病險水閘的加固內(nèi)容及除險加固技術(shù)

羅海兵

(湖南省洞庭水電咨詢監(jiān)理有限公司，湖南 湘潭 411228)

1 工程概況

吟江壩水閘位于湖南省湘潭縣河口鎮(zhèn)桐家壩村，是湘江一級支流涓水中下游的一處大型水閘。水閘距湘潭市30 km。水閘閘址控制流域集雨面積1525 km2，多年平均降雨量達(dá)1450 mm，河道干流長103 km，河道平均坡降約1.0‰。

吟江壩水閘工程于1964年建成并投入使用，主要功能以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、航運等，原設(shè)計灌溉面積2333.33 hm2，其中自流灌溉面積1866.67 hm2，提水灌溉面積466.67 hm2。電站裝機(jī)500 kW，設(shè)計年發(fā)電量380萬kW·h，實際年發(fā)電量150～280 kW·h，是具有綜合效益的水利工程。吟江壩水閘工程為Ⅱ等工程，規(guī)模為大(2)型水閘，主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。主要建筑物設(shè)計洪水重現(xiàn)期為30 a，校核洪水重現(xiàn)期為100 a。水閘主要由泄洪閘、閘壩和上下游堤防構(gòu)成。水閘修建于50年代，經(jīng)過長期運營出現(xiàn)了很多的安全隱患，需要對病險水閘進(jìn)行除險加固。

2 工程存在的主要問題及其原因分析

(1)混凝土裂縫嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)破損老化。在本工程中，左側(cè)和右側(cè)的泄洪閘混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了裂縫。在水閘左岸和右岸的泄洪閘閘室內(nèi)均出現(xiàn)了裂紋，并且在閘底板位置有孔洞存在，門槽也受到了嚴(yán)重的磨損，啟閉臺存在裂縫、孔洞和剝蝕等情況[1]。

(2)閘壩混凝土結(jié)構(gòu)裂縫破損嚴(yán)重。閘壩防滲面板位置脫落和破損的情況嚴(yán)重，在溢流面板上多處位置出現(xiàn)了滲漏和破損，并存在非常多的縱向、橫向裂縫。而且裂縫主要分布在壩的底部和頂部，屬于貫穿性裂縫，滲漏主要出現(xiàn)在破損和裂縫的位置。

(3)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫破損嚴(yán)重。在水閘導(dǎo)墻等位置出現(xiàn)了很多孔洞、裂縫和剝蝕的情況。

(4)消能設(shè)施混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破損。吟江壩水閘左、右岸泄洪閘消力池底板多處嚴(yán)重破損、穿孔，底部已被掏空。

(5)護(hù)坡混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫破損。該水閘下游左岸護(hù)坡采用混凝土結(jié)構(gòu)，上游和下游右側(cè)采用漿砌石結(jié)構(gòu)，護(hù)坡上有較多的孔洞，并且下游左岸護(hù)坡采用混凝土結(jié)構(gòu)，存在裂縫、破損和剝蝕等情況。

(6)閘基礎(chǔ)存在閘基滲漏與繞壩滲漏。閘基礎(chǔ)在河水長期浸泡下，白灰漿砌塊石出現(xiàn)了崩散，在滲透水流的持續(xù)沖刷下，裂隙中的細(xì)顆粒被帶走，裂隙越來越大，滲透量也隨之增加，并出現(xiàn)了沉陷變形的情況，使壩體出現(xiàn)了開裂。此次勘察基本已經(jīng)將閘基下閘體和基礎(chǔ)面之間以及巖面上部滲透的空洞滲漏查明[2]。

(7)泄洪閘的上游和下游連接段出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損，并且泄洪閘上、下游連接段漿砌石導(dǎo)墻基礎(chǔ)被掏空，墻身裂縫，破損嚴(yán)重。

(8)上、下游堤防護(hù)坡破損。吟江壩水閘下游左岸混凝土護(hù)坡出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化和裂縫，上游右側(cè)和下游右岸漿砌石護(hù)坡遭到了嚴(yán)重的損毀。

(9)閘壩壩腳沖刷破壞嚴(yán)重。閘壩壩腳在水流高速沖刷的情況下，在下游位置形成了沖刷坑，由于一直沒有對沖刷坑進(jìn)行處理，導(dǎo)致沖刷面積越來越大，沖刷坑的深度也隨之增加，對閘壩的安全造成了嚴(yán)重的威脅[3]。

