7.2 水閘加固工程

7.2.1 水閘計算復核

7.2.1.1 防洪標準復核

林辛閘址（臨黃堤右岸338+886）處的2043設計水平年水位為49.61m，比該閘原設計防洪水位49.79m有所降低，因此防洪標準能夠滿足要求。

7.2.1.2 水閘過流能力復核

水閘過流能力復核。因2043水平年設計防洪水位低于原閘設計防洪水位，本次過流能力復核計算內容主要是2043水平年設計水位過流能力及現狀過流能力。

2043水平年上游設計洪水位49.61m和校核洪水位50.61m時，下游水位均按東平湖較高水位44.79m；現狀按《2008年黃河中下游洪水調度方案》大河流量13500m³/s對應水位48.06m，相應下游水位44.79m進行復核計算。

該閘共15孔，每孔凈寬6m，高4m?？岔敻叱?0.79m，胸墻底高程44.79m，閘門全開時，閘門開啟高度為e=4m，為閘孔出流，根據《水力計算手冊》，其過流能力計算公式為：

式中 Q——過閘流量，m³/s；

b——閘孔單孔凈寬，m；

H₀——計入行近流速水頭的堰上水深，m，本次計算忽略行近流速；

μ——流量系數；

ε——垂直縮系數；

n——閘孔數，n取15；

σ_s——堰流淹沒系數，自由出流時 σ_s取1。

經計算，設計水位時閘孔出流流量為2166m³/s，校核水位時為2310m³/s，現狀過流時閘孔出流流量為1904m³/s，故該閘在各種工況下過流能力滿足要求。分洪閘分洪入湖，分洪時閘孔淹沒與否，取決于下游湖水位。上述分洪流量驗算時下游水位為較高湖水位44.79m，高于閘后現狀地表高程38.79m，所以現狀過流能力也滿足要求。

7.2.1.3 消能防沖復核

林辛水閘下游消能采用消力池消能，計算工況為上游設計洪水位為50.79m時，下游水位為較低湖水位41.79m。

消力池的計算主要是計算消力池的深度、長度和消力池底板的厚度，消力池深度的計算采用下列公式：

式中 T₀——以出口池底為基準面的上游總能頭，m；

q——水流出閘單寬流量，m²/s；

h′_c——收縮段面水深，m；

h_t——下游水深，m；

Δz——消力池出口水面落差，m；

h″_c——收縮水深的躍后水深，m；

b₁、b₂——消力池首、末端寬度；

σ——水躍淹沒系數，可采用1.05～1.0；

φ——消力池出流的流速系數，取0.95；

α——消水流動能校正系數，采用1.0～1.05。

消力池長度L_sj按下式計算：

L_j=6.9（h″_c-h′_c）

L_sj=L_s+（0.7～0.8）L_j

式中 L_j——自由水躍長度，m；

L_s——消力池斜坡段水平投影長度，m。

復核計算得一級消力池長26.75m，深1.54m，消力坎高0.83m；二級消力池池長17.13m，深1.01m；原一級設計消力池長40.2 m，深1.1m，消力坎高1.7m，二級消力池長度16.6m，深1.0m，綜合考慮現狀消能設施滿足要求。

7.2.1.4 海漫長度復核

海漫長度按下式計算：

式中 L_p——海漫長度，m；

K_s——海漫長度計算系數，視土質而定，本工程為壤土和黏土夾層地基，取K_s=9.5；

q_s——消力池末端單寬流量，m³/（s·m），B′為下游平均水面寬度，m；

ΔH′——上下游水位差，m。

經計算得，閘門全開時L_p=72m。

實際海漫長度為47.8m，不滿足要求，需要采取加固措施。

7.2.1.5 閘室滲流穩定復核

（1）閘基防滲排水布置分析。根據林辛進湖閘1982年改建后的竣工資料，該閘原防滲總長度為53.8m（其中黏土鋪蓋40m，閘底板長13.8m），改建后防滲段向閘后增長20m，減壓排水井改設在一級消力池后部，防滲總長度為73.8m。

