船閘安全檢測與評價實例分析

◎桂彬 北京市城市河湖管理處

1.前言

船閘作為重要的水運交通基礎(chǔ)設(shè)施，受運行條件、施工質(zhì)量等各種因素影響，容易發(fā)生諸如混凝土剝落、裂縫、凍融破壞、嚴重碳化、鋼筋銹蝕、閘門及啟閉設(shè)備老化等病害缺陷。當(dāng)船閘經(jīng)過多年運行后，為及時準確掌握船閘工程安全狀況、科學(xué)制定運行管理及維修加固措施，有必要對船閘進行安全鑒定或評價工作。目前，國家或行業(yè)尚未發(fā)布關(guān)于船閘的安全評價管理辦法和標準規(guī)范，水利單位管轄的船閘的安全評價可參照SL214-2015《水閘安全評價導(dǎo)則》執(zhí)行。本次以安定船閘為例，按照水閘安全評價導(dǎo)則對其進行了專項與綜合安全評價，評定了船閘安全類別，為其他船閘工程的安全評價提供參考。

安定船閘工程于2007年建成，為單線、單級、單向擋水船閘，分為上游引航段、防洪門段、上閘首段、閘室段、下閘首段、下游引航段，全長145.5m。安定船閘兼有泄洪及通航雙重功能，在正常運用情況下，擔(dān)負通航任務(wù)，當(dāng)遇到二十年及其以上洪水時，在打開節(jié)制閘的同時，需開啟船閘參加泄洪。船閘上閘首設(shè)一道人字門，門高3.16m。下閘首設(shè)一道人字門，門高5.0m。人字門采用臥式液壓啟閉機啟閉，啟閉機容量2×100kN/2×50kN。

2.工程現(xiàn)狀調(diào)查分析

工程現(xiàn)狀調(diào)查分析是船閘安全評價工作的首要程序和重要步驟，是船閘安全評價的基礎(chǔ)工作，需要由經(jīng)驗豐富、專業(yè)齊備的專家組開展現(xiàn)狀調(diào)研?，F(xiàn)狀調(diào)查內(nèi)容應(yīng)包括工程技術(shù)資料收集、工程現(xiàn)狀的全面檢查和工程存在問題的初步分析，并對船閘工程安全管理進行初步評價。

通過查閱安定船閘工程技術(shù)資料及對現(xiàn)場檢查情況初步分析，船閘管護范圍明確可控，管理規(guī)章制度齊全并落實，船閘按審批的控制運用計劃合理運用，管理設(shè)施滿足運行要求；工程設(shè)施總體狀況尚好，但船閘啟閉機部分構(gòu)件存在比較明顯的老化、銹蝕、損壞現(xiàn)象；船閘無沉降、揚壓力等一般觀測項目，缺乏監(jiān)測船閘安全運行的位移、揚壓力等必要觀測措施。

3.混凝土結(jié)構(gòu)安全檢測

3.1 外觀狀況檢測

船閘整體外觀狀況較好，上閘首、閘室、下閘首均未出現(xiàn)明顯的異常沉降、傾斜和滑移等情況，下游未發(fā)現(xiàn)因繞滲而產(chǎn)生的滲漏水跡象和變形、移位等的不穩(wěn)定狀況。上游引航段左邊墻頂部邊緣存在2處剝落、掉角，個別伸縮縫頂部兩側(cè)混凝土開裂、破損。上游引航段邊墻、上游導(dǎo)流墻、下游導(dǎo)流墻、下游引航段邊墻共發(fā)現(xiàn)5條豎向裂縫和1條斜向裂縫，裂縫自頂部向下延伸，縫寬0.21～2.1mm，縫深5.6～17.8cm。

3.2 混凝土碳化深度檢測

混凝土碳化深度是推定回彈強度的重要參數(shù)，是分析評價結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕狀況的重要影響因素。本次對安定船閘引航段邊墻、導(dǎo)流墻、閘首段邊墩、閘室段邊墩及下游人行橋板梁混凝土進行了碳化深度檢測。檢測結(jié)果表明，安定船閘混凝土結(jié)構(gòu)均有一定程度的碳化，各個檢測構(gòu)件碳化深度最小值7.6mm、最大值13.9mm，均小于現(xiàn)場實測的鋼筋保護層厚度。

