松林节制闸安全检测及复核计算分析

张恺跃，吴 瑶，张泽颖，李 萌

（1.北京市城市河湖管理处，北京 100000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100000）

1 工程概况

松林节制闸始建于1950年，分别于1977年和2007年完成改扩建。现有松林节制闸位于北护城河上段（西直门北大街—松林闸）末端、松林船闸右侧，是北环水系北护城河段综合治理工程的一部分，其主要功能为防洪和供水。

松林节制闸闸室为开敞式钢筋混凝土结构，单孔，闸孔净宽6.0 m，闸墩厚1.2 m，墩顶高程47.80 m。闸室底板长度12.0 m，底板顶高程42.02 m，底板厚度1.2 m。工作闸门为舌瓣式平板钢闸门，闸门尺寸为6.0 m×4.6 m，设计闸门总重9.5 t，采用QH-2×100型固定式卷扬启闭机控制启闭闸门，启闭机容量2×100 kN。

闸室上游设置三段C25钢筋混凝土铺盖，每段长度 10.0 m，上游第1、2 段铺盖厚度0.4 m，第3段铺盖厚度1.0 m。闸室下游设置斜坡段及消力池，长度分别为12.0 m、15.0 m，消力池深度1.0 m。消力池底板及下游护坦分别设置3排A50、A100排水孔，采用PVC管，管内填充豆石，排水孔顺水流方向孔距为2.0 m。

最近一次改扩建于2005年10月开工，由北京市京水工程建设有限责任公司承建。开挖时测量人员严格控制开挖高程和基础坡比，留足10 cm由人工挖至设计基础高，严禁超挖，节制闸基础齿槽由人工修出，齿槽坡比为1∶1。闸基础部分区域采用砂砾料和豆石进行处理。由于开挖处在冬季，开挖后对基础面进行保温。节制闸管理房基础为桩基，采用人工挖孔桩，成桩过程中部分桩基有较大渗水，对桩基础进行了固结灌浆处理。

松林节制闸混凝土浇筑基本采用泵送入仓，由于浇筑时正值冬季，为保证混凝土质量，根据设计指标提出专门用于冬季施工混凝土配合比，在混土拌和物中掺加防冻剂，对混凝土出机温度进行严格控制，对成型的混凝土采取暖棚养护，养护温度控制在22℃左右。

2 松林节制闸安全检测

2.1 混凝土结构安全检测

2.1.1 混凝土安全检测内容

检测内容如下：

（1）混凝土外观缺陷检查；

（2）混凝土碳化深度检测；

（3）混凝土强度检测；

（4）钢筋保护层厚度检测；

（5）钢筋锈蚀状况检测；

（6）混凝土内部质量检测。

2.1.2 混凝土结构安全检测结论

（1）通过检测，水闸整体状况较好，闸室内部没有看到明显的异常沉降、倾斜和滑移等现象。

（2）上、下游边墙混凝中有大量的纵向裂缝，自底部向上延伸，下游边墙水位变化区0.3 m范围内混凝土存在冻融剥蚀现象。

（3）松林节制闸混凝土结构整体存在着的碳化现象。

（4）根据钢筋锈蚀状况检测结果并结合碳化深度及钢筋保护层厚度综合判断，水闸混凝土结构内主要受力钢筋应未出现锈蚀。

（5）左边墩、右边墩墙混凝土内部质量良好，未发现明显内部缺陷。

2.2 松林节制闸金属结构与机电设备检测

2.2.1 金属结构与机电设备检测内容

根据水闸安全评价导则要求，对其露顶式平面舌瓣钢闸门和固定卷扬式启闭机进行检测。检测内容如下：

（1）闸门外观检测；

（2）闸门腐蚀量检测；

（3）闸门焊缝无损探伤；

（4）启闭力检测；

（5）启闭机现状检测；

（6）启闭机运行状况检测。

2.2.2 金属结构与机电设备检测结论

（1）松林节制闸闸门各部分无损伤变形问题，闸门运行正常，状态完好；门槽及埋件完好，周边混凝土未见异常；闸门底槛完好；闸门泄水时水流流态正常，闸门运行状况良好；闸门构件局部区域存在锈迹或锈蚀。

（2）闸门腐蚀量主要位于0.2～0.5 mm，频数为84.8%；闸门面板、主横梁、纵（边）梁、小横梁平均腐蚀量分别为0.34 mm、0.36 mm、0.36 mm、0.35 mm，平均腐蚀速率为0.024～0.026 mm/a；闸门总体平均腐蚀量为 0.35 mm，平均腐蚀速率为0.025 mm/a。

