水閘安全評(píng)價(jià)技術(shù)與實(shí)踐研究

金 澤

（北京市城市河湖管理處，北京 100089）

1 研究背景

水閘是一種低水頭水工建筑物，主要修建在河道、灌渠，水閘可以啟閉，從而擋水、泄水控制水流，在城鎮(zhèn)灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)、環(huán)保、工業(yè)和生活用水等方面發(fā)揮著重要作用。北京市現(xiàn)有水閘工程1000余座，早期這些水閘工程在防洪、排澇、引水等方面發(fā)揮了重要作用，隨著北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水閘工程運(yùn)行服務(wù)年限加長，致使許多水閘存在安全隱患。為消除水閘工程病害，保證水閘安全穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)全面開展水閘加固、修補(bǔ)工作，而安全評(píng)價(jià)正是水閘消隱工作的重要一環(huán)。

《水閘安全鑒定管理辦法》要求，水閘工程要進(jìn)行定期的安全評(píng)價(jià)，以保證水閘工程安全運(yùn)行。第一次安全評(píng)價(jià)必須在竣工驗(yàn)收五年內(nèi)進(jìn)行，以后應(yīng)每隔10年均需進(jìn)行1次安全評(píng)價(jià)。如果水閘在運(yùn)行過程中出現(xiàn)影響安全的異?，F(xiàn)象，如較強(qiáng)地震、超標(biāo)準(zhǔn)洪水、重大事故等，也應(yīng)及時(shí)組織安全評(píng)價(jià)。

2 水閘安全評(píng)價(jià)現(xiàn)行的主要內(nèi)容

根據(jù)水利部現(xiàn)行SL214-2015《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》規(guī)定，水閘的安全評(píng)價(jià)工作主要包括：工程現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場安全檢測、復(fù)核計(jì)算、安全評(píng)價(jià)四個(gè)方面。

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

工程現(xiàn)狀調(diào)查是水閘安全評(píng)價(jià)工作重要的一環(huán)，主要包括工程技術(shù)資料收集整理、現(xiàn)場調(diào)查及工程現(xiàn)狀分析。工程技術(shù)資料的收集應(yīng)參照?qǐng)D1。

圖1 工程技術(shù)資料收集體系圖

工程技術(shù)資料收集齊備后，應(yīng)對(duì)工程薄弱部位、隱蔽部位進(jìn)行現(xiàn)場檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題要根據(jù)實(shí)際分析其影響，結(jié)合工程技術(shù)資料對(duì)工程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步分析。

最后，需針對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行安全管理評(píng)價(jià)：①工程管理范圍是否明確，技術(shù)人員定崗定編是否明確，是否滿足當(dāng)下運(yùn)行管理要求；②規(guī)章、制度是否齊全，控制運(yùn)用是否合理；③工程設(shè)施是否有效維護(hù)，安全監(jiān)測、管理設(shè)施等是否滿足運(yùn)行要求等。

2.2 安全檢測

現(xiàn)場安全檢測的項(xiàng)目需要根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告，結(jié)合工程運(yùn)行實(shí)際情況等綜合研究確定，一般包括以下內(nèi)容：①地基土、回填土的工程性質(zhì)。②消能防沖、防滲、導(dǎo)滲等相關(guān)設(shè)施的完整性、有效性。③混凝土和鋼筋混凝土的耐久性。④金屬結(jié)構(gòu)的安全性。⑤機(jī)電設(shè)備的可靠性。⑥監(jiān)測設(shè)施的有效性。⑦其他有關(guān)設(shè)施的檢測。

2.3 安全復(fù)核計(jì)算

安全復(fù)核計(jì)算是對(duì)水閘的安全運(yùn)行狀況的計(jì)算論證工作，它是結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查、安全檢測等資料進(jìn)行的接近于最終結(jié)論總結(jié)的一項(xiàng)工作，根據(jù)SL214-2015《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》，復(fù)核計(jì)算應(yīng)包括防洪標(biāo)準(zhǔn)、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全、抗震安全、金屬結(jié)構(gòu)安全、機(jī)電設(shè)備安全等內(nèi)容。

2.4 安全評(píng)價(jià)

安全復(fù)核計(jì)算完成后，應(yīng)按照工程概況、現(xiàn)狀調(diào)查情況、安全檢測、復(fù)核計(jì)算成果分析等內(nèi)容進(jìn)行水閘安全評(píng)價(jià)報(bào)告的編寫，并根據(jù)《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》規(guī)定對(duì)水閘進(jìn)行初步評(píng)定分類，共四類。其中，一類閘情況最優(yōu)，只需要常規(guī)養(yǎng)護(hù)；四類閘情況最差，需要降低運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)或報(bào)廢重建；二類閘需要進(jìn)行大修；三類閘需要及時(shí)進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

