混凝土闸坝安全评价探讨

刘世煌，等：混凝土闸坝安全评价探讨　混凝土闸坝安全评价探讨　刘世煌　，聂广明。　（１．水利水电规划设计总院，北京，１０００１　１；　２．国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，３１００１４）　摘　要：从设计标准、防洪安全性、抗震安全性、闸基安全性、闸坝结构安全性、泄洪消能安全性等方面，对混凝土　闸坝安全评价内容、评价标准和评价重点进行了探讨，供混凝土闸坝安全评价时参考。　关键词：混凝土闸坝；安全评价；评价内容　Ｔｉｔｌｅ：Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇａｔｅ　ｄａｍｓ／／ｂｙ　ＬＩＵ　Ｓｈｉ－ｈｕａｎｇ　ａｎｄ　ＮＩＥ　Ｇｕａｎｇ—－　ｍｉｎｇ／／Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｉｔｅｍｓ。ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　ｋｅｙ　ｉｓｓｕｅｓ　ｉｎ　ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇａｔｅ　ｄａｍｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ｓａｆｅｔｙ　ｉｎ　ｌｆｏｏｄ　ａｎｄ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ｓａｆｅ．　ｔｙ　ｏｆ　ｇａｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄａｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ．　ＫｅＹ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇａｔｅ　ｄａｍ；ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｉｔｅｍｓ　中图分类号：ＴＶ６９８．１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—１０９２（２０１５）Ｏ１—００３３—０７　闸坝安全评价的依据　稳定问题外，也存在沿软弱夹层或细砂层的浅层抗　滑稳定问题。如耿达闸坝蓄水不久，沿闸基持续向　闸坝是介于水闸与混凝土重力坝之间的一种　下游位移３５　ｍｍ，闸坝不得不降低５　ｍ水头运行。　坝型，鉴于我国当前并没有专门的闸坝设计规范，　（２）由于闸坝工程大多建于基岩或砂砾石地基　闸坝工程安全评价应参照《水闸设计规范》和《混凝　上，《水闸设计规范》中相应软土地基上的弹性地基　土重力坝设计规范》。　梁的闸底板计算方法，已不适应岩基及砂砾石地基　ＳＤ１３３—８４《水闸设计规范》，是总结２Ｏ世纪　上的闸坝工程。　５０～７０年代在江苏、安徽等平原地区建设的一大批　（３）由于水头差加大，闸门推力加大、胸墙高度　水闸经验编制而成。当时闸室高度大多５—１０　ｍ，　和厚度及闸室底板和闸墩厚度相应加大，闸坝结构　闸室长８　２０　ｍ，上下游水头差４～８　ｍ，且大多为　已成为复杂的空间结构，《水闸设计规范》所推荐的　开敞式水闸。该规范适用范围为平原地区的大中　结构力学和弹性力学计算方法已不再适用，需要综　型工程中１、２、３级水闸设计，重点适用于土基上的　合工程经验与有限元计算成果进行结构设计。　