（3）闸门所有受检焊缝均未发现有裂纹和超标缺陷存在。

（4）实际测得闸门最大启门力为89.8 kN，小于启闭机的额定启闭力2×50 kN；实测闸门最小闭门力为-12.6 kN，闸门可以依靠自重完成关闭；两个吊点的吊力均衡。

（5）启闭机及配套组件整体运行良好；电动机绝缘电阻等均满足规范要求，电气设备无明显异常现象，启闭机左起升机构

（6）启闭机电动机三相电流及其不平衡度、三相电压及其不平衡度、电动 机转速、电动机温升、电动机绝缘电阻等均满足规范要求。

（7）现场检测时，启闭机运行基本平稳，除左侧吊点负荷限制装置失去作用外，启闭机运行控制功能基本正常；现场检测运行完成后，启闭机机构、机械零部件、结构件无损坏，各联接处无松动现象，电气设备无明显异常现象。左侧压电式传感器信号线破断，负荷限制装置失去作用。

3 松林节制闸安全复核计算

3.1 过流能力复核

松林节制闸工程位于北护城河上段（西直门北大街—松林闸）末端、松林船闸右侧，是北环水系北护城河段综合治理工程的一部分。松林船闸兼有泄洪及行船双重功能，当遇到二十年及其以上洪水时，与松林节制闸联合运用担负下泄洪水的任务。

松林船闸和节制闸闸孔过流能力复核计算结果见表1。

表1 闸孔过流能力复核结果统计表

复核计算了闸孔过流能力后，在以上两种情况下，闸孔净宽符合过流能力的要求。

3.2 渗流安全复核

松林节制闸闸址位于永定河冲洪积扇中部，地形较平坦，地面高程47.76～47.97 m，场地类别为Ⅱ类，场区地层不存在地震液化问题。场区主要被为第四系冲洪积地层所覆盖，地质结构主要为粘、砂双层结构，上部为粘质粉土或粉质粘土，下部以粉砂为主。地层岩性自上而下分别为：①杂填土，广泛分布于地表，层底高程43.17～45.15 m，层厚2.8～4.8 m；②粘质粉土层，层底高程31.83～40.33 m，层厚0.5～7.5 m，地基承载力标准值为110 kPa；③粉砂层，该层中下部夹有中砂、砾砂及薄层圆砾，该层厚度较大，地基承载力标准值为180 kPa；④粉质粘土，层底高程19.20～29.55 m，层厚2.3～14.0 m，地基承载力标准值为180 kPa；⑤粉砂，层底高程17.50～18.77 m，层厚0.5～2.1 m（未揭穿）；⑥粉质粘土，钻孔揭露深度6.1 m。松林节制闸采用上游水平铺盖的防渗方案。上游正常运行水位为46.50 m，下游水位42.50 m；上游50年一遇设计洪水位为46.00 m，下游设计洪水位为44.15 m；上游100年一遇校核洪水位为46.50 m，下游水位44.38 m。由于松林节制闸无渗流监测相关数据，设计洪水和校核洪水时上下游水位差均小于正常蓄水位时，本次渗流安全复核考虑正常蓄水时的较不利工况即上游水位46.50 m、下游水位42.50 m，通过使用改进阻力系数法的方式完成了松林节制闸的渗流安全复核计算。

3.2.1 各分段阻力系数和渗压水头损失

将闸基地下轮廓划分为11段，如图1所示。在不利工况下由改进阻力系数法计算得到各段阻力系数和渗压水头损失，见表2。

表2 不利工况下各分段阻力系数和渗压水头损失

图1 渗流计算分段示意图

3.2.2 绘制渗压水头分布图

根据各段水头损失，即可绘出该工况下上游铺盖及闸室渗压水头分布图，如图2所示。

图2 计算工况渗压水头分布图（单位:m）

3.3.3 闸底板水平段和出口处渗透坡降计算

根据《水闸设计规范》SL265-2016规定，验算水闸基底抗渗稳定稳定时，要求水平段和出口段的渗透坡降分别小于表6.0.4规定的值。

松林节制闸底板水平段平均渗透坡降为：

松林节制闸渗流出口处平均渗透坡降为：

上述工况下渗透坡降计算值见表3。

表3 松林节制闸渗流出口处及水平段渗透坡降计算结果

根据《水闸设计规范》（SL265-2016）表6.0.4，由于渗流出口处设置了滤层（一层编织袋+200 mm厚豆石+200 mm厚粗砂），表6.0.4所列水平段和出口段渗流坡降允许值可加大30%。正常蓄水位工况下出口段渗透坡降计算值为0.206，底板水平段渗透坡降计算值为0.076，均小于规范允许值。

3.3 闸室稳定复核

3.3.1 计算工况与荷载组合

作用在水闸上的荷载可分为基本和特殊荷载两种，荷载组合分为基本和特殊组合两类，根据松林节制闸实际情况，此次闸室稳定复核计算基本组合和特殊组合计算工况均按较不利工况考虑，主要包括正常蓄水位工况、校核洪水位工况及地震工况等三种工况。