(10)閘的下游滯留了較多的砂石，并形成了砂洲，對正常行洪造成了較大的影響。

(11)閘門銹蝕、啟閉設(shè)備陳舊落后。吟江壩水閘左、右岸泄洪閘閘門出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形和銹蝕情況，閘門框架和面板銹蝕比較嚴(yán)重，其中左岸泄洪閘閘門位置出現(xiàn)了多處銹穿的情況，閘門止水破損、老化，鋼繩、吊耳、螺栓等金屬構(gòu)件銹蝕嚴(yán)重，一些地方已經(jīng)出現(xiàn)了銹損，吟江壩水閘28扇疊搭式活動門多扇閘門明顯變形；主梁、次梁等嚴(yán)重銹蝕，銹坑較深且密集成片，局部出現(xiàn)銹損、缺肉。

3 病險水閘除險加固內(nèi)容

(1)泄洪閘段。根據(jù)泄洪閘段當(dāng)前存在的問題，提出了下述改造措施：對啟閉設(shè)備和泄洪閘閘門進(jìn)行更換，采用卷揚機(jī)提升和弧形閘門進(jìn)行啟閉。將老化的消力池拆除，然后新建長26.43 m，厚度為1 m的消力池。使用鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑，漿砌石海漫的厚度為0.8 m，長度為28.0 m。使用高強(qiáng)硅粉鋼筋纖維混凝土對排架、啟閉機(jī)梁、底板等進(jìn)行修補，并使用高分子聚合物砂漿處理閘墩表面[4]。

(2)閘壩段。拆除原閘壩進(jìn)行重新修建，將原來的28扇疊搭式活動門改建為11孔7.0 m×2.8 m(長×高)平板鋼閘門；在下游重建消力池長22.3 m，漿砌石海漫護(hù)底厚0.8 m，長30.1 m；設(shè)工作橋，寬3.0 m。

(3)加固左岸上游和下游堤防。使用高分子聚合物砂漿處理原左岸鋼筋混凝土堤防工程。

(4)右岸。將右岸漿砌石護(hù)坡拆除，然后使用生態(tài)石墊進(jìn)行護(hù)砌，砌筑厚度為50 cm。

4 病險水閘除險加固技術(shù)4.1 泄洪閘閘墩加固技術(shù)

根據(jù)該工程閘墩存在的問題，決定使用聚合物砂漿修補閘墩。聚合物水泥砂漿作為近年來一種新型的修補材料，通過在水泥砂漿中摻入少量的有機(jī)聚合物，可以使水泥砂漿的各項性能得到顯著的改善，與普通的水泥砂漿相比，其具有抗拉彈模低、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨、抗?jié)B、抗凍等優(yōu)點，具有良好的黏結(jié)性能，適用于因氣蝕、碳化、凍融破壞等造成的表面剝蝕破壞、表層開裂等裂縫修補。具體施工工藝如下：處理表面→拌制PEA砂漿→刷涂基液→PEA砂漿抹面→養(yǎng)護(hù)。

(1)處理基底。為了保證工程施工質(zhì)量，需將涂刷面的雜物清除干凈，然后使用高壓水進(jìn)行沖洗，為了保證基底和聚合物水泥砂漿保持良好的黏結(jié)性，從基液涂刷4 h起，要持續(xù)保持槽面濕潤，并使表面達(dá)到飽和面干的狀態(tài)。

(2)配制聚合物水泥砂漿。在配置水泥砂漿聚合物時，需根據(jù)氣溫、材料以及施工要求的和易性，通過現(xiàn)場試驗后將配合比確定出來，然后采用人工拌和的方法進(jìn)行拌和施工，使乳液和水可以更好地混合，然后將其加入到砂和水泥中，并攪拌均勻。聚合物水泥砂漿拌和好以后要求在30～40 min內(nèi)使用完[5]。

(3)抹面施工。使用人工抹面的方法進(jìn)行聚合物水泥砂漿的抹面施工，要求一次性抹壓平整，避免拉裂漿液凝固過程中產(chǎn)生的聚合物膜。為了提高施工質(zhì)量和修補層黏結(jié)強(qiáng)度，要求使用截面處理劑噴涂基底，當(dāng)抹面厚度>10 mm時，要分層進(jìn)行施工。

(4)養(yǎng)護(hù)。聚合物水泥砂漿進(jìn)行抹面成膜后，要馬上使用塑料布覆蓋，然后在4 h后進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù)，通常濕養(yǎng)時間控制為7 d，使用表面處理劑在表面涂刷一層，自然養(yǎng)護(hù)21 d左右。