水闸设计。　（４）由于闸坝自重较一般重力坝相对较轻，大　２００１年修订后的ＳＬ２６５—２００１《水闸设计规　泄量时上下游水头差较小，存在结构抗浮问题。　范》，虽然在各章节中增加了山区、丘陵区及岩基上　（５）由于水头增大，闸基渗流稳定和下游消能问　水闸设计的规定，扩大了适用范围，但由于种种原　题相对较为复杂，特别是受砂砾石抗冲流速及单宽流　因，该规范对原规范中某些重要规定和计算方法未　量的限制，闸坝的枢纽布置较土基上水闸有所不同。　做相应的修订。　近年来我国在岩基或砂砾石地基上修建了一　２设计标准评价　大批中低水头的闸坝工程。这些工程上下游水头　差、闸室结构尺寸较大，结构形式也较为复杂，有些　设计标准评价内容为：闸坝工程等别、建筑物　问题已超出《水闸设计规范》的规定，如：　级别、防洪标准和抗震设计标准是否满足现行规范　（１）由于地基条件的变化，除沿闸基存在抗滑　要求。　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ　２０１５・１大坝与安全　Ｂｙ　ＬＩＵ　Ｓｈｉ—．ｈｕａｎｇ：Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇａｔｅ　ｄａｍｓ　（１）闸坝的工程等级和防洪标准的评价本应该　应与王甫洲及崔家营电站的防洪标准协调。　（６）闸坝为中低水头建筑物，按规范规定：地震　设防烈度应与场地地震烈度相同，地震动峰值加速　度应取５０年基准期超越概率为１０％时的地震动峰　值加速度。　是一件较为简单的事情，只需依据ＧＢ　５０２０１－９４　《防洪标准》和ＤＬ５０１８—２００３（（水电枢纽工程等级划　分及设计安全规准》执行即可。但由于闸坝工程库　容不大、坝不高，常介于平原区和山区、丘陵区之　间，再加上工程开发任务较多，结构组成复杂，设计　确定闸坝等级时又往往执行不同的标准，给安全评　价工作带来较大困难。　３防洪安全性评价　防洪安全性评价应包括闸坝泄流能力、坝顶超　（２）评价闸坝级别和防洪标准时，宜首先区分　闸坝类型。对于最大挡水建筑物高度小于１５　ｍ、且　上下游水头差小于１０　ｍ的闸坝，执行平原地区工　程等级和防洪标准（如王甫洲水电站）；对最大高度　大于等于１５　ｍ、且上下游水头差大于等于１０　ｍ的　闸坝，执行山区、丘陵地区工程等级和防洪标准。　（３）失事后损失巨大或影响十分严重的２级以　下闸坝，经论证，工程等级可提高一级，防洪标准应　相应提高，但抗震设计标准不提高。　地质条件特别复杂或采用实践经验较少的新　型结构的２级以下闸坝，工程等级可提高一级，但　防洪标准和抗震设计标准不提高。　（４）山区、丘陵区厂坝分开布置的闸坝，当工程　等级仅由装机容量确定时，经论证，闸坝级别可降　低一级，相应防洪标准按降低一级后确定。　仅由水库总库容决定工程等级的闸坝，当挡水　建筑物最大水头小于３０　ｍ，且库容接近等级标准下　限，或非常洪水时上下游水位差小于２　ｍ，或壅水建　筑物最大水头小于１０　ｍ时，闸坝等级可降低一级，　防洪标准也应相应调整。　（５）梯级电站中，闸坝的防洪标准应与上下游电　站的防洪标准相互协调，既要考虑上级水库溃坝的不　利影响，也要考虑工程规模及失事后的危害程度。　新集水电站位于汉江中游，库容４．４１８亿ｍ　，日　调节水库，装机１２０　ＭＷ，挡水建筑物（土坝）最大坝　高１７．３　ｍ，属峡谷区水电站，按库容确定为２级闸　坝，相应确定设计洪水重现期为１００年，校核洪水　重现期为２　０００年。但上游王甫洲水电站库容　３．