對(duì)病險(xiǎn)水閘現(xiàn)狀及除險(xiǎn)加固的研究

方良勇

（惠東縣廣源水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，廣東惠東 516300）

0 引言

水閘作為低水頭水工建筑物，被修建在河道、海岸、堤防、水庫(kù)、湖泊等地方，通過(guò)操縱閘門，不僅可以控制水流量和水位變化，還能防止潮水倒灌及汛期排泄洪（澇）水，應(yīng)用十分廣泛。水閘可以單獨(dú)承擔(dān)相應(yīng)功能，也經(jīng)常結(jié)合其他水工建筑物組成水利樞紐，共同發(fā)揮作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建有各類水閘5萬(wàn)多座，其中大型水閘接近500座，中型水閘3000多座，小型水閘接近5萬(wàn)座，但是部分水閘經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或其他突發(fā)情況，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的安全隱患或險(xiǎn)情，針對(duì)該問(wèn)題，當(dāng)務(wù)之急應(yīng)通過(guò)水閘安全復(fù)核和加固施工來(lái)消除病險(xiǎn)及安全隱患，延長(zhǎng)水閘使用壽命，確保該水閘安全穩(wěn)定運(yùn)行，為當(dāng)?shù)胤篮槌凉场⑺Πl(fā)電、城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉和旅游觀光等方面繼續(xù)發(fā)揮應(yīng)有作用。

1 病險(xiǎn)水閘主要問(wèn)題

由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，水閘會(huì)不同程度表現(xiàn)出各種問(wèn)題，一部分為自身質(zhì)量問(wèn)題，一部分為由于周遭環(huán)境的影響。為維護(hù)好現(xiàn)有運(yùn)行水閘，首先要搞清楚導(dǎo)致水閘產(chǎn)生病險(xiǎn)的原因。主要從幾方面考慮：防洪標(biāo)準(zhǔn)、閘室的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性、抗震安全性、金屬結(jié)構(gòu)安全性、機(jī)電設(shè)備安全性[1]。

1.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低

我國(guó)不少水閘建設(shè)年代久遠(yuǎn)，初期設(shè)計(jì)不規(guī)范，沒(méi)有采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)和水文資料都比較不足，同時(shí)由于一些河道不停擴(kuò)挖、浚深，但水閘沒(méi)有對(duì)應(yīng)進(jìn)行改造，沒(méi)有用新資料進(jìn)行復(fù)核，導(dǎo)致造成防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，難以有效遏制洪澇災(zāi)害的威脅。

1.2 閘室穩(wěn)定性不足

穩(wěn)定性需考慮閘室抗滑能力、抗傾能力、抗浮安全系數(shù)、基底不均勻系數(shù)等。一些水閘不滿足相關(guān)規(guī)范要求，導(dǎo)致閘室不均勻沉降，承載力不足，基礎(chǔ)遭到破壞。

1.3 結(jié)構(gòu)安全性不足

閘室、岸墻、翼墻等水閘結(jié)構(gòu)部位存在不同程度的安全隱患。比如閘室閘門開(kāi)裂，岸墻和翼墻等混凝土腐蝕脫落，風(fēng)化明顯，存在表面裂縫或貫穿裂縫，鋼筋裸露，甚至銹蝕殆盡。如2021年進(jìn)行病險(xiǎn)調(diào)查和除險(xiǎn)加固的惠東縣蟹洲海堤水閘，存在以上明顯病險(xiǎn)情況，如圖1所示。

圖1 蟹洲海堤水閘閘墩貫穿性裂縫

1.4 抗震標(biāo)準(zhǔn)不足

在抗震方面，未考慮地震設(shè)防或抗震設(shè)防烈度不足。在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，水閘遭受破壞的部位主要是閘室底板、護(hù)坦、消力池等底部結(jié)構(gòu)，同時(shí)地基部分的砂土?xí)幸夯F(xiàn)象，以及基礎(chǔ)發(fā)生沉陷等問(wèn)題。

1.5 金屬結(jié)構(gòu)安全性不足

閘門、閘門槽預(yù)埋件、啟閉機(jī)、攔污柵及輪滑組或其他相關(guān)配套設(shè)備等銹蝕或老化嚴(yán)重，靈敏度下降或失靈，安全使用年限早已超過(guò)，無(wú)法再正常使用[2]。

