南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程關(guān)鍵技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

周守朋

（沂沭泗水利管理局防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì) 徐州 221018）

1958年興建的二級(jí)壩樞紐將南四湖分為上、下級(jí)湖，并與多年陸續(xù)建設(shè)成的湖東、湖西大堤連接，分別形成上、下級(jí)湖防洪圈圍。二級(jí)壩樞紐工程屬大（1）型工程，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，其主要建筑物攔湖土壩、穿壩建筑物等均為1 級(jí)建筑物，壩頂公路為二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，溢流壩交通橋和一閘交通橋荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅰ級(jí)。

1 工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

1.1 工程存在的問題

南四湖二級(jí)壩攔湖土壩始建于20 世紀(jì)50年代末，由于受條件限制，雖經(jīng)多次加固，至今仍存在許多質(zhì)量問題，長期以來土壩一直帶病運(yùn)行。主要存在以下問題：現(xiàn)有壩頂高程不滿足規(guī)范要求；大壩工程簡陋，老化失修嚴(yán)重，上、下游大部分無護(hù)坡，局部護(hù)坡已遭損壞，局部壩段上游坡較陡；溢流壩堰頂因兼作交通道路，面層混凝土開裂、露石、下沉等現(xiàn)象嚴(yán)重，護(hù)坡、下游漿砌石消力池破損嚴(yán)重，溢流壩泄洪時(shí)存在嚴(yán)重安全隱患；樞紐工程的管理范圍未經(jīng)確權(quán)劃界，運(yùn)行管理狀況較差，壩體大量被違建房、碼頭等占用；缺少安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，屬三類壩。

1.2 工程加固內(nèi)容

根據(jù)工程實(shí)際，南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程的建設(shè)內(nèi)容：（1）結(jié)合壩頂加高的道路翻修整治，新建瀝青混凝土道路；（2）對(duì)原8 條上壩道路進(jìn)行改建；（3）對(duì)壩坡采用混凝土砌塊及框格草皮護(hù)砌進(jìn)行防護(hù)；（4）維持原溢流壩規(guī)模，拆除重建溢流壩堰頂、護(hù)坡及消力池，同時(shí)，在堰頂上方新建公路橋，使溢流和壩頂交通分開；（5）拆除重建一閘交通橋板；（6）對(duì)一閘自動(dòng)化系統(tǒng)和電氣設(shè)備、管理局監(jiān)控系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，增設(shè)攔湖土壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。

2 工程加固關(guān)鍵技術(shù)實(shí)踐

2.1 施工交通導(dǎo)行

二級(jí)壩壩頂?shù)缆窞閲?18 公路的一段，是連接南四湖湖東、湖西的唯一通道和蘇魯兩省的重要交通要道，交通繁忙，工程附近煤碼頭眾多，超載重型車輛多，施工中難以中斷交通，交通車輛對(duì)施工干擾大，交通管理任務(wù)重，因此工程施工交通導(dǎo)行是本工程實(shí)施的難點(diǎn)和關(guān)鍵。初步設(shè)計(jì)提出根據(jù)各壩段地形條件布置臨時(shí)交通道路：溢流壩段結(jié)合上游圍堰在堰頂修建臨時(shí)道路，土壩段緊靠大壩上下游湖側(cè)壩腳布置臨時(shí)交通道路。以上臨時(shí)道路布置方案主要存在以下問題：溢流壩段采用上游圍堰堰頂兼作臨時(shí)道路，圍堰填筑量大，需要土方多，本工程土方奇缺，代價(jià)高，超載重型車輛多，水下填土不密實(shí)，后期維護(hù)量大；同時(shí)更為重要的是臨時(shí)交通要穿過當(dāng)?shù)貪竦毓珗@，補(bǔ)償費(fèi)用高、協(xié)調(diào)難度大，嚴(yán)重影響臨時(shí)道路開通時(shí)間；其他壩段在壩腳布置臨時(shí)交通道路，地面附著物多，地下水位高，路基難以處理。

