大中型病險(xiǎn)水閘的成因及除險(xiǎn)加固措施分析

邵 杰，孫承坪，周路寶

(連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222006)

水閘在國民生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著不可缺失的作用，可以為城市、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水，并在防洪抗災(zāi)、排澇發(fā)揮重要作用。隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水閘建設(shè)成為一項(xiàng)保障國家經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要民生建設(shè)舉措。我國的水閘大多修建于二十世紀(jì)六七十年代，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件有限，及水閘使用時(shí)間較長，所以存在各種病險(xiǎn)問題，為水閘運(yùn)行埋下安全隱患。據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，我國存在病險(xiǎn)的大中型水閘為兩千多個(gè)，約占大中型水閘總數(shù)的三分之一。這些病險(xiǎn)既影響工程的質(zhì)量，又不利于水閘的正常運(yùn)作，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)、生活造成巨大的不良影響。國民的生命財(cái)產(chǎn)安全與水閘的安全息息相關(guān)，因此研究大中型病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固措施具有十分重要的意義[1]。

1 病險(xiǎn)水閘的成因

(1)歷史原因。由于年代的特殊性，以及當(dāng)時(shí)施工技術(shù)、施工水平有限，經(jīng)濟(jì)實(shí)力弱，建設(shè)管理不到位，技術(shù)人員對洪水認(rèn)識不足，建設(shè)水閘使用的材料質(zhì)量差，修建設(shè)備落后等綜合原因，很多水閘都是“三邊”工程，即邊勘測、邊設(shè)計(jì)、邊施工，導(dǎo)致最后建成的水閘施工質(zhì)量差，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，不能滿足實(shí)際需求[2]。

(2)自然原因。泥沙淤積、地震、洪水、海嘯等自然因素的影響，會(huì)一定程度地破壞水閘的結(jié)構(gòu)，使水閘表面出現(xiàn)裂紋，水流沖刷也會(huì)造成河床下切、防沖槽破損、閘門銹蝕、電器設(shè)備老化，在汛期極易造成安全隱患。另外，由于人類的某些不合理行為對自然界造成的影響，如水污染等，也會(huì)對水閘結(jié)構(gòu)造成不利影響，加快閘體結(jié)構(gòu)老化。

(3)技術(shù)原因。由于建成時(shí)間比較久遠(yuǎn)，當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，消能防沖、防洪標(biāo)準(zhǔn)以及整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等都達(dá)不到現(xiàn)在的要求[3]。修建水閘之前需做大量勘測工作，收集大量的河流的水文數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計(jì)算洪峰流量，從而確定水閘的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。然而，限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，無法完成充分的準(zhǔn)備工作就開始施工，造成水閘的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到防洪標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于某些河流的防洪體系發(fā)生了變化，對許多河道進(jìn)行了深浚，水閘沒得到相應(yīng)的改進(jìn)，無法滿足防汛要求。

(4)管理原因。由于運(yùn)行時(shí)間較長，結(jié)構(gòu)發(fā)生老化，存在一定的安全隱患，水閘管理部門缺乏工程維護(hù)和管理的意識，管理制度不完善、管理經(jīng)費(fèi)短缺、維護(hù)費(fèi)用投入不足，造成部分大中型病險(xiǎn)水閘的安全性和耐久性下降，少數(shù)水閘處于失修狀態(tài)[4]。

2 病險(xiǎn)水閘的類型

根據(jù)調(diào)查分析，現(xiàn)階段我國大中型水閘存在的常見病險(xiǎn)類型主要有以下幾種：

(1)水閘防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低。防洪標(biāo)準(zhǔn)也被叫做擋潮標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)時(shí)沒有收集大量的水文資料、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、水文系列延長等原因都會(huì)導(dǎo)致水閘高程不夠、泄洪能力不足等問題，造成防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低。

(2)抗震標(biāo)準(zhǔn)低。在河邊、海濱沙塵中以及內(nèi)陸砂巖層中極易發(fā)生地震液化作用，即由于地震使沒有固結(jié)的巖層或飽和的松散沙土發(fā)生液化現(xiàn)象，使地基軟化，造成地面沉陷、建筑物倒塌。修建水閘前，應(yīng)該按地震烈度區(qū)劃分工程區(qū)，遵循水閘建筑抗震規(guī)范[5]。

(3)大壩滲漏問題嚴(yán)重。我國許多大中型水閘都建在丘嶺之間，由于設(shè)計(jì)不合理、勘測深度不夠、結(jié)構(gòu)老化等原因，導(dǎo)致壩體、壩基滲透壓力過大，發(fā)生大壩滲漏現(xiàn)象。滲漏形式主要有以下三種：壩基滲漏、壩體滲漏、繞壩滲漏。許多大壩存在散滲、流土、沼澤化、接觸沖刷、壩體裂縫等問題，嚴(yán)重危害大壩安全。

(4)其他病險(xiǎn)類型。除以上大中型病險(xiǎn)水閘比較常見的問題外，其他病險(xiǎn)類型還包括建筑物結(jié)構(gòu)老化、土石壩壩體變形、閘門銹蝕、閘下防沖設(shè)施毀壞等。