1.6 機(jī)電設(shè)備安全性不足

電動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)等相關(guān)設(shè)備，會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化、磨損或者損壞，或設(shè)計(jì)考慮不足，設(shè)備選型無(wú)法滿足使用要求，或使用設(shè)備存在質(zhì)量問(wèn)題，影響水閘安全運(yùn)行，安全性不足。

2 病險(xiǎn)水閘復(fù)核

在進(jìn)行除險(xiǎn)加固前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行病險(xiǎn)水閘相關(guān)設(shè)計(jì)復(fù)核，如進(jìn)行水力、結(jié)構(gòu)、防滲排水、岸墻或翼墻等方面復(fù)核。以惠州市惠東縣蟹洲海堤水閘為研究對(duì)象，對(duì)病險(xiǎn)水閘相關(guān)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 水力方面復(fù)核

結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮閘孔凈寬是否足夠、消能防沖能力是否滿足，以及閘門應(yīng)當(dāng)采用何種操控方式。

（1）復(fù)核閘孔凈寬。蟹洲海堤水閘共11孔，平均閘孔尺寸3.0m×3.24m，總凈寬33.10m，閘底高程-0.76m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為9.81m，過(guò)流流態(tài)為寬頂堰流。

蟹洲水閘的孔口開(kāi)度為e/H=3.24/4.03=0.80＞0.65，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265—2016）附錄A堰流公式計(jì)算蟹洲海堤水閘泄流能力，水閘過(guò)水能力計(jì)算成果見(jiàn)表1，其中頻率P=10%（設(shè)計(jì)）。

表1 蟹洲海堤水閘過(guò)流能力復(fù)核計(jì)算成果

由表1可見(jiàn)，在相同水位條件下，水閘過(guò)閘流量復(fù)核值大于設(shè)計(jì)值，閘孔凈寬足夠，過(guò)流能力滿足要求。

（2）復(fù)核消能防沖能力。蟹洲海堤水閘消力池為挖深式消力池，消力池長(zhǎng)度為15.3m，深度0.3m，池底高程為-4.76m。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）要求，本次采用10年一遇消能工況，即閘上（內(nèi)河側(cè)）設(shè)計(jì)洪水位為3.27m，閘下（外海側(cè)）相應(yīng)水位2.19m。根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算[3]，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 消力池消能防沖計(jì)算

根據(jù)表2判斷，由于無(wú)遠(yuǎn)離水躍產(chǎn)生，下游無(wú)須修建消能工。

2.2 結(jié)構(gòu)方面復(fù)核

在復(fù)核水閘結(jié)構(gòu)時(shí)需考慮所處位置的工況，如水閘可能承受的荷載類型、大小、方向、抗震等級(jí)等，閘室、岸墻、翼墻等需進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)定計(jì)算。

蟹洲海堤水閘結(jié)合4種工況考慮荷載組合計(jì)算，考慮了受力形式、受力大小、受力方向等，包括工況①（無(wú)水工況）：閘室自重；工況②（設(shè)計(jì)洪水位工況）：閘室自重+水重+水平靜水壓力+揚(yáng)壓力+風(fēng)壓力；工況③（擋潮工況）：閘室自重+水重+水平靜水壓力+揚(yáng)壓力+風(fēng)壓力；工況④（地震工況）：閘室自重+水重+水平靜水壓力+揚(yáng)壓力+風(fēng)壓力+地震力。

4種工況經(jīng)過(guò)計(jì)算和復(fù)核，得到相應(yīng)的成果詳見(jiàn)表3。

表3 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

工況①、工況②、工況③及工況④的不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底平均應(yīng)力均滿足要求。

2.3 防滲排水方面復(fù)核

在復(fù)核水閘防滲排水時(shí)，需考慮幾方面問(wèn)題，一個(gè)是閘基下的地質(zhì)條件在抗?jié)B方面如何，其次是閘基和兩側(cè)輪廓線如何布置，以及要考慮閘上和閘下水位條件。以此計(jì)算基底滲透壓力、復(fù)核抗?jié)B穩(wěn)定性，如何布置濾層、做好排水孔等設(shè)計(jì)[4]。

