對病險水閘現狀及除險加固的研究

方良勇

（惠東縣廣源水利水電工程勘測設計有限責任公司，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、湖泊等地方，通過操縱閘門，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，應用十分廣泛。水閘可以單獨承擔相應功能，也經常結合其他水工建筑物組成水利樞紐，共同發揮作用。據統計，我國已建有各類水閘5萬多座，其中大型水閘接近500座，中型水閘3000多座，小型水閘接近5萬座，但是部分水閘經過長時間運行或其他突發情況，會產生相關的安全隱患或險情，針對該問題，當務之急應通過水閘安全復核和加固施工來消除病險及安全隱患，延長水閘使用壽命，確保該水閘安全穩定運行，為當地防洪除澇、水力發電、城市供水、農業灌溉和旅游觀光等方面繼續發揮應有作用。

1 病險水閘主要問題

由于長時間運行，水閘會不同程度表現出各種問題，一部分為自身質量問題，一部分為由于周遭環境的影響。為維護好現有運行水閘，首先要搞清楚導致水閘產生病險的原因。主要從幾方面考慮：防洪標準、閘室的穩定性、結構安全性、抗震安全性、金屬結構安全性、機電設備安全性[1]。

1.1 防洪標準偏低

我國不少水閘建設年代久遠，初期設計不規范，沒有采用統一標準，技術和水文資料都比較不足，同時由于一些河道不停擴挖、浚深，但水閘沒有對應進行改造，沒有用新資料進行復核，導致造成防洪標準偏低，難以有效遏制洪澇災害的威脅。

1.2 閘室穩定性不足

穩定性需考慮閘室抗滑能力、抗傾能力、抗浮安全系數、基底不均勻系數等。一些水閘不滿足相關規范要求，導致閘室不均勻沉降，承載力不足，基礎遭到破壞。

1.3 結構安全性不足

閘室、岸墻、翼墻等水閘結構部位存在不同程度的安全隱患。比如閘室閘門開裂，岸墻和翼墻等混凝土腐蝕脫落，風化明顯，存在表面裂縫或貫穿裂縫，鋼筋裸露，甚至銹蝕殆盡。如2021年進行病險調查和除險加固的惠東縣蟹洲海堤水閘，存在以上明顯病險情況，如圖1所示。

圖1 蟹洲海堤水閘閘墩貫穿性裂縫

1.4 抗震標準不足

在抗震方面，未考慮地震設防或抗震設防烈度不足。在發生地震災害時，水閘遭受破壞的部位主要是閘室底板、護坦、消力池等底部結構，同時地基部分的砂土會有液化現象，以及基礎發生沉陷等問題。

1.5 金屬結構安全性不足

閘門、閘門槽預埋件、啟閉機、攔污柵及輪滑組或其他相關配套設備等銹蝕或老化嚴重，靈敏度下降或失靈，安全使用年限早已超過，無法再正常使用[2]。

1.6 機電設備安全性不足

電動機或柴油發電機等相關設備，會出現不同程度的老化、磨損或者損壞，或設計考慮不足，設備選型無法滿足使用要求，或使用設備存在質量問題，影響水閘安全運行，安全性不足。

2 病險水閘復核

在進行除險加固前，應當進行病險水閘相關設計復核，如進行水力、結構、防滲排水、岸墻或翼墻等方面復核。以惠州市惠東縣蟹洲海堤水閘為研究對象，對病險水閘相關要點進行分析。

2.1 水力方面復核

結合現有設計資料及現場情況，考慮閘孔凈寬是否足夠、消能防沖能力是否滿足，以及閘門應當采用何種操控方式。

（1）復核閘孔凈寬。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，閘室順水流方向長度為9.81m，過流流態為寬頂堰流。

蟹洲水閘的孔口開度為e/H=3.24/4.03=0.80＞0.65，根據《水閘設計規范》（SL 265—2016）附錄A堰流公式計算蟹洲海堤水閘泄流能力，水閘過水能力計算成果見表1，其中頻率P=10%（設計）。

表1 蟹洲海堤水閘過流能力復核計算成果

由表1可見，在相同水位條件下，水閘過閘流量復核值大于設計值，閘孔凈寬足夠，過流能力滿足要求。

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

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）要求，本次采用10年一遇消能工況，即閘上（內河側）設計洪水位為3.27m，閘下（外海側）相應水位2.19m。根據有關公式計算[3]，結果見表2。