大中型病險(xiǎn)水閘病險(xiǎn)種類多，需要根據(jù)實(shí)際情況有針對性地采取除險(xiǎn)加固措施，消除水閘安全隱患[6]。傳統(tǒng)的水閘除險(xiǎn)加固主要采取的方法有：①拆除舊壩修建新的；②堵塞原來的管道，重建頂管；③放棄原來的管道，改用虹吸式管道。

以上三種方法施工技術(shù)要求較高，實(shí)施起來較復(fù)雜，并且耗時(shí)長、投資大、成本高。本文采用高壓噴射灌漿與振動(dòng)沉膜技術(shù)相結(jié)合的方式，形成了組合防滲體系。與傳統(tǒng)的水閘除險(xiǎn)加固措施相比，本文的水閘除險(xiǎn)加固措施不僅可以有效地改善水閘的滲漏現(xiàn)象，而且施工技術(shù)較簡單、耗費(fèi)工時(shí)短、花費(fèi)成本低。

3 除險(xiǎn)加固方案

本文采用高壓噴射灌漿與振動(dòng)沉膜技術(shù)相結(jié)合的方式，形成了組合防滲體系[7]，如圖1所示。

圖1 大中型病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固方案

圖1可知，大中型病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固方案分為高壓噴射灌漿和振動(dòng)沉膜。

高壓噴射灌漿是通過鉆孔的方法將配備有特制的合金噴嘴的注漿管放在特定位置，然后利用高壓水泵或泥漿泵將漿液噴射出來，借助噴射的漿液的沖擊力，使土粒和漿液按一定的比例混合均勻，重新規(guī)則排列，最終形成固定形狀。高壓噴射灌漿漿液的噴射形式主要有旋轉(zhuǎn)噴射、擺動(dòng)噴射和定向噴射[8]。雖然這三種巖漿的噴射形式不同，但都起著切碎土層的作用，使之與漿液攪拌混合均勻，然后發(fā)生凝結(jié)、固化。高壓噴射灌漿適用于軟弱地層，按照所用管道數(shù)，其施工方法主要有單管法、雙管法、三管法和多管法。

振動(dòng)沉膜技術(shù)是利用頻率高、功率大的振動(dòng)錘產(chǎn)生的垂直振動(dòng)力，將模板壓入到指定位置，形成一定厚度的空槽體，最后采用邊灌漿邊振動(dòng)的方式套接成槽的一種施工技術(shù)。

高噴灌漿具有漿液深度大、巖漿適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，振動(dòng)沉膜技術(shù)使土粒和漿液混合地更均勻，因此形成的墻體厚度也十分均勻[9]。與單一的高噴灌漿方式相比，采用高壓噴射灌漿與振動(dòng)沉膜技術(shù)相結(jié)合形成的組合防滲體系除險(xiǎn)加固的整體功效至少提高了一倍，具有經(jīng)濟(jì)效益高、可實(shí)施性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 水閘除險(xiǎn)加固措施流程分析

4.1 高壓噴射灌漿工藝流程

大中型病險(xiǎn)水閘除險(xiǎn)加固是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，高壓噴射灌漿工作過程如圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿工藝流程

第一步：灌漿試驗(yàn)。灌漿之前，在施工地段選取某一地點(diǎn)進(jìn)行巖石凝結(jié)試驗(yàn)的一種測試方法，主要是為了了解土體進(jìn)行灌漿處理后可能發(fā)生的變化以及可能性，并獲得相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)便于后續(xù)施工工作的進(jìn)行[11]。

第二步：測量放線。即利用測量工具測量建筑物的實(shí)際平面位置和高度等，按照施工圖進(jìn)行復(fù)核，保證圖紙的準(zhǔn)確性。

第三步：制漿。使用型號為437號的水泥硅酸鹽作為噴漿漿液，使用前需經(jīng)過過篩處理，并且漿液的攪拌時(shí)間至少為30min。

第四步：鉆孔。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象的部位鉆一個(gè)孔徑在45～350mm的小孔。

第五步：漿液試噴。為了保證施工效率，在正式高壓噴射灌漿前需進(jìn)行試噴，即先在地面上進(jìn)行噴射，并做好相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)象記錄。

第六步：高壓噴射灌漿。完成試噴后，將下噴射管伸到鉆孔中采用高壓泵進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噴射漿液。本文高壓噴射注漿使用的施工工具主要有高壓水泵、注漿泵、噴射器、鉆孔機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等。