（1）滲流長(zhǎng)度復(fù)核。對(duì)蟹洲海堤水閘采用滲徑系數(shù)法進(jìn)行滲透穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)地勘報(bào)告，水閘閘室底板建基面以下為粉質(zhì)粘土層，查規(guī)范可知允許滲徑系數(shù)C位于3~4之間，可取C=4。工況方面取外海和內(nèi)河水位差最大工況，閘基所需防滲長(zhǎng)度為9.08m，現(xiàn)狀閘基水平防滲長(zhǎng)度為9.81m>9.08m。因此，現(xiàn)狀閘基防滲長(zhǎng)度滿足防滲要求。

（2）滲流穩(wěn)定復(fù)核。計(jì)算水閘出口滲流坡降值是否滿足要求，按最不利工況（擋潮工況）考慮，經(jīng)計(jì)算，水閘出逸點(diǎn)水力坡降為0.13，查有關(guān)地勘報(bào)告可知，粘土允許水力比降為0.44，出口滲流坡降值小于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。

2.4 翼墻方面復(fù)核

水閘的岸墻和翼墻主要連接水閘與兩岸，起擋土、防滲和均勻引導(dǎo)水流的作用，是水閘能夠安全運(yùn)行的重要組成部分，本次主要復(fù)核翼墻是否滿足要求。

蟹洲海堤水閘上下游翼墻為重力式漿砌石擋墻，建于粉質(zhì)粘土層上，該土層為可塑狀，分布穩(wěn)定，厚度較大，連續(xù)，性狀較好，可作為基礎(chǔ)持力層；粉質(zhì)粘土層以下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，呈硬塑狀態(tài)，分布穩(wěn)定，厚度較大，連續(xù)，性狀較好，但埋藏較深。

蟹洲海堤水閘工程等級(jí)為Ⅳ等，擋土墻建筑物工程級(jí)別為5級(jí)。穩(wěn)定安全系數(shù)允許值見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)定安全系數(shù)允許值

水閘兩側(cè)翼墻的漿砌石擋墻所受荷載相互對(duì)稱，只需復(fù)核一側(cè)即可。各工況計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 漿砌石擋墻各工況計(jì)算成果匯總

本水閘工程共需考慮以上四種工況，計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

3 水閘除險(xiǎn)加固實(shí)施

在明確病險(xiǎn)水閘的主要問(wèn)題及進(jìn)行相關(guān)復(fù)核后，下一步采取相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施。

3.1 圍堰施工

實(shí)施前先做好圍堰措施。圍堰通常采用橫向圍堰和縱向圍堰，同時(shí)做好施工導(dǎo)流工作。在進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)最好選擇在枯水期進(jìn)行，安全性和經(jīng)濟(jì)性均較好，也方便施工。

3.2 施工降排水

圍堰完成后需做好施工降排水措施，施工期間會(huì)存在大量積水，需及時(shí)泄放方能保證安全。根據(jù)除險(xiǎn)加固對(duì)象所處的位置、埋設(shè)深淺等，可考慮基坑明排。當(dāng)開(kāi)挖基礎(chǔ)不深或水量不大時(shí)，利用明排方式把流入溝槽內(nèi)或基坑內(nèi)積水匯集到集水井內(nèi)，然后用水泵抽走。

3.3 土方開(kāi)挖和回填

在實(shí)施當(dāng)中如涉及土方開(kāi)挖或回填，應(yīng)遵循先水上后水下及先主后次原則，按照一定施工順序進(jìn)行。土方開(kāi)挖時(shí)，為避免原狀土被破壞，臨近設(shè)計(jì)開(kāi)挖面預(yù)留30cm保護(hù)層，由人工完成剩余土方開(kāi)挖。在相關(guān)建筑物附近開(kāi)挖時(shí)要做好保護(hù)措施，避免土方擾動(dòng)影響建筑物安全。土方回填前應(yīng)做好清基工作。

3.4 水閘混凝土澆筑

在前面做好相關(guān)措施后，需進(jìn)行水閘主體相關(guān)構(gòu)件的加固，如對(duì)主體部分進(jìn)行混凝土澆筑，閘底板、閘墩、止水設(shè)施、上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件等，修復(fù)相關(guān)裂縫和剝落的混凝土保護(hù)層，或拆除重新澆筑[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

水閘除險(xiǎn)加固意義重大，減少了很多不必要的新建項(xiàng)目。不僅延長(zhǎng)了水閘的功能使用壽命，也延續(xù)了保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的使命，以及繼續(xù)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)社會(huì)的和諧穩(wěn)定。