０９５亿ｍ。，挡水建筑物（土坝）最大坝高１２　ｍ，遵照　规范，按平原水库设计，相应设计洪水重现期为５０　年、校核洪水重现期为３００年，即发生超过３００年洪　水时，王甫洲土坝即将溃坝，相应下游的新集电站　土坝也将面临漫坝可能，考虑到下游崔家营电站也　系小型电站，按照规范要求，新集电站的防洪标准　高、防洪调度原则和闸门开启要求等。　（１）闸坝的泄流能力应等于或略大于调洪演算　后的泄洪要求。当闸坝工程的调洪库容较小时，为　安全计，可不进行调洪演算，直接根据溢流堰顶高　程和溢流前缘长度，复核泄洪能力、设计及校核洪　水位和坝顶高程。　设计工况时，排沙闸可参与泄洪；校核工况时，　电站不发电，不参与泄洪。　（２）水库最高库水位宜低于闸坝坝顶高程，坝　顶防浪墙高度应大于各种水位下最大风浪高度及　风浪爬高之和，且有足够安全超高。　（３）闸坝工程应严格执行防洪调度程序。宜根　据来水来沙状况及泄洪冲沙要求，合理安排闸门启　闭顺序和开度，避免闸门停留在振动较大区域内泄　洪，减少闸门振动，防止下游出现集中水流和折冲　水流等不良流态。严禁闸门顶漫流。　（４）闸坝泄洪能力小于设计要求，且难以增加　泄洪措施时，可考虑非工程措施，如电站流道过水、　提前预泄、上游水库调蓄、合理调度等。　４抗震安全评价　评价结构强度、刚度和抗震措施是否满足抗震　规范要求，工程抗震是否安全。　（１）根据汶川地震及其他地震教训，中低水头　的闸坝工程虽具有较好的抗震性能和抵御超标准　洪水能力，但震后也出现了闸门被水冲走，牛腿、闸　墩、启闭机房等上部结构严重破坏等现象，且受地　震次生灾害的影响，地面上的机电设备、管道、近坝　自然边坡等出现砸坏、掩埋、爆裂、失稳严重，甚至　发生水淹厂房等灾害。为此，抗震安全评价既要关　注结构本质安全，又要关注结构所处的环境条件是　否可能发生次生灾害等。　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｏｎ　刘世煌，等：混凝土闸坝安全评价探讨　（２）按照规范规定：８度以上地震区不宜修建分　离式闸室，可采用几孔联合成一个单元的整体结　构，抗震计算时可把一个闸坝单元作为计算对象，　研究结构抗震稳定性和结构应力状态。８度以下地　区的闸坝抗震计算可采用拟静力法，８度、９度地区　的１级、２级闸坝及地基为可液化土的１级、２级闸　坝，应采用动力法进行抗震计算。　式计算结果差异达三倍之多。鉴于该问题的复杂　性，总结国内实际使用状况，宜在对汉森公式或其　他公式进行比较后，视成果的合理性及安全性，合　理确定地基允许承载能力，相应评价闸坝基础面受　力状态。　５．１．２可液化粉细砂处理　（３）动力法计算中，可不计竖直向地震作用，闸　墩、闸顶排架柱等结构应同时计人顺水流方向和垂　砂砾石地基中常有粉细砂层，当其埋深小于　２０　ｍ，处于饱和状态时，在地震工况下就可能衰失　直河流方向地震作用，外荷载应折算成等效质量施　加于相应作用质点上。地震过程中可能产生不同　步变形的构件间，应模拟正负向动力晃动影响。　（４）在东北、西北严寒地区，冬季发生地震时，　地震荷载可能与常见冰荷载遭遇。由于冰荷载较　同等水深的水荷载大，如不设置融冰装置，弧门的　推力将明显增加，地震时由于闸门变位与闸墩变位　的不同步，可使牛腿在反复拉压作用下破坏。　（５）启闭机房及公路桥梁板与启闭台柱连接方　式对于提升闸室横向刚度作用明显，强震区不宜采　用简支方式连接，应尽量使其铰接或刚接。　