高碑店节制闸安全检测及复核计算

金 泽 桂 彬 时连仲 李 萌

（1.北京市城市河湖管理处，北京 100089；2.中国水利水电科学研究院，北京 100089）

1 工程概况

高碑店节制闸是北京市通惠河上的一座中型水闸，主要用于城区通惠河景观用水，保证通航水位，汛期能够及时宣泄北京市城区及西郊大部分地区的洪水的要求，是关系首都城市水景观、防洪安全和城市人们生活的重要水工建筑物。高碑店节制闸全闸共4孔，每孔净宽7 m，底板厚1.5 m，沿流线长12 m。节制闸二十年一遇设计流量434 m3/s，百年一遇校核流量640 m3/s。工作闸门为舌瓣式平板钢闸门，闸门总高为5 m，舌瓣挡水高1 m，启闭机为2×15 t固定卷扬式弧门启闭机。

2 高碑店节制闸安全检测

2.1 混凝土结构安全检测

（1）混凝土安全检测内容。

根据《水闸安全评价导则》（SL 214—2015）要求，本次对高碑店节制闸混凝土结构安全检测项目主要包括混凝土外观缺陷检查、混凝土强度检测（回弹法和钻芯法）、混凝土碳化深度检测、钢筋保护层厚度检测、钢筋锈蚀状况检测、典型裂缝深度检测、混凝土内部质量检测。

（2）混凝土结构安全检测结论。

①水闸整体外观状况较好，部分混凝土结构存在剥蚀、胀裂、箍筋外露等情况。闸室未出现明显的异常沉降、倾斜和滑移等情况。混凝土强度检测结果满足设计要求，混凝土内部质量较好，无明显缺陷。

②闸墩及上下游翼墙均存在多道裂缝，裂缝宽度在0.2～2.3 mm之间，最大缝深43.7 cm，已超过钢筋保护层厚度。

③混凝土结构均存在一定程度的碳化，碳化深度可超过30 mm。工作桥框架梁混凝土碳化最深，最大的碳化深度达31.3mm，平均碳化深度超过20 mm。

④根据钢筋锈蚀抽样检测结果并结合碳化深度及钢筋保护层厚度综合判断，水闸混凝土结构主要受力钢筋应未出现钢筋锈蚀，但部分结构箍筋已发生锈蚀。

2.2 高碑店节制闸金属结构安全检测

（1）金属结构安全检测内容。

根据水闸安全评价导则要求，对其平板定轮闸门和固定卷扬式启闭机进行检测。本次对高碑店闸金属结构的检测项目包括巡视检查、闸门外观形态及腐蚀状况检测、启闭机性能状态检测考核、焊缝超声波检测。

（2）金属结构安全检测结论。

①高碑店节制闸4套固定卷扬式启闭机总体保养状况较好，设备运行噪声超出允许值；大、小齿轮及制动轮硬度均未达到标准要求。

②高碑店节制闸4扇闸门启闭正常，闸门及埋件均存在锈蚀；闸门止水水封老化龟裂，止水螺栓锈秃；闸门主支撑轮已锈死，无法转动；闸门舌瓣部分由于长期过水，背水面锈蚀非常严重；闸门挡水时，均存在不同限度的漏水现象。

3 高碑店节制闸安全复核计算

3.1 水闸抗渗稳定性复核

高碑店节制闸渗流复核计算应用改进阻力系数法，是在独立函数、分段法和阻力系数法等方法的基础上综合发展的一种精度较高的近似计算方法。

（1）闸址地质情况。

高碑店节制闸所在地区土层自上而下分别为饱和软塑砂黏和黏砂、饱和可塑砂黏土、粉砂层。

（2）各分段水头损失。

铺盖及闸室地下轮廓一共化为12段。在设计洪水位和校核洪水位工况下，由阻力系数法计算得到各段水头损失。

渗流计算分段如图1所示。

图1 渗流计算分段

上游校核洪水位情况下的闸室底板渗压水头分布如图2所示。

图2 设计和校核洪水工况下闸室底板渗压水头分布（单位：m）

（3）闸底板水平段渗透坡降和渗流出口处坡降计算。

底板水平段平均渗透坡降：

渗透出口处平均渗透坡降：

两种工况下二者渗透坡降值如表1所示。

表1 各工况下闸室底板水平段及渗流出口处坡降

根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），渗流出口处砂黏土的允许渗流坡降值[J0]可取0.5，因渗流出口处设有垫层，该值可增加30%至0.65，由此可见在两种水位情况下计算坡降值小于允许值。水平段基础换填沙砾料和砂壤土的允许渗流坡降值[J0]分别为0.13～0.17和0.15～0.25，在两种工况下坡降值均小于允许值，满足现行规范要求。