3.3 混凝土強度檢測

鉆孔取芯檢測混凝土強度的方法準確、可靠，但會破壞混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，不適宜大范圍采用。回彈法為無損檢測，不會造成結(jié)構(gòu)破壞，且操作簡便、精度較高，可對船閘結(jié)構(gòu)全部構(gòu)件進行檢測。本次安定船閘混凝土強度檢測主要以回彈法為主，并在上閘首和下閘首的邊墩上各鉆取一根芯樣，進行了芯樣抗壓強度試驗。上述兩種方法混凝土強度檢測結(jié)果表明，船閘混凝土平均強度均大于40MPa，超過原設(shè)計強度等級C25混凝土的強度。

3.4 鋼筋保護層厚度檢測

本次現(xiàn)場采用電磁感應(yīng)法，對閘墩、邊墻、人行橋板等構(gòu)件的鋼筋保護層厚度進行了檢測。由檢測結(jié)果可知，引航段邊墻、導(dǎo)流墻、上下閘首與閘室左右邊墩縱向受力鋼筋保護層厚度平均值在51.4～67.6mm之間，人行橋板鋼筋保護層厚度平均值為28.0mm，船閘被測各構(gòu)件鋼筋保護層厚度均大于相應(yīng)的設(shè)計保護層厚度，且均滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008）中縱向受力鋼筋混凝土保護層最小厚度的規(guī)范要求。

3.5 鋼筋銹蝕狀況檢測

鋼筋銹蝕會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能和承載能力造成不利影響。本次檢測采用GECOR8鋼筋銹蝕檢測儀，根據(jù)半電池電位值檢測數(shù)據(jù)來評價混凝土中鋼筋銹蝕狀況。現(xiàn)場主要選取上閘首左邊墩、閘室左右兩側(cè)閘墩、下閘首左邊墩以及人行橋板梁進行了鋼筋銹蝕狀況檢測。由檢測結(jié)果可見，各檢測構(gòu)件鋼筋半電池電位檢測值均正向大于-200mv，鋼筋發(fā)生銹蝕的概率很小，考慮到碳化深度尚未超過實測鋼筋保護層厚度，判斷閘墩、人行橋板等構(gòu)件內(nèi)鋼筋未發(fā)生銹蝕。

4.金屬結(jié)構(gòu)與機電設(shè)備安全檢測[6]

4.1 閘門外觀狀況檢測

上、下閘首閘門總體情況較好，未發(fā)現(xiàn)損傷變形現(xiàn)象；閘門表面涂層基本完整，未見銹跡，總體腐蝕程度為A級，即輕微腐蝕；閘門頂樞裝置及拉桿裝置狀況良好，連接正常；門軸柱、斜接柱及導(dǎo)卡裝置等未見損傷變形、缺件、腐蝕等情況；門體與啟閉機推拉桿之間支承座未見異常；支枕及枕座連接完好；止水裝置零部件齊全，連接牢靠，止水螺栓未見銹蝕，止水橡皮未見老化，側(cè)止水裝置的座板埋件完好。

4.2 閘門腐蝕量檢測

選擇船閘上、下閘首人字門主要構(gòu)件進行腐蝕量檢測，測試數(shù)據(jù)分別為49個、58個。通過對腐蝕量檢測數(shù)據(jù)進行整理，上、下閘首人字門腐蝕量均主要位于0.1～0.4mm，下閘首閘門腐蝕量主要位于0.1～0.4mm，總體平均腐蝕量分別為 0.29mm、0.30 mm，頻數(shù)分別為93.9%、84.5%。閘首人字門主要構(gòu)件腐蝕量頻數(shù)分布統(tǒng)計圖見圖1和圖2。