（６）地基对闸坝地震反应作用明显，汶川地震　中，映秀湾、渔子溪、耿达电站在地震后，各闸段均　有不同程度的水平错位和垂直错位，其中映秀湾河　床闸段与相邻岸坡坝段垂直错位２００　ｍｍ，耿达水　平错位１０６．４　ｍｍ，垂直错位９２　ｍｍ。为减少地震时　地基变位的不利影响，各闸室宜构成一个独立的整　体式单元。　５地基安全性评价　闸坝地基常分为覆盖层（主要为砂砾石）地基　和岩石地基。闸坝工程地基安全评价包括：闸坝地　基地质条件、地基处理措施和地基运行性态。　５．１覆盖层地基　５．１．１砂砾石地基的承载能力　砂砾石地基允许承载力本是一个比较清晰的　问题，但由于砂砾石的允许承载力不仅与地基力学　参数有关，也与基础形式及尺寸、埋深等有关，还与　垂直荷载、水平荷载、边荷载状况等有关，再加上目　前砂砾石地基上允许承载力的计算公式颇多，计算　结果差异甚大。如汉江兴隆闸坝设计中发现，各公　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｏｎ　强度、液化。为了做好可液化粉细砂地基处理，首　先应严格按水利水电工程地质勘察规范，分别从砂　砾石形成年代、埋深、颗粒级配、土层剪切波速等，　初判饱和少粘性土的液化可能性，再按标准贯人锤　击数、相对密度、液性指数等复判其液化可能。　当地表以下２０　ｍ范围内存在可液化土层时，　宜区分可液化透镜体及通透液化土层，分别考虑液　化土层在地震作用下孔隙压力转化过程及土的非　线性力学特性，合理确定残余强度，根据地层特性　及结构特点，分别采用换填、压实、振冲、封闭、桩基　等处理措施，进行液化土处理，并评价抗液化措施　的合理性。　当采用连续墙或沉井封闭、或采用桩基处理　时，宜吸取新疆布哈拉水闸教训，围封深度和桩基　应嵌入非液化土层。　地震后应检查闸坝周围地面及闸坝的变形监　测成果，关注地震后地表冒水、冒沙、开裂情况，视　闸坝沉降量与不均匀变形状况、扬压力及地下水位　变化状况及闸坝破坏状况，对液化土地基处理效果　进行评价，并采取相应补强措施。　５．１．３砂砾石闸基浅层滑动　由于低水头的水闸大多建于深厚的土基上，常　不存在闸基浅层滑动问题，故《水闸设计规范》只对　沿闸基面抗滑稳定提出要求，对闸基沿浅层抗滑稳　定未提出要求。　随着闸坝高度及水头的提高，上述规定显然不　适用于砂砾石地基与岩基上的闸坝。如耿达电站　基础为砂砾石深覆盖层，３　ｍ以下为２０　ｍ厚中细砂　层，该砂砾石层摩擦角３５。，中细砂层摩擦角２５。。　自１９８８年电站运行以来，监测资料及目测均发现，　整个闸坝向下游有明显水平移动，且各闸室间有明　显沉降差：其中１号非溢流坝段与３号泄洪闸间，　２００５年实测水平位移差３５　ｍｌＴｌ。上述资料表明整　２０１５・１大坝与安全　Ｂｙ　ＬＩＵ　Ｓｈｉ—　ｈｕａｎｇ：Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇａｔｅ　ｄａｍｓ　个闸坝沿闸下中细砂层已发生明显水平滑动和垂　５．２．１承载能力　直沉降，为此决定降低５　ｍ水位运行。耿达闸坝水　平位移过程线见图１。　５．１．４砂砾石地基的变形稳定性　由于软岩及极软岩往往具有遇水软化特性，一　旦泡水极易崩解，很难取出芯样进行饱和抗压强度　试验，因而泥岩、粉砂质泥岩、粘土岩的饱和抗压强　度较为分散，相应允许承载力差异较大。但众多工　程试验结果表明：同为第三系泥岩，由于年代、组成　等原因，泥岩、粉砂质泥岩、粘土岩的饱和抗压强度　在２　ＭＰａ左右，是可行的。　５．２．２软岩遇水后力学性能的变化　ＳＬ２６５—２００１《水闸设计规范》规定：岩石地基、　砂砾石地基、标准贯入击数大于１５击的粉砂及细　砂、砂壤土和粘土地基可不进行地基沉降计算。