根據(jù)工程實(shí)際情況，本工程對(duì)臨時(shí)施工道路進(jìn)行了優(yōu)化。一是溢流壩段利用原下游漿砌石護(hù)坡較緩，基礎(chǔ)較好，兩側(cè)可以直接銜接壩頂?shù)缆诽攸c(diǎn)，在下游護(hù)坡上作臨時(shí)交通道路，待溢流壩交通橋通車后再對(duì)溢流壩護(hù)坡進(jìn)行拆除重建；此方案不但可解決路基問題，減少了后期臨時(shí)道路的維護(hù)，更為重要的是大大提前了臨時(shí)道路的通車時(shí)間，為后續(xù)工程實(shí)施提供了有利條件。二是壩頂加高段，根據(jù)工程進(jìn)展和現(xiàn)場條件合理安排工期，分段施工，分段導(dǎo)行，保證未實(shí)施段道路暢通，實(shí)施壩段將臨時(shí)導(dǎo)行道路設(shè)在原壩頂?shù)缆穬蓚?cè)，地面附著物少，基礎(chǔ)較好，易于實(shí)施，兩側(cè)均單向能行，可以保證道路基本暢通；同時(shí)和公安交警部門加強(qiáng)溝通，對(duì)施工導(dǎo)行路段加強(qiáng)交通疏導(dǎo)，必要時(shí)采取限行、禁行措施。

2.2 壩頂?shù)缆方Y(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)

由于二級(jí)壩壩頂?shù)缆窞閲?18 公路的一段，交通繁忙，超載重型車輛多，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則為：（1）具有一定的高溫穩(wěn)定性；（2）具有一定的低溫抗裂性；（3）具有一定的水穩(wěn)定性；（4）具有一定的抗疲勞性能；（5）具有一定的抗老化性能；（6）具有一定的適應(yīng)路基變形能力。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)和二級(jí)壩壩頂交通的實(shí)際狀況，考慮維修方便和整體環(huán)境美觀，南四湖二級(jí)壩攔湖土壩壩頂公路采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是：（1）表面平整、無接縫、行車舒適、耐磨、震動(dòng)小、噪音低；（2）施工工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡便、適宜于分期修建?？紤]到二級(jí)壩攔湖土壩現(xiàn)狀壩頂路面路基厚度為0.6m左右，壩頂公路下土層：第0 層人工填土，為粘土、粉質(zhì)粘土，可塑狀態(tài)為主，局部軟塑或硬塑狀態(tài)，中等壓縮性土，含水率為31.2%；第①層粘土，軟塑至可塑狀態(tài)，為中、高壓縮性土，含水率40.5%。路基下土層含水率高，采用沖擊碾壓技術(shù)對(duì)原有道路進(jìn)行處理時(shí)易導(dǎo)致土層成為“橡皮土”，新修建道路后期運(yùn)行時(shí)容易損毀。因此本工程采用挖除現(xiàn)狀壩頂路面、回填石灰土做路床的方式。通過路床結(jié)構(gòu)采用水泥土回填、路面結(jié)構(gòu)采用水泥穩(wěn)定碎石基層和瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，較好地解決了水利工程壩頂?shù)缆芳孀鹘煌ü窐?biāo)準(zhǔn)低、已損壞等問題。

2.3 商品混凝土應(yīng)用

本工程位于南四湖保護(hù)核心區(qū)，又是南水北調(diào)輸水干線所在地，現(xiàn)場建設(shè)混凝土攪拌系統(tǒng)，生態(tài)和環(huán)境保護(hù)都不允許，本工程所需混凝土約3.7 萬m3，須采用商品混凝土。二級(jí)壩樞紐周邊廠家生產(chǎn)的商品混凝土多用于房屋建筑工程，和水工混凝土有一定區(qū)別，為此建設(shè)各方通過多方案比較，決定采用生產(chǎn)廠家代加工工程所需混凝土；通過多方考察，選用規(guī)模滿足需求、信譽(yù)良好、質(zhì)量保證體系完善、距離工地現(xiàn)場較近的廠家為工程提供所需混凝土。為保證本工程所需混凝土質(zhì)量滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，采取以下措施：一是單獨(dú)一條生產(chǎn)線專供二級(jí)壩工地，以保證生產(chǎn)的混凝土數(shù)量和質(zhì)量滿足要求；二是混凝土配合比由具有水利工程檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)提供；三是生產(chǎn)混凝土所需的原材料如砂、石子、水泥以及外加劑單獨(dú)采購、分開存放，確保使用的原材料滿足要求；四是監(jiān)理工程師駐廠現(xiàn)場監(jiān)理，對(duì)混凝土生產(chǎn)全過程進(jìn)行控制。通過對(duì)混凝土配合比、原材料嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)混凝土生產(chǎn)進(jìn)行了全過程控制，保證了混凝土的質(zhì)量，混凝土質(zhì)量合格率100%。本工程雖然名義上為購買的商品混凝土，實(shí)際上對(duì)混凝土生產(chǎn)進(jìn)行了全過程控制，不但保證了水工混凝土的質(zhì)量和工程的進(jìn)度，而且對(duì)生態(tài)、環(huán)境的影響降到最小。