原閘坐落在I₃層（輕壤中壤土層），消力池段坐落在I₄層（黏土層），按《水閘設計規范》（SL 265—2001）中滲徑系數法初估基礎防滲輪廓線長度，即：

L=CΔH

式中 L——基礎防滲輪廓線長度，m；

ΔH——上、下游水位差，m；

C——滲徑系數。

在校核防洪水位下，其上下游水位差為ΔH=11.2m，滲徑系數C=5～3（壤土層），基礎防滲長度應為56.0～34.0m。

原設計防滲長度已達73.8m，完全滿足設計要求。

綜上所述，原閘防滲排水布置滿足要求。

（2）閘基滲流穩定計算。計算方法采用《水閘設計規范》（SL 265—2001）中的改進阻力系數法。

1）土基上水閘的地基有效深度計算。按下式計算：

當時：

T_e=0.5L₀

當時：

式中 T_e——土基上水閘的地基有效深度，m；

L₀——地下輪廓的水平投影長度，m，L₀=106.6m；

S₀——地下輪廓的垂直投影長度，m，S₀=8.7m。

當計算的T_e值大于地基實際深度時，T_e值應按地基實際深度采用。

林辛分洪閘項目中，因=39.3&gt；5，故T_e=0.5L₀=36.9m。

由地質報告可知，Ⅱ層為本區較厚的黏土層（厚度3～2m以上），可作為本區的相對隔水層，故地基實際深度應采用13m。

2）分段阻力系數計算。分段阻力系數的計算采用下式：

進出口段：

內部垂直段：

水平段：

式中 ζ₀、ζ_y、ζ_x——進出口段、內部垂直段、水平段的阻力系數；

S——齒墻或板樁的入土深度，m；

T——地基有效深度或實際深度，m；

L_x——水平段的長度，m；

S₁、S₂——進出口段齒墻或板樁的入土深度，m。

林辛進湖閘可分段為：進口段、內部水平段1、內部垂直段1、內部水平段2、內部垂直段2、內部水平段3（水平段+傾斜段）、內部水平段4和出口段幾部分，經計算，各段阻力系數分別為：

ζ_0進=0.491，ζ_x1=3.077，ζ_y1=0.037，ζ_x2=1.022，ζ_y2=0.015，ζ_x3=0.608，ζ_x4=1.017，ζ_0出=0.465。

3）各分段水頭損失的計算。各分段水頭損失按下式計算：

式中 h_i——各分段水頭損失值，m；

ζ_i——各分段的阻力系數。

當內部水平段的底板為傾斜，其阻力系數

ζ^s=αζ^x

式中 α——修正系數；

T₁、T₂——小值一端和大值一端的地基深度。

經計算，各段水頭損失值分別為：h_0進=0.813m，h_x1=5.096m，h_y1=0.061m，h_x2=1.693m，h_y2=0.024m，h_x3=1.006m，h_x4=1.685m，h_0出=0.771m。

4）各分段水頭損失值的局部修正。進出口段修正后的水頭損失值按下式計算：

式中 h′₀——進出口段修正后水頭損失值，m；

h₀——進出口段水頭損失值，m；

β′——阻力修正系數，當計算的β′≥1.0時，采用β′=1.0；

S′——底板埋深與板樁入土深度之和，m；

T′——板樁另一側地基透水層深度，m。

經計算，β′_0進=0.696，β′_0出=0.749。

則修正后水頭損失：h′_0進=0.554m，h′_0出=0.432m。

修正后水頭損失的減小值Δh按下式計算：

Δh=（1-β′）h₀

故進、出口各修正后水頭損失的減小值分別為：Δh_進=0.259m，Δh_出=0.339m。

水平段及內部垂直段水頭損失值的修正，由于h_x1、h_x4均大于Δh，故內部垂直段水頭損失值可不加修正，水平段的水頭損失值按下式修正：

h′_x=h_x+Δh

式中 h_x——水平段的水頭損失值，m；

h′_x——修正后的水平段水頭損失值，m。

經計算，h′_x1=5.356m，h′_x4=2.024m。

5）閘基滲透穩定計算。水平段及出口段滲流坡降值按下式計算：

水平段：

出口段：

式中 J_x、J₀——水平段和出口段的滲流坡降值；

h′_x、h′₀——水平段和出口段的水頭損失值，m。

經計算，J_xmax=0.214，J_0出=0.539。

本工程閘基坐落在I₃層（輕壤中壤土層），消力池段坐落在I₄層（黏土層），由《水閘設計規范》（SL 265—2001）表6.0.4的水平段和出口段的允許滲流坡降值，可知：

［J_x］=0.25～0.35，［J₀］=0.60～0.70

故工程現有閘基的水平段、減壓井出口段滲流坡降值均能滿足規范要求，閘基抗滲穩定滿足要求。

7.2.1.6 閘室穩定復核計算

（1）基本資料。

建筑物等級：一級水工建筑物；

設計擋水水位：49.79m；

校核擋水水位：50.79m；

擋水時的下游水位：39.64m；

閘室基底面與地基之間的摩擦系數：0.35；

上游閘底板高程：39.89m；下游閘底板高程：39.17m；

渾水容重：12.5kN/m³；淤沙浮容重：8kN/m³。

（2）工況組合。按照《水閘設計規范》（SL 265—2001）的要求，將荷載組合分為基本組合和特殊組合兩類，基本組合為設計洪水位和上下游無水兩種情況，特殊組合為校核洪水位和設計洪水位+地震兩種情況。各種情況的荷載計算均依據水閘現狀。其荷載組合見表7.2-1。