圖1 上閘首人字門腐蝕量頻數(shù)統(tǒng)計

圖2 下閘首人字門腐蝕量頻數(shù)統(tǒng)計

4.3 閘門焊縫無損探傷

本次船閘人字門焊縫質(zhì)量探傷采用接觸式超聲脈沖反射法?？紤]閘門焊縫類別和受力情況，選取人字閘門的主橫梁、邊梁、面板為主要檢測構(gòu)件。焊縫探傷比例：上、下閘首人字閘門二類焊縫分別約為50%和75%，一類焊縫未探到。焊縫超聲波探傷結(jié)果：上、下閘首閘門所有受檢焊縫都不存在裂紋及超標缺陷。

4.4 啟閉機現(xiàn)狀檢測

安定船閘人字門啟閉機為臥式液壓啟閉機，主要由電動機—液壓泵組、濾油器、控制裝置、液壓缸、活塞桿、液壓管路、壓力表計、干燥劑、油箱、操作控制系統(tǒng)以及機架等組成。

啟閉機泵站設(shè)備及液壓控制系統(tǒng)、液壓缸及活塞桿等均布置于室外機坑內(nèi)，啟閉機液壓泵站老化現(xiàn)象嚴重，液壓缸銹蝕，液壓缸回轉(zhuǎn)支鉸座及聯(lián)接螺栓銹蝕、銹損，液壓系統(tǒng)液壓管路及管接頭銹蝕，活塞桿端頭連接耳板銹蝕，啟閉機A、B桿端頭調(diào)節(jié)螺紋及連接耳板銹蝕；啟閉機行程控制裝置損壞；啟閉機備用電源柴油發(fā)電機目前為廢棄狀況。綜上所述，啟閉機設(shè)備、系統(tǒng)及零部件存在嚴重的老化、銹蝕、損壞現(xiàn)象，啟閉機不能滿足安全運行要求。

5.工程復(fù)核計算

安全復(fù)核計算是船閘安全評價的重要環(huán)節(jié)，其目的是復(fù)核船閘各建筑物與設(shè)施能否按標準與設(shè)計要求安全運行。參照SL214-2015《水閘安全評價導(dǎo)則》規(guī)定，本次安定船閘安全復(fù)核包括防洪標準、滲流、結(jié)構(gòu)與抗震、金屬結(jié)構(gòu)等幾項工作內(nèi)容。

5.1 防洪標準復(fù)核

安定船閘主要功能是通航、防洪，本次安定船閘防洪標準復(fù)核包括洪水標準、閘頂高程、過流能力復(fù)核。

（1）洪水標準復(fù)核。安定船閘主要功能為通航、防洪，原設(shè)計為3級水工建筑物，按50年一遇洪水設(shè)計、100年一遇洪水校核。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017），安定船閘設(shè)計洪水標準達到3級主要建筑物防洪標準，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）閘頂高程復(fù)核。根據(jù)現(xiàn)行水閘設(shè)計規(guī)范，閘頂計算高程應(yīng)根據(jù)擋水工況和泄水工況共同確定。擋水工況時，正常蓄水位或最高擋水位加波浪高度與相應(yīng)安全加高值之和應(yīng)低于閘頂高程；泄水工況時，設(shè)計洪水位和校核洪水位與相應(yīng)安全加高值之和應(yīng)低于閘頂高程。閘頂超高復(fù)核計算結(jié)果表明，閘頂高程應(yīng)不低于43.84m，現(xiàn)狀安定船閘閘頂高程為44.20m，船閘閘頂高程滿足防洪要求。

（3）過流能力復(fù)核。安定船閘兼有泄洪及行船雙重功能，當(dāng)遇到二十年及其以上洪水時，由安定船閘和節(jié)制閘聯(lián)合運用擔(dān)負下泄洪水的任務(wù)。安定船閘與節(jié)制閘計算閘孔總凈寬為15.99m，實際閘孔總凈寬為18.0m，計算結(jié)果表明閘孔凈寬滿足過流能力要求。

