7.2 水闸加固工程

7.2.1 水闸计算复核

7.2.1.1 防洪标准复核

林辛闸址（临黄堤右岸338+886）处的2043设计水平年水位为49.61m，比该闸原设计防洪水位49.79m有所降低，因此防洪标准能够满足要求。

7.2.1.2 水闸过流能力复核

水闸过流能力复核。因2043水平年设计防洪水位低于原闸设计防洪水位，本次过流能力复核计算内容主要是2043水平年设计水位过流能力及现状过流能力。

2043水平年上游设计洪水位49.61m和校核洪水位50.61m时，下游水位均按东平湖较高水位44.79m；现状按《2008年黄河中下游洪水调度方案》大河流量13500m³/s对应水位48.06m，相应下游水位44.79m进行复核计算。

该闸共15孔，每孔净宽6m，高4m。坎顶高程40.79m，胸墙底高程44.79m，闸门全开时，闸门开启高度为e=4m，为闸孔出流，根据《水力计算手册》，其过流能力计算公式为：

式中 Q——过闸流量，m³/s；

b——闸孔单孔净宽，m；

H₀——计入行近流速水头的堰上水深，m，本次计算忽略行近流速；

μ——流量系数；

ε——垂直缩系数；

n——闸孔数，n取15；

σ_s——堰流淹没系数，自由出流时 σ_s取1。

经计算，设计水位时闸孔出流流量为2166m³/s，校核水位时为2310m³/s，现状过流时闸孔出流流量为1904m³/s，故该闸在各种工况下过流能力满足要求。分洪闸分洪入湖，分洪时闸孔淹没与否，取决于下游湖水位。上述分洪流量验算时下游水位为较高湖水位44.79m，高于闸后现状地表高程38.79m，所以现状过流能力也满足要求。

7.2.1.3 消能防冲复核

林辛水闸下游消能采用消力池消能，计算工况为上游设计洪水位为50.79m时，下游水位为较低湖水位41.79m。

消力池的计算主要是计算消力池的深度、长度和消力池底板的厚度，消力池深度的计算采用下列公式：

式中 T₀——以出口池底为基准面的上游总能头，m；

q——水流出闸单宽流量，m²/s；

h′_c——收缩段面水深，m；

h_t——下游水深，m；

Δz——消力池出口水面落差，m；

h″_c——收缩水深的跃后水深，m；

b₁、b₂——消力池首、末端宽度；

σ——水跃淹没系数，可采用1.05～1.0；

φ——消力池出流的流速系数，取0.95；

α——消水流动能校正系数，采用1.0～1.05。

消力池长度L_sj按下式计算：

L_j=6.9（h″_c-h′_c）

L_sj=L_s+（0.7～0.8）L_j

式中 L_j——自由水跃长度，m；

L_s——消力池斜坡段水平投影长度，m。

复核计算得一级消力池长26.75m，深1.54m，消力坎高0.83m；二级消力池池长17.13m，深1.01m；原一级设计消力池长40.2 m，深1.1m，消力坎高1.7m，二级消力池长度16.6m，深1.0m，综合考虑现状消能设施满足要求。

7.2.1.4 海漫长度复核

海漫长度按下式计算：

式中 L_p——海漫长度，m；

K_s——海漫长度计算系数，视土质而定，本工程为壤土和黏土夹层地基，取K_s=9.5；

q_s——消力池末端单宽流量，m³/（s·m），B′为下游平均水面宽度，m；

ΔH′——上下游水位差，m。

经计算得，闸门全开时L_p=72m。

实际海漫长度为47.8m，不满足要求，需要采取加固措施。

7.2.1.5 闸室渗流稳定复核

（1）闸基防渗排水布置分析。根据林辛进湖闸1982年改建后的竣工资料，该闸原防渗总长度为53.8m（其中黏土铺盖40m，闸底板长13.8m），改建后防渗段向闸后增长20m，减压排水井改设在一级消力池后部，防渗总长度为73.8m。

