天津市潮白新河宁车沽防潮闸除险加固工程设计论文
摘要：
宁车沽防潮闸位于潮白新河与永定新河交汇处，主要功能为挡潮、蓄淡、泄洪、排涝、供两岸工农业用水，对确保海河流域北系的防洪安全具有重要作用。经30多年在海水及盐雾环境下运用和受唐山地震的破坏影响，存在诸多安全隐患，急需除险加固。本文从诸多方面总结了防潮闸的加固设计经验，供其它类似工程参考
关键词：除险加固；防潮闸；宁车沽；潮白新河
宁车沽防潮闸位于天津市塘沽区宁车沽村西，潮白新河入永定新河处，1971年7月建成。该闸的主要功能为泄洪、排涝、挡潮、蓄淡、供两岸工农业用水，对确保海河流域北系的防洪安全具有重要作用。
防潮闸由于长期在海洋及盐雾环境下运行，加之1976年唐山地震的破坏，防潮闸存在诸多安全隐患。尽管1986年为了解决闸底板脱空和闸基渗透稳定问题在闸室中部进行了高压定喷和静压灌浆处理，对上部结构也进行了局部加固。1997年汛前对原高压定喷孔和静压灌浆孔钻开复灌，对工作桥独立柱做了加固处理。但以上工程措施并未从根本上解决该闸存在的主要问题。
为确切掌握防潮闸工程质量现状和摸清存在问题，以便为加固工程设计提供基础资料和依据，1997年对该闸做了全面的质量检测，2000年12月天津市水利局组织专家组对该闸进行了安全鉴定，评定为三类闸，根据《水闸安全鉴定规定》SL214——98中的有关规定，并根据天津市水利局要求，按原有规模进行除险加固。
1、工程概况及存在的主要问题。
（1）工程概况。
宁车沽防潮闸设计流量2100m3/s，相应闸上、闸下水位为2.84m（1956黄海高程系统，下同）和2.67m；校核流量3000m3/s，相应闸上、闸下水位3.88m和3.60m。全闸共22孔，其中中部20孔过流，两端边孔以混凝土墙封堵。中孔底板高程为-5.50m，内边孔和外边孔呈阶梯式抬高，底板高程分别为-4.50m和-1.70m。每孔净宽8.00m，中墩厚1.10m，闸室总宽为199.10m，闸室长16.00m。采用分离式底板，灌注桩基础，墩底板厚1.40m，跨中小底板厚0.70m。每个墩底板下布置有6根D850mm灌注桩，桩长为21m和23m不等。
①闸室上游侧设有交通桥，桥面高程5.60m，桥面宽4.80m，设计荷载为汽-10。
②工作闸门设在闸室偏下游侧，为升卧式钢闸门，靠上游侧为叠梁式检修钢闸门。
③闸室上部设有工作桥，桥面高程8.50m，桥面宽6.00m，由4根T型梁组成，并由墩墙和独立柱支撑。
④工作桥上设有12台2×25t和8台2×16t固定卷扬启闭机以及1台2×16t活动台车，前者供主闸门启闭，后者供检修门启闭。
⑤防潮闸上游设15.00m长钢筋混凝土阻滑板、10.00m长浆砌石框格海漫、15.00m长的1：10斜坡式浆砌、干砌石海漫、6.00m长干砌石水平护底，总护底长46.00m。
⑥下游设有16.00m长消力池，其尾坎高1.00m，其后为10.50m长浆砌石框格水平海漫、24.50m长1：10坡降浆砌、干砌石海漫、10m长抛石防冲槽，总计61.00m。防潮闸顺河自上而下工程总长123.00m。
（2）存在的主要问题。
①闸底板脱空严重。
由于受唐山地震震陷和区域地面沉降的影响，闸室底板、上游防渗板和下游消力池底板普遍存在脱空现象，致使防潮闸地基存在渗流不稳定的严重问题。虽经1986年高压定喷和静压灌浆及1997年的复灌处理，但限于在闸室中部两门槽之间及其附近的局部范围内进行，并未全部解决闸室底板的脱空问题，地基渗流不稳定依然是防潮闸安全运用的一大隐患。