（3）計算方法。根據《水閘設計規范》（SL 265—2001），土基上的閘室穩定計算應滿足下列要求：沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數在基本組合情況下不小于1.35，在特殊組合情況下校核洪水位時不小于1.20、設計洪水位+地震時不小于1.10。

根據《水閘設計規范》（SL 265—2001），閘室抗滑穩定安全系數計算公式為：

式中 K_c——沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；

∑H——作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；

f——閘室基底面與地基間的摩擦系數。

由于該閘底板下采用鉆孔灌注樁基礎，因此驗算沿閘室底板底面的抗滑穩定性應計入樁體的抗剪斷能力。因此，上述公式分子項中應計入樁體材料抗剪斷強度與樁體橫截面面積的乘積。

根據《水閘設計規范》（SL 265—2001），閘室基底應力按下列公式計算：

式中 P_max、P_min——閘室基底應力的最大值和最小值，kPa；

∑G——作用在閘室上的全部豎向荷載（包括揚壓力），kN；

∑M_x——作用在閘室上的豎向和水平荷載對基礎底面垂直水流方向形心軸x的力矩，kN·m；

A——閘室基底面的面積，m²；

W_x——閘室基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸x的面積矩，m³。

（4）計算成果。閘室底板采用分離式，所以閘室穩定按邊跨、中跨兩種情況分別進行計算，計算得到的基底應力結果作為鉆孔灌注樁的復核提供依據。計入樁體的抗剪斷能力后，單樁抗剪斷能力（僅考慮混凝土的抗剪能力）為0.07×7.5×3.14×425²=297760N。中跨總樁數為30根，總的抗剪斷力為8932.8kN，在不計底板摩擦力時最小K_c=1.45，大于規范要求的1.35；邊跨為48根樁，總的抗剪斷力為14292.48kN，在不計底板摩擦力時最小K_c=1.46，大于規范要求的1.35；用以上值求出的抗滑穩定安全系數在不計入摩擦力時K_c大于規范允許值。因此該閘的抗滑穩定滿足要求。

其穩定計算成果見表7.2-2、表7.2-3。

7.2.1.7 結構安全復核

（1）計算內容及方法。根據《水閘設計規范》（SL 265—2001）及《水閘安全鑒定規定》（SL 214—98）相關規定，水閘結構安全復核部位主要包括閘室段的邊墩和底板，中墩所受荷載對稱，受力較小，可不進行復核。

計算內容包括結構內力計算和正常使用極限狀態下計算正截面裂縫寬度驗算。

根據《林辛閘改建加固工程竣工圖》、《水工混凝土結構設計規范》（SL 191—2008）及相關混凝土結構計算理論，對林辛水閘的結構進行安全復核計算。

（2）計算模型。水閘邊墩簡化為固結在底板上的懸臂梁，底板下有鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基，結構計算采用樁基承臺。

（3）計算參數。計算荷載包括自重荷載、機架橋荷載、水壓力、揚壓力和土壓力、地震慣性力等，機架橋及上部啟閉機房、啟閉機的重力通過排架柱傳到閘墩上；混水容重取γ_w=12.5kN/m³，清水容重取γ_w=10kN/m³；揚壓力為滲透壓力與浮托力之和。邊墩后回填壤土，干容重為15kN/m³，濕容重18.5kN/m³，飽和容重20kN/m³。閘室混凝土標號為150號。

（4）計算工況及荷載組合。

邊墩：分別在閘門前和閘門后取單寬懸臂板，由于邊墩上游回填黏土防滲，按墩后無水考慮，取最危險工況-地震工況計算。計算荷載包括：土壓力+自重+上部結構自重+地震慣性力。

底板：取單寬板條計算。經計算，完建期地基應力最大，因此，取完建工況為計算工況。計算表荷載包括：自重+樁頂荷載。

（5）計算成果。承載能力極限狀態的配筋計算結果，及正常使用極限狀態的裂縫寬度驗算結果見表7.2-4。

由表7.2-4可看出：邊墩、底板配筋面積和裂縫寬度均滿足《水工混凝土結構設計規范》（SL 191—2008）規定的要求。

7.2.2 水閘加固設計

（1）胸墻和閘墩混凝土表面有麻面現象，混凝土脫落的處理。水閘混凝土表面的麻面和脫落，屬于凍融剝蝕，采取的修補方法“鑿舊補新”，即清除受到剝蝕作用損傷的老混凝土，澆筑回填能滿足特定耐久性要求的修補材料。“鑿舊補新”的工藝為：清除損傷的老混凝土→修補體與老混凝土接合面的處理→修補材料的澆筑回填→養護。