但　耿达闸坝因砂砾石及粉细砂地基的变形，蓄水７年　后，１号非溢流坝段与３号泄洪闸间，实测垂直位移　差９　ｍｍ。因而对于深厚砂砾石地基上的闸坝，还　需要复核基础变形稳定性。　５．１．５砂砾石地基的渗流稳定　当砂砾石夹有粉细砂地层时，往往存在渗流稳　软岩软化系数低，遇水后易软化泥化，力学参　数将显著降低。安徽纪村电站坝基泥岩软化、坝基　脱空，力学参数降低，经３０年不断处理，方才正常　运行。　定问题，需要进行渗流场分析，同时关注水平段和　５．２．３软岩的卸荷回弹　出口段渗流稳定性。　为保持闸坝砂砾石地基的渗流稳定，往往需要　增长水平铺盖、垂直防渗和出口反滤保护等措施。　受周围覆盖层拉拽作用，深覆盖层上防渗墙应　力状态是一个较复杂的问题。为了减少闸坝施工　当基础开挖深度较大时，软岩地基可产生明显　卸荷回弹变形。沙坡头坝前混凝土铺盖开裂就是　一例。　５．３硬岩地基　５．３．１断层破碎带　对防渗墙应力的不利影响，也为了减少蓄水后防渗　墙与闸坝基础裂缝的产生，覆盖层上的防渗墙宜布　置于闸前护坦下，闸坝与护坦间设止水连接。　闸坝防渗墙安全评价时宜根据防渗墙变形及　应力监测成果，评价防渗墙工作性态，并根据防渗　墙前后渗压计或渗漏量监测成果及变化趋势，评价　硬岩地基中有较大断层、破碎带时，应关注断　层及破碎带的分布、产状、力学性状，关注断层破碎　带对闸坝工程安全的影响。　安全评价时应检查闸坝地基处理措施及处理　效果，对采取混凝土塞、高压固结灌浆、化学灌浆等　处理后的岩石基础，应检查闸坝基础变形、基面扬　防渗效果。关注防渗墙与闸坝连接处接缝状况及　发展，特别关注止水效果。　５．２软岩地基　压力系数、渗漏量等变化情况，检查反滤保护设施　运行状态，并依此评价闸坝地基的变形稳定与渗流　稳定。　５００　４９０磊　４８０　温度　ｏ■　慧　４６０　４５０　图１耿达电站３号泄洪闸与１号非溢流坝段水平错位过程线　Ｆｉｇ　７　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　３　ｓｌｕｉｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　７　ｎｏｎ—ｏｖｅ￣ｏｗ　ｄａｍ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｅｎｇｄａ　ｄａｍ　Ｄａｍ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　２０１５．１　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ　５．３．２软弱夹层　吸取葛洲坝电站经验教训，在对软岩及极软岩　地基上的闸坝进行安全评价时，除关注软岩及极软　岩饱水后力学特性、变形特点、抗冲刷能力、卸荷回　弹的发展趋势外，还应关注软弱夹层计算参数的合　理性，核算闸坝沿软弱夹层的抗滑稳定性，并根据　闸坝水平变位、垂直变位、基面扬压力、渗漏量、软　弱夹层性状的变化及边界条件的改变等，评价闸坝　地基的稳定性。　５．３．３坝基析出物　坝基排水孑Ｌ中有较多析出物时，应检测析出物　种类、数量及其变化，分析析出物的来源。当析出　物中的平均析钙量大于混凝土或混凝土防渗体含　ＣａＯ总量的２０％，或混凝土强度降低２５％以上时，　可视为混凝土或混凝土防渗体已发生较严重溶蚀　破坏，应进行相应补强灌浆；当析出物中铁锰质来　自断层泥，且断层力学参数降低超过２５％，或有粘　土及细砂流出时，宜视为断层已发生渗流破坏，应　采取相应补强或加固处理。　