5.2 滲流安全復(fù)核

安定船閘閘址位于永定河沖洪積扇中部，地形較平坦，場地類別為Ⅱ類。場區(qū)主要被為第四系沖洪積地層所覆蓋，地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為粘、砂雙層結(jié)構(gòu)，上部位粘質(zhì)粉土或粉質(zhì)粘土，下部以粉砂為主。本次滲流安全復(fù)核考慮較不利的正常蓄水位工況，采用改進阻力系數(shù)法進行滲透坡降計算，得到出口段和底板水平段滲透坡降值分別為0.155、0.058。為保證閘基滲流穩(wěn)定，《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）要求閘基的允許坡降必須小于土的臨界坡降，其中粉砂閘基的水平段和滲流出口處允許滲透坡降允許值分別為0.15～0.25、0.40～0.50。由滲流計算結(jié)果可以看出，船閘地基滿足滲流穩(wěn)定要求。

5.3 結(jié)構(gòu)與抗震安全復(fù)核

根據(jù)安定船閘實際狀況，本次船閘穩(wěn)定復(fù)核分析主要考慮正常蓄水位、校核洪水位、檢修及地震等四種工況。上述工況下復(fù)核計算結(jié)果說明：閘室基底應(yīng)力平均值為67.5～111kPa、閘室基底應(yīng)力最大值148kPa，均小于閘基允許承載力（160kPa）；閘室基底的應(yīng)力不均勻系數(shù)均小于規(guī)范要求的允許值，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值，且船閘抗震措施有效，說明閘室是安全穩(wěn)定的。

5.4 金屬結(jié)構(gòu)復(fù)核

根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)型式及荷載大小綜合分析，對船閘下閘首人字門進行復(fù)核計算。閘門的外形尺寸和主要構(gòu)件尺寸按設(shè)計圖紙并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)取用，構(gòu)件的截面尺寸以現(xiàn)場實測的蝕余厚度為準。計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力，閘門作用水頭3.38m。閘門復(fù)核計算結(jié)果表明，閘門主橫梁最大正應(yīng)力為24.8MPa、最大剪應(yīng)力為6.7MPa，門軸柱最大正應(yīng)力為28.0MPa、最大剪應(yīng)力為1.75MPa，面板最大折算應(yīng)力為25.8MPa，均小于相應(yīng)材料應(yīng)力容許238.3MPa。

5.5 機電設(shè)備安全復(fù)核

船閘人字門啟閉設(shè)備為2×100kN/2×50kN臥式油壓啟閉機，配套型號為QA112M4A三相交流異步電動機，電動機選型滿足工程需要。啟閉機布置有室內(nèi)集中控制柜和基坑內(nèi)現(xiàn)地操作控制箱、低壓配電柜等設(shè)備，啟閉機控制設(shè)備和變配電設(shè)備配置齊全，滿足標準要求。啟閉機備用電源柴油發(fā)電機目前處于廢棄狀態(tài)。綜上所述，備用電源目前處于廢棄狀態(tài)，但機電設(shè)備總體狀況較好，運行控制功能正常。

6.安全綜合評價

船閘安全評價需要綜合考慮安全管理、工程質(zhì)量和防洪標準、滲流、結(jié)構(gòu)、抗震、金屬結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備等船閘工程各專項安全性分級評價結(jié)果，綜合評定船閘安全類別。

安定船閘安全管理、工程質(zhì)量和防洪標準、滲流、結(jié)構(gòu)、抗震、金屬結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備等各項安全性分級評價結(jié)果見表1。

表1 船閘安全性分級評價結(jié)果

按照《水閘安全評價導(dǎo)則》中水閘安全分類原則，船閘工程按工程質(zhì)量和安全性分級含有C級的可評定為三類閘，當(dāng)防洪標準、滲流安全和結(jié)構(gòu)安全等影響船閘安全的關(guān)鍵性指標中含有C級的為四類閘。故安定船閘安全綜合評定為三類船閘。

7.結(jié)語

目前，國家或行業(yè)尚未發(fā)布關(guān)于船閘的安全評價管理辦法和標準規(guī)范，水利單位管轄船閘的安全評價可參照SL214-2015《水閘安全評價導(dǎo)則》執(zhí)行。本文結(jié)合安定船閘工程實例，闡述了船閘工程現(xiàn)狀調(diào)查、安全檢測、工程復(fù)核和安全評價內(nèi)容，給出了船閘專項安全性分級評價結(jié)果和安全綜合評價等級，為船閘后續(xù)運行維護和修補加固提供了依據(jù)。