②防潮闸抗滑稳定不满足要求。
原设计每根灌注桩承担水平力300kN，校核情况每根承担440kN。根据现行规范对宁车沽防潮闸灌注桩的水平允许承载力的核算表明其值不超过200kN。依次计算闸室本身抗滑稳定安全系数远未达到现行规范规定的1.0的基本要求。另外，起阻滑板作用的上游防渗板和下游消力池底板存在脱空问题，因此其阻滑作用已大大降低。
③上部结构工作桥和交通桥大梁混凝土剥落、露筋、钢筋锈蚀。
经检测，工作桥平均碳化深度33mm，大于钢筋保护层，交通桥36%的'测点碳化深度接近保护层厚度。两桥大梁混凝土氯离子含量严重超标，裂缝发育，工作桥尤甚，可见裂缝多为贯穿缝，并存在隐性裂缝及芯样破碎情况。
由于泥沙淤积等因素的作用，启闭机经常超载运行，工作桥长期处于超负荷运行状态，启闭闸门时经常发生颤动。交通桥设计标准偏低，为汽-10（旧标准），桥面总宽仅4.8m，难以满足现今交通要求。
④启闭设备陈旧老化，齿轮磨损严重，运用时普遍存在掉铁沫现象，且因泥沙严重淤积问题未能解决，造成启闭机超载运行。
⑤钢闸门和闸门槽长期在海水环境下运行，锈蚀严重，闸门结构的整体腐蚀率达38~100%，超过水利水电工程金属结构的报废标准。
⑥电气二次控制设备陈旧，不能适应现代化的运行管理要求，急待更新和完善。
⑦由于闸室及上、下游河道严重淤积，行洪能力大大降低，远达不到设计标准。
2、工程加固设计。
本闸除险加固采用的主要方案是将原有闸墩上游圆弧以前部位及上部交通桥、工作桥和独立柱予以拆除，将闸底板向上游接长8m，闸墩也相应加长，在每个接长的墩底板下增加8根灌注桩，闸室重新布置。工作闸门采用升卧门型，以适应8度地震不宜做高机架桥的运用条件。
（1）基础处理。
基础处理包括：灌注桩、塑性混凝土防渗墙、底板接触灌浆、消力池底板化学灌浆。
为了解决闸室稳定问题，将闸底板向上游接长8m，墩底板下增加8根灌注桩，桩径0.85m，梅花排列，桩长15m，新老底板采用刚性连接，使新老桩形成整体共同承担水平荷载和垂直荷载。根据该闸安全鉴定结论，闸基处于渗流不稳定状态，为此，在防渗板、消力池及闸底板下采取接触灌浆，在闸底板上游设防渗墙。接触灌浆孔孔距3m，排距2m，梅花排列；塑性混凝土防渗墙厚30cm，深5m。
工程于2002年8月开工，基坑清淤后，发现消力池底板及护坡上有裂缝，最大缝宽3~5mm，为保证闸基的渗透稳定，选用水溶性聚氨脂材料对裂缝进行化学灌浆措施。
（2）闸室加固。
新接长的闸底板堰顶高程恢复到原设计高程－5.5m，墩厚1.1m，闸孔净宽8m。新的工作闸门槽于原闸墩头部附近设置。为便于主闸门检修，工作闸门前增设上游检修闸门槽，原闸的上游检修闸门槽作为改建后的下游检修闸门槽，并于原工作桥位置增设检修桥。闸墩上部工作桥由两根T型梁组成，桥面高程10.4m，1桥面总宽5.0m。桥上设轻型启闭机房。交通桥布置于上游侧，桥面净宽7.0m，桥面高程5.6m，按汽-20，挂-100荷载标准设计。
（3）下游消能防冲加固及闸室上游护坡翻修。
基坑清淤后，发现下游海漫及防冲槽未按原设计图纸施工，为了保护闸下河床免于水流淘刷，海漫及防冲槽均需按按原设计恢复，消力池底板除化学灌浆外，新铺30cm混凝土，并布插筋和面层钢筋。
闸室上游护坡受地震影响、河道冲刷和冻融作用，造成浆砌石勾缝脱落、块石错动、崩坍，致使护坡大面积破坏，拆除后重新修复。
（5）混凝土防碳化及防腐处理。