扬压力系数是判别闸坝安全性重要参数之一，　安全评价时宜考虑散粒体渗流与裂隙网络渗流的　差异，区分坝肩与河床坝段，关注扬压力系数、渗漏　量及其变化趋势。当扬压力折减系数超过设计值，　且渗漏量较大时，坝基防渗体系可能失效；当渗压　较高但渗漏量较少时，排水孔可能堵塞，宜对排水　孑Ｌ进行扫孔。　６闸坝结构安全评价　６．１整体稳定性评价　（１）闸坝整体稳定性评价包括基底承载能力评　价、沿基底面和浅层抗滑稳定、抗浮稳定、抗倾稳　定、闸坝基底渗流稳定和变形稳定性评价等。　吸取耿达闸坝教训，对建基面附近含有软弱夹　层或连续砂层的闸坝，应复核沿软弱面或砂层的浅　层抗滑稳定性，复核砂层或软弱夹层沉降变形和变　形稳定性。　（２）闸坝整体稳定性评价应首先检查计算工　况、计算荷载、荷载组合等是否符合ＳＬ２６５—２００１　《水闸设计规范》，并以开挖后地基的实测参数和实　际边界条件为准，评价闸坝整体稳定性。　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｒｌ　刘世煌，等：混凝土闸坝安全评价探讨　（３）各种地基上闸坝，均应按实际地层及力学　特性评价基底的承载力。　①岩基和坚硬砂砾石地基上的闸坝，无需进行　基底最大应力和最小应力比的判别，只要求最大压　应力不大于地基允许承载力，非地震工况下不出现　拉应力，地震工况下最大压应力不大于１．２倍地基　承载能力，最大拉应力不大于０．１　ＭＰａ。　②一般砂砾石地基上闸坝的闸基应力不均匀　系数，应以ＳＬ２６５—２００１￣水闸设计规范》中基底平均　应力和最大与最小应力的比值为基础，可适当放大。　③覆盖层上的闸坝基面允许承载能力，应根据　闸坝承受垂直荷载、水平荷载及边荷载等状况，综　合考虑基础挖深和基础形状系数等因素，在对汉森　公式或其他公式进行比较后，视成果的合理性及安　全性，确定地基允许承载能力，相应评价闸坝基础　面的受力状态。　（４）闸坝沿建基面、浅层结构面及软弱带抗滑　稳定评价，应严格执行ＳＬ２６５—２００１中有关规定，宜　考虑滑面摩阻力和粘结力，按抗剪断公式计算其抗　滑稳定安全系数。　（５）各种地基上所有闸坝，在各工况下，均应满　足抗浮稳定要求。　（６）各种地基上闸坝在各工况下均应满足整体　抗倾稳定要求。闸坝整体抗倾稳定性评价应通过　闸坝变形监测、坝基变形、坝踵、坝趾锚杆应力、测　缝计、坝基渗压及渗流等成果的时效分析，评价闸　坝的抗倾稳定性，必要时提出相应抗倾措施。　（７）各种地基上闸坝均应按规范要求，检查闸　坝地基渗透压力、渗流量、渗漏水质、析出物等状　态，根据实测资料复核地基渗流稳定。　岩基上的基底渗透压力应考虑防渗及排水效　果，以实测扬压力系数为准，按全截面折线分布，复　核设计水头下闸坝地基渗流稳定和断层中充填物　质的渗流稳定性。　砂砾石地基上的闸坝，应按防渗处理后的边界　条件，用改进阻力法或流网法或数值计算法计算扬　压力，分别判断水平段和出口段渗流稳定性，出口　段的应首先判断渗流破坏类型，进而判别流土和管　涌破坏的可能性。对于不满足渗流稳定要求的闸　坝，应相应加长渗径或增加出口反滤保护。　６＿２结构强度评价　（１）闸坝结构强度评价包括对闸坝底板、闸墩、　Ｂｙ　ＬＩＵ　Ｓｈｉ——ｈｕａｎｇ：Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｇａｔｅ　ｄａｍｓ　牛腿、启闭机排架、工作桥结构、公路桥结构、启闭　中墩一侧关门一侧过水的工况，也不能考虑迎水面　机房等结构的安全性评价。　