表2 消力池消能防沖計算

根據表2判斷，由于無遠離水躍產生，下游無須修建消能工。

2.2 結構方面復核

在復核水閘結構時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、抗震等級等，閘室、岸墻、翼墻等需進行相關穩定計算。

蟹洲海堤水閘結合4種工況考慮荷載組合計算，考慮了受力形式、受力大小、受力方向等，包括工況①（無水工況）：閘室自重；工況②（設計洪水位工況）：閘室自重+水重+水平靜水壓力+揚壓力+風壓力；工況③（擋潮工況）：閘室自重+水重+水平靜水壓力+揚壓力+風壓力；工況④（地震工況）：閘室自重+水重+水平靜水壓力+揚壓力+風壓力+地震力。

4種工況經過計算和復核，得到相應的成果詳見表3。

表3 閘室穩定計算成果

工況①、工況②、工況③及工況④的不均勻系數、抗滑穩定安全系數及基底平均應力均滿足要求。

2.3 防滲排水方面復核

在復核水閘防滲排水時，需考慮幾方面問題，一個是閘基下的地質條件在抗滲方面如何，其次是閘基和兩側輪廓線如何布置，以及要考慮閘上和閘下水位條件。以此計算基底滲透壓力、復核抗滲穩定性，如何布置濾層、做好排水孔等設計[4]。

（1）滲流長度復核。對蟹洲海堤水閘采用滲徑系數法進行滲透穩定驗算。根據地勘報告，水閘閘室底板建基面以下為粉質粘土層，查規范可知允許滲徑系數C位于3~4之間，可取C=4。工況方面取外海和內河水位差最大工況，閘基所需防滲長度為9.08m，現狀閘基水平防滲長度為9.81m>9.08m。因此，現狀閘基防滲長度滿足防滲要求。

（2）滲流穩定復核。計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，經計算，水閘出逸點水力坡降為0.13，查有關地勘報告可知，粘土允許水力比降為0.44，出口滲流坡降值小于規范允許值，滿足規范要求。

2.4 翼墻方面復核

水閘的岸墻和翼墻主要連接水閘與兩岸，起擋土、防滲和均勻引導水流的作用，是水閘能夠安全運行的重要組成部分，本次主要復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，建于粉質粘土層上，該土層為可塑狀，分布穩定，厚度較大，連續，性狀較好，可作為基礎持力層；粉質粘土層以下為強風化砂巖，呈硬塑狀態，分布穩定，厚度較大，連續，性狀較好，但埋藏較深。

蟹洲海堤水閘工程等級為Ⅳ等，擋土墻建筑物工程級別為5級。穩定安全系數允許值見表4。

表4 穩定安全系數允許值

水閘兩側翼墻的漿砌石擋墻所受荷載相互對稱，只需復核一側即可。各工況計算成果見表5。

表5 漿砌石擋墻各工況計算成果匯總

本水閘工程共需考慮以上四種工況，計算結果均滿足要求。

3 水閘除險加固實施

在明確病險水閘的主要問題及進行相關復核后，下一步采取相應的除險加固措施。

3.1 圍堰施工

實施前先做好圍堰措施。圍堰通常采用橫向圍堰和縱向圍堰，同時做好施工導流工作。在進行除險加固時最好選擇在枯水期進行，安全性和經濟性均較好，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，施工期間會存在大量積水，需及時泄放方能保證安全。根據除險加固對象所處的位置、埋設深淺等，可考慮基坑明排。當開挖基礎不深或水量不大時，利用明排方式把流入溝槽內或基坑內積水匯集到集水井內，然后用水泵抽走。

3.3 土方開挖和回填

在實施當中如涉及土方開挖或回填，應遵循先水上后水下及先主后次原則，按照一定施工順序進行。土方開挖時，為避免原狀土被破壞，臨近設計開挖面預留30cm保護層，由人工完成剩余土方開挖。在相關建筑物附近開挖時要做好保護措施，避免土方擾動影響建筑物安全。土方回填前應做好清基工作。

3.4 水閘混凝土澆筑

在前面做好相關措施后，需進行水閘主體相關構件的加固，如對主體部分進行混凝土澆筑，閘底板、閘墩、止水設施、上部結構構件等，修復相關裂縫和剝落的混凝土保護層，或拆除重新澆筑[5]。

4 結語

水閘除險加固意義重大，減少了很多不必要的新建項目。不僅延長了水閘的功能使用壽命，也延續了保護人民生命財產安全的使命，以及繼續促進當地經濟發展和維護社會的和諧穩定。