基本组合复核计算工况为正常蓄水位工况即上游正常运行水位46.50 m，下游水位42.02 m（下游无水）。

特殊组合计算工况包括两种：①校核洪水位工况，上游100年一遇洪水位46.50 m，下游水位44.38 m；②地震工况，上游正常蓄水位46.50m，下游水位42.02m，考虑地震荷载。

计算闸室稳定和基底应力时的荷载组合见表4。

表4 荷载组合表

闸室稳定计算主要荷载包括闸室自重、水重、静水压力、扬压力、风压力、浪压力及地震荷载等。基本风压取0.45 kN/m2，浪压力按《水闸设计规范》（SL265-2016）附录E的规定计算。闸区地震动峰值加速度为0.2 g，相应的地震基本烈度为Ⅷ度，作用在水闸上的地震惯性力和地震动水压力按《水工建筑物抗震设计标准》（GB51247-2018）中5.5.9条和7.1.12条的规定计算。闸室地基承载力不小于160kPa。水压力计算特征水位见表5。

表5 特征水位表

3.3.2 计算结果

正常运行水位工况、校核洪水位工况及地震工况等3种工况下，闸室稳定计算结果见表6。

表6 闸室稳定计算结果表

上述计算结果说明：

（1）闸室基底应力平均值为87.7～92.0 kPa，小于地基允许承载力160 kPa；闸室基底应力最大值124.3 kPa，小于地基允许承载力160 kPa的1.2倍。

（2）闸室基底的应力不均匀系数在正常运行水位工况、校核洪水位工况以及地震工况下均小于规范要求的允许值，满足要求。

（3）闸室抗滑稳定安全系数大于规范容许值，闸室安全稳定。

3.4 消能防冲复核

松林节制闸的消力池长度15 m，底板高程40 m，厚度1.2 m。

松林节制闸的上游设计正常运行水位46.5 m，相应下游水位42.5 m；50年一遇设计上游洪水位46.00 m，下游水位44.15 m；100年一遇校核洪水位46.50 m，下游水位44.38 m。根据SL214-2015《水闸安全评价导则》4.4.11规定，消能防冲安全复核应根据近期规划数据、现状河床情况，运行条件和运行方式，按照《水闸设计规范》（SL265-2016）附录B规定执行。本次消能防冲安全复核内容包括消力池深度、消力池长度以及海漫长度复核。

3.4.1 消力池深度

结果见表7。

表7 消能防冲复核计算结果

消力池深度满足要求。

3.4.2 消力池长度计算

水跃长度校正系数β取0.8计算，结果见表8。

表8 消能防冲复核计算结果

消力池长度分别需要12.79 m和14.01 m，现状闸室长度为15.0 m，满足长度要求。

3.4.3 海漫长度计算

松林节制闸的闸址（北护城河上段末端）在永定河冲洪积扇中部，该场区地质主要为粘、砂双层结构，上部是粘质粉土或粉质粘土。海漫长度计算系数Ks取为11.0。

由表9海漫长度计算结果可知，海漫长度分别需要31.94 m、34.87 m，海漫长度满足要求。

表9 海漫长度计算结果

3.5 启闭机及机电设备安全复核

（1）闸门启闭机为2×100 kN固定卷扬式启闭机，选型满足工程需要。

（2）启闭机为室外露天布置，启闭机外设不锈钢铁皮罩壳防护；启闭机行程控制装置及负荷限制装置等安全保护装置配备齐全，其中启闭机左起升机构左侧压电式传感器信号线破断，负荷限制装置失去作用。

（3）舌瓣式平板钢闸门采用2×100 kN固定卷扬式启闭机，配套电动机为YZ160M2-6三相交流异步电动机，电动机选型满足工程需要。

（4）启闭机设现地操作控制柜及一层操作控制柜各一套，运行控制功能正常。

（5）启闭机电动机三相电流及其不平衡度、三相电压及其不平衡度、电动机转速、温升和定子三相对地绝缘电阻均满足规范要求。

4 结论及建议

4.1 结论

（1）运行中发现部分质量缺陷，主要集中在水闸金属结构上，通过大修能够满足工程运行要求。

（2）松林节制闸安全复核计算结果显示，满足现行规范标准。

4.2 建议

（1）对混凝土结构的裂缝、剥蚀等病害进行及时处理，对水位变化区混凝土可采取防护材料喷涂等手段延缓病害发生。

（2）对金属结构进行除锈、防腐、更新等处理措施，同时要继续加强闸门保养维护，保证闸门外观及运行状态良好。对启闭机负荷限制装置进行修复，以恢复完好状态。