水压、墩侧面水压作用，更不能考虑承受水压力的　（２）闸坝工程不宜采用将闸墩和底板分开的分　胸墙作用和温度影响，是一个受单纯弧门推力作用　离式结构。不论单孔或多孔联成一体的闸坝工程，　下的平面应力问题的弹性力学解，采用上述计算方　均宜为整体结构，其中底板、胸墙、牛腿、闸墩、启闭　法，配筋较大。如莲麓水电站泄洪闸弧形闸门的闸　机排架常为空间结构，为此１级、２级闸坝的下部结　墩，按傅教授弹性力学方法配置的预应力锚索的拉　构应根据有限元整体空间结构计算成果进行安全　锚系数为常规的１．５～１．８倍，即使应力松弛３５％，　性评价，简支的上部板梁结构也可根据结构力学法　拉力仍有富裕。　计算成果进行安全评价。　（５）带胸墙闸室结构是一个复杂的空间结构，　（３）岩基或砂砾地基上的闸坝，不同于土基上　《水闸设计规范》把它简化为弹性地基梁上框架，采　的闸坝，不能再采用弹性地基粱法计算底板应力，　用结构力学方法或弹性力学方法计算。由于把空　按《水闸设计规范》推荐的基床系数法计算，往往也　间结构简化为弹性地基梁上框架，本身就带来较大　会带来较大误差。如湖北恩施金龙滩水电站５孔　的误差，再加上规范缺少相应计算公式和附表，较　开敞式泄洪闸，宽７２　ｍ，高２６　ｍ，长２３　Ｉｎ，上下游水　难执行。特别当岩基上的水闸高度、胸墙高度及上　头差１２　ｍ，３级建筑物，灰岩基础。接基床系数法　下水头加大后，２Ｏ～３０　ｍ高的胸墙，实际成了嵌固　计算需２　ｍ厚钢筋混凝土底板，三维有限元计算复　在顺水流方向刚度很大闸墩上的一个承受巨大水　核，表明原设计安全度较大，只需按构造配筋。施　荷载的深梁，整个闸室实际成为一个建于基岩上的　工中由于地方群众阻挠，基坑无法正常施工，为了　颇为复杂的超静定的空间结构，再把它简化为一个　安全度汛，汛前抢浇了０．８～１．４　ｍ厚钢筋混凝土底　单宽的弹性地基上的框架，其误差可能更大。　板，有人担心结构安全，结果在恶劣工况下运行一　基于上述原因，考虑到现有弹性地基梁上部结　年多，结构安然，未发现明显结构裂缝，这似乎说明　构计算中许多不完善的因素，再加上温度影响较难　《水闸设计规范》适用范围扩大到基岩后，相应的计　考虑，在胸墙式水闸结构设计中，出现五花八门的　算方法和计算参数可能存在不匹配之处，也说明对　计算方法。一些工程把胸墙视为两端固支的单宽　岩基上的闸坝，采用有限元法进行闸底板结构计算　梁，不计温度应力，与闸底板、闸墩分开计算；有的　更合理。　把底板简化为简支基础板，把闸墩简化为悬臂梁；　（４）开敞式弧形闸门闸墩受力条件复杂，不只　有的考虑基岩并非土体，特别是出于预应力闸墩计　是偏心受拉结构，还是受扭构件，是一块一边固定　算的需要，采用有限元法进行闸室结构设计。　三边自由且受闸门约束的弹性矩形板，《水闸设计　近期兴建的带胸墙水闸结构设计中，计算方法　规范》推荐采用弹性力学方法进行分析，目前许多　明显不同，计算结果和配筋有较大差异，有的工程　闸坝仍用傅作新～沈潜民的弹性力学应力计算法进　超量配筋，拉锚系数高达３．６８～４．９１，有的工程配筋　行设计。　不足，已出现一些结构性裂缝。　１９５９年结合江苏二河闸设计，傅作新一沈潜民　综上所述，适应闸坝空间结构特点，在闸坝结　的弹性力学应力计算法把中墩简化为中心受拉平　构设计中推广有限元计算方法是必然之路。考虑　板，把边墩简化为平面弯曲板，利用弹性力学原理　到闸坝有限元计算中有关材料及力学参数以及计　推导。