁剛度滿足要求。

四、安全評估

目前水閘評價方法主要有整體評估法、模糊集論評估法、結(jié)構(gòu)可靠度法、專家系統(tǒng)法、灰色評估法、綜合評估法、實(shí)用鑒定評級法以及與其他學(xué)科相交叉的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、經(jīng)濟(jì)分析法、風(fēng)險分析法等。

此次選擇實(shí)用鑒定評級法對上六圩閘進(jìn)行評估，根據(jù)各部分安全性、適用性和耐久性的檢查、檢測及復(fù)核計算結(jié)果，逐項(xiàng)對照評級?？煽啃澡b定評級劃分為子項(xiàng)目、項(xiàng)目和評定單元三個層次，每個層次劃分為四個等級進(jìn)行評定。

主要設(shè)備設(shè)施安全評定等級為：閘室、胸墻、排架、工作橋、上游消力池、上下游護(hù)坦、上下游引河、管理房、下游護(hù)坡和電器評為A級，可正常維護(hù)。閘墩、鋼閘門、啟閉機(jī)、上游護(hù)坡、上下游翼評為B級，可對破損構(gòu)件進(jìn)行維修或更換。

水閘評定等級為二類閘。

五、結(jié)論與建議

靖江上六圩閘是一座以蓄水灌溉和排澇為主，兼有通航、陸路交通和調(diào)水沖污等綜合效能的中型水利工程，運(yùn)行十多年后進(jìn)行了首次全面安全鑒定。通過對水閘工程現(xiàn)狀的調(diào)查，現(xiàn)場檢測、觀測資料分析、復(fù)核計算和評估分析后認(rèn)為，上六圩閘整體質(zhì)量較好，主體結(jié)構(gòu)沒有明顯的缺陷和影響正常運(yùn)行的損傷，水閘穩(wěn)定無沉降，復(fù)核計算的主要指標(biāo)能達(dá)到規(guī)范要求，僅有部分設(shè)備設(shè)施存在局部老化，依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水閘安全鑒定規(guī)定》（SL214-98）的有關(guān)規(guī)定，并經(jīng)省水利主管部門組織鑒定，上六圩閘評定為二類閘。

對水閘定期進(jìn)行安全鑒定，對于加強(qiáng)水閘安全管理，及時消除安全隱患、保障水閘安全運(yùn)行具有重要意義

（作者單位：1.江蘇省靖江市水利局214500 2.南京水利科學(xué)研究院210029 3.河海大學(xué) 210098）