各工况下分段水头损失统计如表2所示。

表2 各工况下分段水头损失统计

3.2 闸室稳定复核

闸室稳定计算的荷载组合分为基本组合和特殊组合两类。基本荷载组合包括水闸及固定设备自重、设计洪水位下的水重、设计洪水位下的静水压力、设计洪水位下闸底板的浮托力和渗透压力、浪压力等。特殊荷载组合包括水闸及固定设备自重、校核洪水位下的水重、校核洪水位下的静水压力、校核洪水位下闸底板的浮托力和渗透压力、浪压力和地震力等。在基本组合中取设计洪水位工况；特殊组合中取校核洪水位和设计洪水位+地震工况。在计算中保守地未将闸上房屋的重量计算在内。

浪压力按《水闸设计规范》（SL 265—2001）规定计算，北京市50年一遇风速取28 m/s（按基本风压值0.45 kN/m2反算）。

闸室稳定计算结果见如表3所示。

表3 闸室稳定计算结果统计

（1）闸室基底应力平均值小于地基允许承载力200 kPa；闸室基底应力最大值也小于地基允许承载力200 kPa的1.2倍。

（2）闸室基底的应力不均匀系数在设计洪水位工况、校核洪水位工况以及设计洪水位+地震荷载工况下比规范要求的允许值小，满足要求。

（3）闸室抗滑安全系数均大于允许的数值，满足规范要求，说明闸室安全稳定。

3.3 水闸过流能力复核

闸孔出流与堰流的区分，主要根据过闸水面是否受闸门（或胸墙）的影响判断。闸门开度与堰上水头比值小于等于0.65时，为闸孔出流；闸门开度与堰上水头比值大于0.65时，为堰流。本次复核采用闸门全部开启和半开两种情况分别验算闸孔净宽，即采用堰流和孔流两种工况分别验算。

（1）平底闸堰流时的闸孔总净宽计算方法。对于平底闸，为堰流时，闸孔总净宽计算：

（2）闸孔出流时的闸孔总净宽计算方法。

有胸墙的水闸或开敞式水闸闸门部分开启时，过闸水流表面受到上部胸墙或闸门的影响，此时过闸水流为孔流状态，其闸孔总净宽计算：

闸孔过流能力复核计算结果如表4所示。

表4 闸孔过流能力复核结果统计

复核计算结果表明，在上述三种工况下闸孔净宽均满足过流能力要求。

3.4 消能防冲复核

（1）消力池计算。

消力池深度：

将式（14）移项变为：

该式属于收敛的迭代公式，用循环迭代方法可以求hc。消力池长度计算：

式中：Lsj——消力池长度（m）；Ls——消力池斜坡段水平投影长度（m）；β——水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8，计算采用0.75；Lj——水跃长度（m）。

（2）海曼长度计算。

式中：Lp——海漫长度（m）；qs——消力池末端单宽流量（m2/s）；Ks——海漫长度计算系数。

（3）计算结果。

根据消能计算原理和闸室、消力池的实际布置形式，三种不同工况计算结果如表5所示。

表5 消能防冲复核计算结果 单位：m

由此可见，在三种不同洪水水位工况下，消力池深度、长度以及海漫长度均能满足消能要求。

4 结语

高碑店节制闸工程质量检测结果满足标准要求，部分混凝土构件存在剥蚀、裂缝、箍筋外露等问题，部分金属构件锈蚀较重。高碑店节制闸安全复核计算结果均满足现行规范标准。

（1）对破损的混凝土结构采用聚合物砂浆等材料及时修复，对裂缝进行灌浆处理，对混凝土结构整体进行防碳化处理，防止碳化深度进一步发展。

（2）对锈蚀的金属结构及时进行除锈防腐处理，对锈蚀严重的金属构件及时进行更换。

（3）结合水闸整体运行情况，应及时开展相关的除险加固工程。