该方法把推力除以中墩和边墩厚度，得出单　算方法中某些不完善之处，参见同类工程运用状　位宽度闸墩推力，该推力分解为Ｐ、Ｑ、力矩　三个　况，在有限元计算基础上，采用工程类比法进行闸　分量，将闸墩分成若干个矩形格子，然后建立物理　坝结构设计和评价是当前现实之法。　方程，以变位连续性求解各格子平均应力和方向。　（６）当弧形闸门承受水推力大于３５　０００　ｋＮ，或　该方法只计算高宽比为５：８和５：１０两种尺寸比例　闸墩混凝土出现较大拉应力时，应采用预应力闸墩，　的中墩及边墩，Ｐ＝ＩＯ０　ｔ，Ｑ＝ｌＯＯ　ｔ，Ｍ＝ＩＯ０　ｔ—ｍ时的　宜按三维有限元计算成果配置预应力锚索。根据班　应力，其他比尺时按比例内插，其他荷载按比例放　多电站及其他电站预应力闸墩经验，控制拉锚系数以　大。由于该方法只能考虑弧门推力作用，不能考虑　大于１．８为宜。安全评价时，应评价预应力锚索张拉　＠Ｄａｍ　ａｎｄ　ｓａｆｅｔｙ　２。１５．１　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ　刘世煌，等：混凝土闸坝安全评价探讨　质量，根据应力松弛状况评价闸墩受力状态。　钢轨衬砌、铸石混凝土、硅粉混凝土等结构型式，将　斜坡式护坦与下游直接连接。　不设消力池仅采用抗冲护坦时，护坦后，宜设　防冲墙，墙后宜设柔性海漫消能。　闸坝的消能安全评价，应同时关注泄洪消能安　７消能安全评价　（１）闸坝的消能安全评价包括消能防冲设计标　准、消能型式、消能工结构安全性、下游护岸工程等　的安全性评价。　全及抗冲蚀破坏要求，检查排沙设施和抗冲蚀的措施　及运行状况，检查泄洪排沙调度程序的执行状况。　（２）根据闸坝地基地质情况、河流水文及泥沙　特点、枢纽布置方式、设计水头、防洪调度及闸门开　启方式等，评价消能方式（底流、面流、戽流、挑流　（５）根据闸坝下游冲坑发育及护岸运行状况，　分析河势发展趋势，评价消能效果及对闸坝及下游　河道安全的影响。　等）及消能设施结构尺寸等选择的合理性。　（３）闸坝下游消能防冲设施必须在各种可能出　８结语　由于设计、施工质量不同，运行的环境条件不　同，每座闸坝工程既有共性问题，也往往有突出的　个性问题。安全评价是针对具体工程所进行的现　现的水力学条件下都能满足消能及均匀扩散水流　的要求，且与下游河道及水面良好衔接。下游河岸　不应发生严重冲刷、河势不宜发生明显变化。　除设计工况外，尚应评价小于设计流量但有较　大水头差等不利工况下，消能设施的安全性。关注　宣泄常遇洪水时及闸门开启关闭过程中跌流的流　状评价，评价过程中既要遵守相关技术规范，又要　正视规范本身的发展，尊重客观实际，综合工程地　质条件、工程设计、施工质量、监测成果和运行Ｉ生态，　态及消能效果。　（４）在夹有较大砾石的多推移质河流上的闸坝　仔细分析、全面论证，科学、客观地进行评价。　收稿日期：２０１５—０１—２０　●　工程，应兼顾消能与防冲蚀要求，优选消能和抗冲　结构，强化流道抗冲蚀能力，并视水头的大小、推移　质矿物成分、颗粒尺寸及含量，适度增大溢流前沿　长度、降低单宽流量、降低流速，也可采用刚性或柔　性裾板消力池消能。当泄洪能量不十分大时，也可　不设消力池，而采用抗冲耐磨的浆砌卵石、钢板或　作者简介：刘世煌（１９４１一），男，江苏南京人，教授级高级工　程师，长年从事水利水电工程勘测、设计、科研、审查、咨询　及安全评价工作。　作者邮箱：ｌｉｕｓｈｉｈｕａｎｇ　３３２０＠ｓｉｎａ．ｃｏｉｎ　英文　件和　或不　程。　件发　稿件　ｈｔｔｐ：／／ｍａｇｔｅｃｈ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