第七步：封孔。指的是利用固化后的漿液借助水泥封孔泵將水泥漿液注入一定深度，等待水泥固化后即可起到密封作用。

4.2 振動(dòng)沉膜技術(shù)工藝流程

振動(dòng)成膜的核心設(shè)備是2塊模板，工作過程如圖3所示。

圖3 振動(dòng)沉膜技術(shù)工藝流程

第一步：模板就位。

第二步：A板、B板均下沉。

第三步：A板灌漿后將板提至一定高度。

第四步：B板灌漿后將板提至一定高度。

第五步：A板、B板均再下沉，循環(huán)往返施工。

這項(xiàng)技術(shù)使用的振錘頻率為1280次/min，按照施工步驟將A、B兩個(gè)模板打入到地層深處，使模板周圍的土體被充分?jǐn)D壓，同時(shí)灌入漿液，并不斷攪拌混合使?jié){液和土?；旌暇鶆颍孕纬删鶆蛎軐?shí)的防滲墻體。設(shè)計(jì)技術(shù)相應(yīng)指標(biāo)要求具體為：模量≤2000MPa；抗壓強(qiáng)度≤4Pa；滲透系數(shù)≤3×10-6cm/s；水力梯度在45～60之間，漿液密度為1.95g/cm3；高壓擺動(dòng)噴漿孔距為1.5m；塔深100cm[12]。

5 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢測本文采用的高壓噴射灌漿與振動(dòng)沉膜技術(shù)相結(jié)合的方式形成的組合防滲體系的工作效果，與傳統(tǒng)的除險(xiǎn)加固措施進(jìn)行了對比，設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)。

5.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

5.2 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用傳統(tǒng)除險(xiǎn)加固措施和本文研究的組合防滲體系對同一大中型病險(xiǎn)水閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固，分析對比兩種方法的工作效果。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)施工耗費(fèi)成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

施工耗費(fèi)成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 施工耗費(fèi)成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，隨著水閘病險(xiǎn)數(shù)目增加，施工耗費(fèi)成本也在不斷增大，但是本文的除險(xiǎn)加固措施耗費(fèi)成本始終低于傳統(tǒng)方法。當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為2時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)的成本為9萬元，本文方法花費(fèi)的成本為7.5萬元；當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為6時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)的成本為21萬元，本文方法花費(fèi)的成本為15萬元；當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為10時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)的成本為29萬元，本文方法花費(fèi)的成本為19萬元；當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為14時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)的成本為37萬元，本文方法花費(fèi)的成本為22萬元。由此可知，隨著水閘病險(xiǎn)數(shù)目增加，傳統(tǒng)方法耗費(fèi)成本的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本文方法耗費(fèi)成本的增長速度。

(2)施工耗費(fèi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

施工耗費(fèi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 施工耗費(fèi)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，隨著水閘病險(xiǎn)數(shù)目增加，施工耗費(fèi)時(shí)間也在不斷增加，但是本文的除險(xiǎn)加固措施耗費(fèi)時(shí)間始終低于傳統(tǒng)方法。當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為2時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)時(shí)間為3d，本文方法花費(fèi)時(shí)間為1.6d；當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為6時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)時(shí)間為4.6d，本文方法花費(fèi)時(shí)間為2.8d；當(dāng)水閘病險(xiǎn)數(shù)目為10時(shí)，傳統(tǒng)方法花費(fèi)時(shí)間為7.6d，本文方法花費(fèi)時(shí)間為4.4d。由此可知，隨著水閘病險(xiǎn)數(shù)目增加，傳統(tǒng)方法耗費(fèi)時(shí)間的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本文方法耗費(fèi)時(shí)間的增長速度。

(3)除險(xiǎn)加固修固實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除險(xiǎn)加固修固后物理性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表2。

表2 除險(xiǎn)加固修固后物理性能指標(biāo)檢測結(jié)果

由表2可知，抗壓強(qiáng)度最小為4.12MPa，大于技術(shù)要求指標(biāo)4MPa，滿足要求。滲透系數(shù)最大為1.40×10-6cm/s，小于技術(shù)要求指標(biāo)3×10-6cm/s，滿足要求。由此可知，采用本文的方法主要物理性能指標(biāo)檢測結(jié)果均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，施工質(zhì)量較好。

5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

傳統(tǒng)方法以及本文所闡述的方法雖然都能夠?qū)Υ笾行筒‰U(xiǎn)水閘有除險(xiǎn)加固修復(fù)功能，但是采用本文的高壓噴射灌漿與振動(dòng)沉膜技術(shù)相結(jié)合形成的組合防滲體系，其除險(xiǎn)加固的整體功效至少提高了一倍，可以有效地改善水閘滲漏現(xiàn)象，且具有經(jīng)濟(jì)效益高、可實(shí)施性強(qiáng)、檢測方便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)語

水閘建設(shè)關(guān)乎民生與社會(huì)發(fā)展，是社會(huì)建設(shè)的基礎(chǔ)部分?？紤]到水閘透水性強(qiáng)、受碾壓質(zhì)量較差等特點(diǎn)，本文將高壓噴射注漿與振動(dòng)成膜技術(shù)相結(jié)合，利用防滲墻有效地避免水閘被進(jìn)一步滲透破壞，加固了壩體。借助模板原理固定水閘，通過設(shè)立巖漿除險(xiǎn)，該技術(shù)既能保證水庫正常蓄水功能，又能發(fā)揮其應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。