考虑到该闸长期受到海水、盐雾中氯离子的侵蚀，对老闸墩和老底板表面凿毛（凿深3cm）处理后，抹TK聚合物砂浆进行防腐蚀保护。对新浇混凝土包括闸墩、底板、工作桥板梁、检修桥、交通桥空心板、排架等外露表面喷涂ST-9608防腐涂料进行防碳化保护。
（5）金属结构设计。
将原工作门、检修门、台车及轨道、启闭机、抓梁等设备拆除，对上述设备全部更新，新的中孔工作门16扇8.0x9.1-5.1m，内边孔工作门2扇8.0x8.1-5.1m，外边孔工作门2扇8.0x5.3-5.0m，由于闸门要求双向挡水，采用双P型橡皮水封，启闭设备为2x400kN固定卷扬启闭机。上游叠梁检修门1套8x6.75-6.5m，下游叠梁检修门1套8x9.0-8.8m，启闭设备为2x100kN电动葫芦。
（6）电气设备改造。
①电气一次。
该闸设两回10kV供电电源，一回引自左岸靠近变配电楼东侧的284#线路，另一回引自右岸靠近闸控制楼西侧的317#线路。2回10kV架空线路下杆后，经10kV高压电缆进入对应的10kV高压开关柜内，经2台容量为250kVA的油浸式电力变压器降压至0.4kV，而后通过400V低压配电柜、动力箱、控制柜、照明箱等为闸区及管理所的各用电负荷供电。
②电气二次。
该闸的监控系统采用集中控制与现地控制相结合的方式，由计算机集中控制设备、闸门现地控制单元和计算机通信网络构成。计算机集中控制设备采用工控机，闸门的集中控制在工控机上操作。分散的现地控制柜设在每孔过流闸门启闭机的机旁，控制模块采用可编程序控制器（PLC）。
该闸设水力测量系统和闸门测量系统。水位测量分别设在闸两侧，采用水位传感器，水位显示仪设在集中控制室，可通过对水位、闸门开度的测量及水力计算，实现每孔闸门过水流量的实时显示。闸门测量系统包括每孔闸的开度测量、荷重测量和电气测量等。
（7）管护设施建设。
在闸管所院内新建800m2管理用房，为二层砖混结构。对闸区环境进行治理，包括植树、种草、整修围墙、修筑进出管护区道路、铺护地面、设置建筑小品等。。
（8）河道清淤。
为了增加防潮闸的泄流能力，对闸上1200m和闸下200m河段进行清淤，其中闸上200m和闸下采用全断面清淤，闸上200m以上采用窄深式深槽进行清淤，清淤总计80万m3。
3、新材料、新技术应用。
（1）TK锚固剂在新老混凝土连接上的应用。
新老闸墩的立面接缝正处于下游检修闸门槽位置，是闸墩结构强度比较薄弱的部位，容易产生竖向裂缝，其中插筋的锚固质量是一个关键因素。为保证插筋的锚固强度，除满足锚固长度外，在插筋孔中需填充锚固材料，以增加插筋与混凝土之间的粘接强度。锚固剂采用TK锚固剂，施工迅速，质量可靠，经现场拉拔试验检测，20钢筋拉拔力达106.9kN时仍完好，满足设计要求。
（2）钢筋直螺纹套管连接技术应用。
通常钢筋接长采用焊接或绑扎，需手工操作，高空作业更为困难，其质量不宜保证，设计推荐采用直螺纹套管连接技术，消除了人为因素的影响，施工速度快，质量有保证，经检测钢筋接头完全满足设计要求。
4、结语。
宁车沽防潮闸加固设计是在现场安全检测、复核计算、安全鉴定等大量工作的基础上进行的，既要恢复原闸规模和功能，又要满足安全运用，但由于受到资金和工期的影响，仅对原闸破坏严重已不能满足安全使用的部分结构进行了拆除，保留了原灌注桩基础等质量好且满足要求的结构，使除险加固设计既经济合理又安全可靠。
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