2.4 一閘交通橋板拆除安裝

南四湖二級(jí)壩樞紐第一節(jié)制閘交通橋建于二十世紀(jì)五十年代，閘墩（橋墩）為漿砌石結(jié)構(gòu)，橋板為整體現(xiàn)澆，交通橋下為閘室和消力池，水深約3m。橋下沒有通道和工作場地，拆除、安裝交通橋板工作面狹??；另外交通橋上游緊臨啟閉機(jī)房排架柱，架橋機(jī)無法安裝，施工難度很大。通過多方案論證咨詢，充分研討，優(yōu)化施工組織，攻克了一閘交通橋板更換工程施工難題。主要采取了以下措施：一是因橋板下是漿砌石閘墩，為防止擾動(dòng)閘墩，橋板不能采用機(jī)械破碎，只能吊裝拆除，原交通橋面寬僅為6.7m，橋面不能布置大型吊裝設(shè)備，因此采用對(duì)原交通橋板分割后吊裝拆除，分割采用繩鋸和圓盤鋸相結(jié)合方式進(jìn)行，拆除吊裝在原交通橋上從一側(cè)邊退邊拆依次進(jìn)行；二是橋板拆除后在橋墩上搭設(shè)鋼便橋施工通道，鋼便橋?qū)挾?、高度既要滿足施工通行的需要，又不能影響下部蓋梁的施工；三是在原閘墩上澆筑蓋梁兩側(cè)模板架設(shè)、固定困難，如順著閘墩從下往上架設(shè)腳手架，在近3m 深的水中搭設(shè)約8m 高的腳手架，不但成本高，工期長，安全也難以保證，通過不斷試驗(yàn)和摸索，利用鋼筋加工扁擔(dān)梁，在下部支撐蓋梁兩側(cè)模板，同時(shí)采用對(duì)拉螺栓固定，不但節(jié)約了成本還加快了施工進(jìn)度；四是在墊石施工中引進(jìn)新型砂漿材料（RD-GM342）支座灌漿料，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，大大加快了施工進(jìn)度；五是橋板預(yù)制摒棄了傳統(tǒng)的氣囊作胎模，采用了PC 管作胎模，解決了氣囊上浮混凝土保護(hù)層不好控制，原氣囊胎模拆模時(shí)間不好掌控，拆模早了對(duì)混凝土有擾動(dòng)影響等問題；同時(shí)橋板可以一次成型不用二次封端，保證了一二期混凝土的結(jié)合，縮短了工期。

2.5 橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)研發(fā)

新建的溢流壩交通橋是國道518 的組成部分，為了避免重載、超載車輛對(duì)交通橋造成結(jié)構(gòu)性破壞，出現(xiàn)較大的安全事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，本工程建設(shè)了一套完整的橋梁健康診斷體系，系統(tǒng)主要包括橋面通行車輛荷載、橋梁內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)、外部撓度監(jiān)測(cè)以及橋梁動(dòng)載健康診斷軟件。通過智能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，再通過軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和發(fā)布預(yù)警，能夠便捷高效地展示橋梁健康成果。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一是內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)：在第一跨5 片橋板中埋設(shè)4 只振弦式鋼筋應(yīng)力傳感器，其中混凝土空心板底部受拉區(qū)埋設(shè)2 只，上部受壓區(qū)埋設(shè)2 只，監(jiān)測(cè)橋板預(yù)制完成到通車運(yùn)行后的內(nèi)應(yīng)力變化；在第一跨5 片梁上部混凝土鋪裝層跨中位置埋設(shè)振弦式鋼筋應(yīng)力傳感器，監(jiān)測(cè)橋梁二期恒載加載及通車運(yùn)行后的內(nèi)應(yīng)力變化；二是表面應(yīng)變監(jiān)測(cè)：溢流壩交通橋通車運(yùn)行后，在第一跨橋板下部跨中位置安裝電阻式表面式應(yīng)變計(jì)，用于監(jiān)測(cè)通車后加載動(dòng)載荷后橋板表面應(yīng)力變化，用于同內(nèi)部應(yīng)變對(duì)比分析；三是橋板撓度監(jiān)測(cè)：在第一跨每片橋板下部安裝直線位移計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋板撓度變化，在成橋狀態(tài)下監(jiān)測(cè)橋板的形變，并通過靜態(tài)、動(dòng)態(tài)荷載條件下橋板撓度值的變化，來反映運(yùn)行狀態(tài)下橋梁的整體性能；四是荷載監(jiān)測(cè)：溢流壩交通橋東端連接道路上布設(shè)固定式軸重稱來獲取整車重量，通過高精度合金鋼橋式稱重傳感器，把收集到的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，顯示整車的重量，并向計(jì)算機(jī)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；五是數(shù)據(jù)讀取與分析：把應(yīng)力應(yīng)變、撓度、荷載數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器上，再通過新開發(fā)的“橋梁動(dòng)載健康診斷信息系統(tǒng)軟件”將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和分析展示，并設(shè)置預(yù)警閾值，達(dá)到設(shè)計(jì)閾值報(bào)警。