4.2 泄洪閘閘底板處理方案

本工程泄洪閘底板存在破損和孔洞等問題，而且混凝土碳化量已超過了鋼筋保護(hù)層的厚度，因此，需將閘墩、底板等已經(jīng)碳化的混凝土鑿除，然后使用高強(qiáng)度硅粉鋼纖維混凝土材料進(jìn)行修補。同時，鋼纖維混凝土具有普通鋼纖維混凝土和硅粉混凝土的優(yōu)點，可顯著提升混凝土的變形能力和力學(xué)強(qiáng)度，尤其是可以提升混凝土的抗磨蝕能力和抗沖擊能力，可有效減少混凝土裂縫，降低混凝土沖刷。因此，本工程使用高強(qiáng)硅粉鋼纖維混凝土作為修補材料，規(guī)格如表1所示。在進(jìn)行施工時，首先要鑿除疏松和碳化部分的混凝土，然后進(jìn)行鑿毛處理，并使用清水進(jìn)行沖洗，沖洗完成后使用高強(qiáng)度硅粉鋼纖維混凝土進(jìn)行澆筑，澆筑完成后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。人工將疏松和破損的混凝土鑿除，鑿除要全面徹底，為了不對混凝土造成破壞，要求鑿除深度不能過大，表面鑿除工作結(jié)束后，需立即使用高壓水槍進(jìn)行沖洗，沖洗壓力為4 MPa以上。在進(jìn)行混凝土澆筑前的2 h，需使用凈水進(jìn)行均勻噴灑，持續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d以上。在進(jìn)行施工時，要對粗細(xì)骨料中水的含量進(jìn)行測定，每一個工作班要測定一次以上，一旦發(fā)現(xiàn)含水量出現(xiàn)了比較大的變化時，要提高觀測次數(shù)，并根據(jù)觀測結(jié)果對材料使用量和水量進(jìn)行調(diào)整。施工期間，要求材料誤差控制在表1偏差允許值范圍內(nèi)。鋼纖維混凝土攪拌過程中，可以先將粗細(xì)骨料、鋼纖維和水泥進(jìn)行干拌，然后采用濕拌的方法進(jìn)行拌和施工。鋼纖維混凝土拌和物顏色要一致、均勻，不允許出現(xiàn)泌水、離析和鋼纖維團(tuán)結(jié)的情況。

表1 材料偏差允許值 %

4.3 閘壩基礎(chǔ)防滲處理方案

水閘壩基右岸壩肩使用高壓旋噴灌漿處理措施進(jìn)行處理，而對于左岸壩肩和閘基使用帷幕灌漿的方法進(jìn)行處理。閘基帷幕灌漿孔使用單排孔灌漿措施進(jìn)行施工，灌漿孔之間的間隔距離為2 m，一共布置92個孔，孔底要深入到不透水層(q=10 Lu)以下1 m。閘基高壓旋噴灌漿孔采用單排孔灌漿，灌漿孔之間的間隔距離為2.0 m，一共布置35孔。右岸護(hù)坡高壓旋噴灌漿孔采用單排孔進(jìn)行灌漿，灌漿孔之間的間隔距離為1.5 m，一共布置88孔，由于右岸堤防采用礫質(zhì)、粉質(zhì)黏土進(jìn)行施工，因此要就近取土作為填土。堤基為河流沖擊堆積層，具有較強(qiáng)的透水性，通過進(jìn)行注水試驗后發(fā)現(xiàn)其滲透系數(shù)為3.1×10-3cm/s，填土層與堤基接觸面處理質(zhì)量差是造成繞閘滲流的主要原因。因此，設(shè)計采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行壩基灌漿處理。一共分為3個工序進(jìn)行灌漿，分別為Ⅰ序孔-Ⅱ序孔-Ⅲ序孔，按照自上而下的原則進(jìn)行灌注施工，灌注壓力控制在0.4～1.0 MPa，灌漿過程中要注意控制基礎(chǔ)面的壓力，并盡量使?jié){液可以順著基礎(chǔ)面進(jìn)行擴(kuò)散充填，以提高接觸面的防滲效果。

5 結(jié) 語

病險水閘由于年久失修，存在的問題較多，為了提升水閘安全，需進(jìn)一步對水閘安全度、水閘病害進(jìn)行分析，然后針對存在的病害制定加固措施。文章以實際工程為例，對病險水閘除險加固措施進(jìn)行了分析和探討，取得了良好的施工效果，值得類似工程借鑒和參考。