本閘缺陷混凝土的修補材料選用丙乳砂漿，丙乳砂漿與普通砂漿相比，具有極限拉伸率提高1～3倍，抗拉強度提高1.35～1.5倍，抗拉彈模降低，收縮小，抗裂性顯著提高，與混凝土面、老砂漿及鋼板黏結強度提高4倍以上，2d吸水率降低10倍，抗滲性提高1.5倍，抗氯離子滲透能力提高8倍以上等優異性能，使用壽命基本相同，且具有基本無毒、施工方便、成本低，以及密封作用，能夠達到防止老混凝土進一步碳化，延緩鋼筋銹蝕速度，抵抗剝蝕破壞的目的。

具體加固措施為：對缺陷混凝土進行鑿毛，鑿毛深度約等于保護層，用高壓水沖洗干凈，要求做到毛、潮、凈；采用丙乳膠漿凈漿打底，做到涂布均勻；人工涂刷丙乳砂漿，表面抹平壓光；進行養護。

（2）止水橡膠老化脫落的處理。兩岸橋頭堡與邊墩間不均勻沉降致使該處橡膠止水帶拉裂、橡膠止水年久老化；本次加固對原橡膠止水帶采用更換新止水帶處理，選用651型橡膠止水帶，同時更換錨栓和鋼壓條。

（3）海漫長度不足的處理。根據計算，海漫實際長度比理論計算值短25m，針對海漫長度不足的加固措施，進行以下兩個方案的比選。

方案一：拆除原防沖槽及其兩側弧形擋墻；將原干砌石海漫段沿10度擴散角，向后順延25m；在加長的干砌石海漫末端新設防沖槽，新設防沖槽長度和斷面尺寸同原設計，即上口寬13.8m，下口寬0.6m，高2.8m。同時延長兩側漿砌石擋墻，擋墻斷面同原設計，墻頂寬0.5m，墻底寬3.8m，高5m。

方案二：對原防沖槽進行加固；海漫長度不足，將無法有效地削減水流余能，會對閘后渠道造成沖刷破壞。但該閘為泄洪閘，海漫以后為東平湖庫區的灘地，不存在渠道，因此，可以考慮對原防沖槽進行加固。防沖槽為堆石結構，槽頂與海漫頂面齊平，槽底高程決定于沖刷深度。堆石數量應遵循以能安全覆蓋沖刷坑的上游坡面，防止沖坑向上游發展而危及海漫結構安全的原則，防沖槽斷面見圖7.2-1，可按下游河床沖至最深時控制，石塊坍塌在沖刷坑上游坡面所需要的面積A=tL確定。

式中 d_m——海漫末端河床沖刷深度，m；

t——沖坑上游護面厚度，即堆石自然形成的護面厚度，按t≥0.5選??；

m——坍落的堆石形成的邊坡系數，可取m=2～4。

式中 q_m——海漫末端單寬流量，m³/（s·m）；

［v₀］——河床土質允許不沖流速；

h_m——海漫末端河床水深。

對海漫加長和不加長兩方案進行了沖刷深度計算，其結果見表7.2-5；計算結果表明，海漫不加長，沖刷深度比海漫加長深0.69m。對沖坑上游坡面不同護坡厚度和不同坡比情況下拋石槽的計算見表7.2-6。

方案二結論：原防沖槽截面面積為26.24m²，大于表7.2-6經驗公式計算值的絕大多數。表明防沖槽是安全的，不需要加固。

方案三：類似工程經驗；林辛閘與石洼閘相鄰，地質條件相同，上下游水位和水頭差均相近，閘孔尺寸相同，林辛閘的消能防沖設計可以參考石洼的經驗。經查證石洼閘1976年改建時的設計資料：《石洼閘改建加固技施設計》與《海漫長度試驗報告》。有以下結論：石洼進湖閘初步設計中，根據公式計算，海漫長度達70m以上，為了較合理的確定海漫長度，進行了不同海漫長度的局部沖刷比較試驗，試驗結果為當海漫長度超過50m，對減小局部沖刷深度作用已不顯著，設計時可按50m考慮。林辛閘現狀海漫長度47.8m滿足試驗成果要求，不再加固。

海漫長度不足處理結論：經過以上三個方案的分析，表明海漫計算長度雖然小于經驗計算值，但試驗表明海漫長度是合適的，防沖槽也是安全的。因此，不再采取加固措施。