在溢流壩交通橋設(shè)置“車輛超載智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”，實(shí)時(shí)記錄超載車輛重量、通過時(shí)間和對(duì)應(yīng)橋板撓度，對(duì)運(yùn)行超警戒值及時(shí)預(yù)警，為保證工程安全運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了突破和創(chuàng)新。

2.6 自動(dòng)化整合

二級(jí)壩水利樞紐工程包括四座大型水閘、一座溢流壩、兩座船閘、一座泵站以及其他配套設(shè)施。隨著新時(shí)期治水思路的轉(zhuǎn)變，對(duì)水利工程的管理和運(yùn)維提出了更高的要求，水利信息化逐漸成為工程建設(shè)與管理過程中的短板，現(xiàn)有的工程管理信息化存在諸多問題：（1）業(yè)務(wù)支撐水平不高，新技術(shù)應(yīng)用少；（2）管理手段較為傳統(tǒng)和粗放；（3）數(shù)據(jù)共享整合不足，防汛抗旱、工程管理、水行政執(zhí)法和水資源管理數(shù)據(jù)各自獨(dú)立，信息共享困難，服務(wù)能力不足；（4）信息上傳下達(dá)途徑不暢，公文流轉(zhuǎn)還依靠紙質(zhì)文件；（5）硬件優(yōu)于軟件，軟件建設(shè)水平較低，制約了現(xiàn)有硬件水平充分發(fā)揮。

針對(duì)二級(jí)壩樞紐已有自動(dòng)化系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)存在的問題，應(yīng)對(duì)整個(gè)自動(dòng)化進(jìn)行整合。一是建設(shè)二級(jí)壩樞紐監(jiān)控中心自動(dòng)化系統(tǒng)，系統(tǒng)采用二級(jí)控制方式：監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制方式、閘站現(xiàn)地集中控制方式；二是建設(shè)二級(jí)壩樞紐視頻監(jiān)視系統(tǒng)，將以前多期建設(shè)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行整合，并補(bǔ)充部分視頻監(jiān)視設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/現(xiàn)地二級(jí)對(duì)閘站的上下游、控制室、設(shè)備運(yùn)行狀況，以及堤防險(xiǎn)情或涉水違法事項(xiàng)等進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。三是建設(shè)工程管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用硬件、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件以及OS等設(shè)施，采集工程的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、接口數(shù)據(jù)等，通過統(tǒng)一的信息資源平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)建立工程建設(shè)管理、工程運(yùn)維管理和協(xié)同辦公三個(gè)大的功能模塊，每個(gè)功能模塊又包含若干個(gè)小的功能模塊，解決用戶各單位業(yè)務(wù)橫向貫通難的問題。為項(xiàng)目法人、建管單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位、其他單位和管理單位等用戶服務(wù)，以權(quán)限服務(wù)控制，為不同的管理人員提供不同的服務(wù)。

本工程的自動(dòng)化整合實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)平臺(tái)、聯(lián)動(dòng)共享、實(shí)時(shí)共享、科學(xué)管理”的目標(biāo)，整合后的自動(dòng)化系統(tǒng)支持多技術(shù)的兼容與擴(kuò)展，支持多系統(tǒng)的無縫接入。

3 結(jié)語

南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程參建單位踐行新時(shí)代水利精神，超前謀劃、攻堅(jiān)克難、精心組織、勇于創(chuàng)新，克服了壩頂?shù)缆方煌ㄍㄐ袎毫Υ?、商品混凝土質(zhì)量把控難、施工組織安排復(fù)雜、施工方案變化因素多、電氣自動(dòng)化整合難度高等困難，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，確保了工程建設(shè)進(jìn)展順利。本文淺述了南四湖二級(jí)壩除險(xiǎn)加固工程關(guān)鍵技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用，以期為其他水利工程建設(shè)提供一定參考和借鑒■。