原闸坐落在I₃层（轻壤中壤土层），消力池段坐落在I₄层（黏土层），按《水闸设计规范》（SL 265—2001）中渗径系数法初估基础防渗轮廓线长度，即：

L=CΔH

式中 L——基础防渗轮廓线长度，m；

ΔH——上、下游水位差，m；

C——渗径系数。

在校核防洪水位下，其上下游水位差为ΔH=11.2m，渗径系数C=5～3（壤土层），基础防渗长度应为56.0～34.0m。

原设计防渗长度已达73.8m，完全满足设计要求。

综上所述，原闸防渗排水布置满足要求。

（2）闸基渗流稳定计算。计算方法采用《水闸设计规范》（SL 265—2001）中的改进阻力系数法。

1）土基上水闸的地基有效深度计算。按下式计算：

当时：

T_e=0.5L₀

当时：

式中 T_e——土基上水闸的地基有效深度，m；

L₀——地下轮廓的水平投影长度，m，L₀=106.6m；

S₀——地下轮廓的垂直投影长度，m，S₀=8.7m。

当计算的T_e值大于地基实际深度时，T_e值应按地基实际深度采用。

林辛分洪闸项目中，因=39.3&gt；5，故T_e=0.5L₀=36.9m。

由地质报告可知，Ⅱ层为本区较厚的黏土层（厚度3～2m以上），可作为本区的相对隔水层，故地基实际深度应采用13m。

2）分段阻力系数计算。分段阻力系数的计算采用下式：

进出口段：

内部垂直段：

水平段：

式中 ζ₀、ζ_y、ζ_x——进出口段、内部垂直段、水平段的阻力系数；

S——齿墙或板桩的入土深度，m；

T——地基有效深度或实际深度，m；

L_x——水平段的长度，m；

S₁、S₂——进出口段齿墙或板桩的入土深度，m。

林辛进湖闸可分段为：进口段、内部水平段1、内部垂直段1、内部水平段2、内部垂直段2、内部水平段3（水平段+倾斜段）、内部水平段4和出口段几部分，经计算，各段阻力系数分别为：

ζ_0进=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）各分段水头损失的计算。各分段水头损失按下式计算：

式中 h_i——各分段水头损失值，m；

ζ_i——各分段的阻力系数。

当内部水平段的底板为倾斜，其阻力系数

ζ^s=αζ^x

式中 α——修正系数；

T₁、T₂——小值一端和大值一端的地基深度。

经计算，各段水头损失值分别为：h_0进=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）各分段水头损失值的局部修正。进出口段修正后的水头损失值按下式计算：

式中 h′₀——进出口段修正后水头损失值，m；

h₀——进出口段水头损失值，m；

β′——阻力修正系数，当计算的β′≥1.0时，采用β′=1.0；

S′——底板埋深与板桩入土深度之和，m；

T′——板桩另一侧地基透水层深度，m。

经计算，β′_0进=0.696，β′_0出=0.749。

则修正后水头损失：h′_0进=0.554m，h′_0出=0.432m。

修正后水头损失的减小值Δh按下式计算：

Δh=（1-β′）h₀

故进、出口各修正后水头损失的减小值分别为：Δh_进=0.259m，Δh_出=0.339m。

水平段及内部垂直段水头损失值的修正，由于h_x1、h_x4均大于Δh，故内部垂直段水头损失值可不加修正，水平段的水头损失值按下式修正：

h′_x=h_x+Δh

式中 h_x——水平段的水头损失值，m；

h′_x——修正后的水平段水头损失值，m。

经计算，h′_x1=5.356m，h′_x4=2.024m。

5）闸基渗透稳定计算。水平段及出口段渗流坡降值按下式计算：

水平段：

出口段：

式中 J_x、J₀——水平段和出口段的渗流坡降值；

h′_x、h′₀——水平段和出口段的水头损失值，m。

经计算，J_xmax=0.214，J_0出=0.539。

本工程闸基坐落在I₃层（轻壤中壤土层），消力池段坐落在I₄层（黏土层），由《水闸设计规范》（SL 265—2001）表6.0.4的水平段和出口段的允许渗流坡降值，可知：

［J_x］=0.25～0.35，［J₀］=0.60～0.70

故工程现有闸基的水平段、减压井出口段渗流坡降值均能满足规范要求，闸基抗渗稳定满足要求。

7.2.1.6 闸室稳定复核计算

（1）基本资料。

建筑物等级：一级水工建筑物；

设计挡水水位：49.79m；

校核挡水水位：50.79m；

挡水时的下游水位：39.64m；

闸室基底面与地基之间的摩擦系数：0.35；

上游闸底板高程：39.89m；下游闸底板高程：39.17m；

浑水容重：12.5kN/m³；淤沙浮容重：8kN/m³。

（2）工况组合。按照《水闸设计规范》（SL 265—2001）的要求，将荷载组合分为基本组合和特殊组合两类，基本组合为设计洪水位和上下游无水两种情况，特殊组合为校核洪水位和设计洪水位+地震两种情况。各种情况的荷载计算均依据水闸现状。其荷载组合见表7.2-1。

（3）计算方法。根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），土基上的闸室稳定计算应满足下列要求：沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数在基本组合情况下不小于1.35，在特殊组合情况下校核洪水位时不小于1.20、设计洪水位+地震时不小于1.10。

根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），闸室抗滑稳定安全系数计算公式为：

式中 K_c——沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；

∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载，kN；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载，kN；

f——闸室基底面与地基间的摩擦系数。

由于该闸底板下采用钻孔灌注桩基础，因此验算沿闸室底板底面的抗滑稳定性应计入桩体的抗剪断能力。因此，上述公式分子项中应计入桩体材料抗剪断强度与桩体横截面面积的乘积。

根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），闸室基底应力按下列公式计算：

式中 P_max、P_min——闸室基底应力的最大值和最小值，kPa；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载（包括扬压力），kN；

∑M_x——作用在闸室上的竖向和水平荷载对基础底面垂直水流方向形心轴x的力矩，kN·m；

A——闸室基底面的面积，m²；

W_x——闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴x的面积矩，m³。

（4）计算成果。闸室底板采用分离式，所以闸室稳定按边跨、中跨两种情况分别进行计算，计算得到的基底应力结果作为钻孔灌注桩的复核提供依据。计入桩体的抗剪断能力后，单桩抗剪断能力（仅考虑混凝土的抗剪能力）为0.07×7.5×3.14×425²=297760N。中跨总桩数为30根，总的抗剪断力为8932.8kN，在不计底板摩擦力时最小K_c=1.45，大于规范要求的1.35；边跨为48根桩，总的抗剪断力为14292.48kN，在不计底板摩擦力时最小K_c=1.46，大于规范要求的1.35；用以上值求出的抗滑稳定安全系数在不计入摩擦力时K_c大于规范允许值。因此该闸的抗滑稳定满足要求。

其稳定计算成果见表7.2-2、表7.2-3。

7.2.1.7 结构安全复核

（1）计算内容及方法。根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）及《水闸安全鉴定规定》（SL 214—98）相关规定，水闸结构安全复核部位主要包括闸室段的边墩和底板，中墩所受荷载对称，受力较小，可不进行复核。

计算内容包括结构内力计算和正常使用极限状态下计算正截面裂缝宽度验算。

根据《林辛闸改建加固工程竣工图》、《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）及相关混凝土结构计算理论，对林辛水闸的结构进行安全复核计算。

（2）计算模型。水闸边墩简化为固结在底板上的悬臂梁，底板下有钢筋混凝土钻孔灌注桩基，结构计算采用桩基承台。

（3）计算参数。计算荷载包括自重荷载、机架桥荷载、水压力、扬压力和土压力、地震惯性力等，机架桥及上部启闭机房、启闭机的重力通过排架柱传到闸墩上；混水容重取γ_w=12.5kN/m³，清水容重取γ_w=10kN/m³；扬压力为渗透压力与浮托力之和。边墩后回填壤土，干容重为15kN/m³，湿容重18.5kN/m³，饱和容重20kN/m³。闸室混凝土标号为150号。

（4）计算工况及荷载组合。

边墩：分别在闸门前和闸门后取单宽悬臂板，由于边墩上游回填黏土防渗，按墩后无水考虑，取最危险工况-地震工况计算。计算荷载包括：土压力+自重+上部结构自重+地震惯性力。

底板：取单宽板条计算。经计算，完建期地基应力最大，因此，取完建工况为计算工况。计算表荷载包括：自重+桩顶荷载。

（5）计算成果。承载能力极限状态的配筋计算结果，及正常使用极限状态的裂缝宽度验算结果见表7.2-4。

由表7.2-4可看出：边墩、底板配筋面积和裂缝宽度均满足《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）规定的要求。

7.2.2 水闸加固设计

（1）胸墙和闸墩混凝土表面有麻面现象，混凝土脱落的处理。水闸混凝土表面的麻面和脱落，属于冻融剥蚀，采取的修补方法“凿旧补新”，即清除受到剥蚀作用损伤的老混凝土，浇筑回填能满足特定耐久性要求的修补材料。“凿旧补新”的工艺为：清除损伤的老混凝土→修补体与老混凝土接合面的处理→修补材料的浇筑回填→养护。

本闸缺陷混凝土的修补材料选用丙乳砂浆，丙乳砂浆与普通砂浆相比，具有极限拉伸率提高1～3倍，抗拉强度提高1.35～1.5倍，抗拉弹模降低，收缩小，抗裂性显著提高，与混凝土面、老砂浆及钢板黏结强度提高4倍以上，2d吸水率降低10倍，抗渗性提高1.5倍，抗氯离子渗透能力提高8倍以上等优异性能，使用寿命基本相同，且具有基本无毒、施工方便、成本低，以及密封作用，能够达到防止老混凝土进一步碳化，延缓钢筋锈蚀速度，抵抗剥蚀破坏的目的。

具体加固措施为：对缺陷混凝土进行凿毛，凿毛深度约等于保护层，用高压水冲洗干净，要求做到毛、潮、净；采用丙乳胶浆净浆打底，做到涂布均匀；人工涂刷丙乳砂浆，表面抹平压光；进行养护。

（2）止水橡胶老化脱落的处理。两岸桥头堡与边墩间不均匀沉降致使该处橡胶止水带拉裂、橡胶止水年久老化；本次加固对原橡胶止水带采用更换新止水带处理，选用651型橡胶止水带，同时更换锚栓和钢压条。

（3）海漫长度不足的处理。根据计算，海漫实际长度比理论计算值短25m，针对海漫长度不足的加固措施，进行以下两个方案的比选。

方案一：拆除原防冲槽及其两侧弧形挡墙；将原干砌石海漫段沿10度扩散角，向后顺延25m；在加长的干砌石海漫末端新设防冲槽，新设防冲槽长度和断面尺寸同原设计，即上口宽13.8m，下口宽0.6m，高2.8m。同时延长两侧浆砌石挡墙，挡墙断面同原设计，墙顶宽0.5m，墙底宽3.8m，高5m。

方案二：对原防冲槽进行加固；海漫长度不足，将无法有效地削减水流余能，会对闸后渠道造成冲刷破坏。但该闸为泄洪闸，海漫以后为东平湖库区的滩地，不存在渠道，因此，可以考虑对原防冲槽进行加固。防冲槽为堆石结构，槽顶与海漫顶面齐平，槽底高程决定于冲刷深度。堆石数量应遵循以能安全覆盖冲刷坑的上游坡面，防止冲坑向上游发展而危及海漫结构安全的原则，防冲槽断面见图7.2-1，可按下游河床冲至最深时控制，石块坍塌在冲刷坑上游坡面所需要的面积A=tL确定。

式中 d_m——海漫末端河床冲刷深度，m；

t——冲坑上游护面厚度，即堆石自然形成的护面厚度，按t≥0.5选取；

m——坍落的堆石形成的边坡系数，可取m=2～4。

式中 q_m——海漫末端单宽流量，m³/（s·m）；

［v₀］——河床土质允许不冲流速；

h_m——海漫末端河床水深。

对海漫加长和不加长两方案进行了冲刷深度计算，其结果见表7.2-5；计算结果表明，海漫不加长，冲刷深度比海漫加长深0.69m。对冲坑上游坡面不同护坡厚度和不同坡比情况下抛石槽的计算见表7.2-6。

方案二结论：原防冲槽截面面积为26.24m²，大于表7.2-6经验公式计算值的绝大多数。表明防冲槽是安全的，不需要加固。

方案三：类似工程经验；林辛闸与石洼闸相邻，地质条件相同，上下游水位和水头差均相近，闸孔尺寸相同，林辛闸的消能防冲设计可以参考石洼的经验。经查证石洼闸1976年改建时的设计资料：《石洼闸改建加固技施设计》与《海漫长度试验报告》。有以下结论：石洼进湖闸初步设计中，根据公式计算，海漫长度达70m以上，为了较合理的确定海漫长度，进行了不同海漫长度的局部冲刷比较试验，试验结果为当海漫长度超过50m，对减小局部冲刷深度作用已不显著，设计时可按50m考虑。林辛闸现状海漫长度47.8m满足试验成果要求，不再加固。

海漫长度不足处理结论：经过以上三个方案的分析，表明海漫计算长度虽然小于经验计算值，但试验表明海漫长度是合适的，防冲槽也是安全的。因此，不再采取加固措施。