水閘安全評(píng)價(jià)的最終結(jié)論需要由水閘安全評(píng)價(jià)專家組給出，專家組主要針對(duì)現(xiàn)狀調(diào)查情況、安全檢測、復(fù)核計(jì)算成果所列數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性；檢測和計(jì)算方法是否符合現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等方面論證分析評(píng)價(jià)是否準(zhǔn)確，并給出水閘安全評(píng)價(jià)的最終結(jié)論。

3 水閘安全檢測技術(shù)分析

由以上章節(jié)可知，水閘現(xiàn)場安全檢測主要包括七個(gè)方面，其中混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測最為重要，以下主要針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)進(jìn)行具體分析。

混凝土結(jié)構(gòu)的檢測一般包括：外觀缺陷、強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、碳化深度、內(nèi)部質(zhì)量、等檢查檢測。

3.1 混凝土外觀缺陷檢查及內(nèi)部質(zhì)量檢測

混凝土結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量缺陷主要包括表面裂縫、剝蝕、露筋、表面侵蝕、凍融破壞、蜂窩麻面等；內(nèi)部缺陷主要包括內(nèi)部裂縫、孔洞等。

目前，混凝土外觀缺陷檢查主要是人工目視檢查，配合測量工具測定缺陷的特征數(shù)值及發(fā)展趨勢。內(nèi)部缺陷檢測中常使用超聲波法，探地雷達(dá)法、沖擊回波法。

（1）超聲波法。超聲波法亦是應(yīng)用最廣泛的檢測方法之一，超聲波法原理是當(dāng)聲波在超波路徑上遇到缺陷時(shí)，聲波會(huì)產(chǎn)生反射、繞射作用，會(huì)使波的幅度和傳播時(shí)間產(chǎn)生變化，根據(jù)這些變化可探知混凝土內(nèi)部質(zhì)量情況。通常應(yīng)用于測量裂縫深度、內(nèi)部孔洞等。

（2）電磁波法。電磁波法主要原理是發(fā)射和接收電磁波，然后把接收的電磁反射波形成圖像，不同介質(zhì)間的電性差異會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射波，通過圖像中的反射波圖像判斷介質(zhì)中的異常情況。在水閘安全評(píng)價(jià)中，電磁波法常用于混凝土內(nèi)部缺陷檢測、混凝土內(nèi)部鋼筋數(shù)量及保護(hù)層厚度。

（3）沖擊回波法。沖擊回波的原理是利用低頻應(yīng)力波（短時(shí)錘擊）傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，物體內(nèi)部由于介質(zhì)的不同會(huì)對(duì)機(jī)械波進(jìn)行反射，反射波被接收裝置收集處理形成圖像，通過對(duì)圖像的處理分析，判別物體內(nèi)部的情況。

3.2 混凝土強(qiáng)度及混凝土碳化深度檢測

水閘的混凝土強(qiáng)度檢測一般指對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測?；炷两Y(jié)構(gòu)受力性能主要是由于混凝土的抗壓強(qiáng)度影響，混凝土抗壓強(qiáng)度是其力學(xué)性能的綜合體現(xiàn)，是混凝土強(qiáng)度的最基礎(chǔ)指標(biāo)。在水閘現(xiàn)場檢測中應(yīng)用最廣泛的是回彈法、鉆芯法。

（1）回彈法?；貜椃ㄊ抢没貜梼x里的彈簧推動(dòng)重錘，通過彈擊桿沖擊混凝土表面，由于混凝土表面的強(qiáng)度會(huì)使重錘被反彈，所以可以通過重錘被反彈的距離與彈簧原本長度的比例來推定混凝土的強(qiáng)度。由于回彈法簡單快捷、受環(huán)境影響較小，目前已成為混凝土強(qiáng)度檢測中最常見、應(yīng)用最廣泛的一種無損檢測方法。

（2）鉆芯法。鉆芯法是混凝土抗壓強(qiáng)度檢測中最直接的一種方法，鉆芯法是利用專業(yè)混凝土鉆芯機(jī)器從被檢測混凝土中取樣，并進(jìn)行混凝土壓力測試，是一種半破壞的檢測方法，常常與其他無損檢測方法一起使用。

4 水閘安全復(fù)核計(jì)算

水閘的安全復(fù)核計(jì)算是依據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查和現(xiàn)場檢測等基本數(shù)據(jù)和資料，按照國家規(guī)范計(jì)算論證水閘的各部分指標(biāo)，是水閘安全評(píng)價(jià)重要的一部分。安全復(fù)核計(jì)算主要包括：防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核、閘室穩(wěn)定復(fù)核、抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核、消能防沖復(fù)核、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算。

防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核是國家強(qiáng)制性內(nèi)容，是水閘工程安全運(yùn)行的最重要指標(biāo)；由于在水的作用下，水閘常會(huì)發(fā)生滲透破壞，所以抗?jié)B穩(wěn)定性也是最典型的復(fù)核計(jì)算內(nèi)容，以下針對(duì)這兩項(xiàng)復(fù)核計(jì)算進(jìn)行研究分析。

4.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核計(jì)算

防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核計(jì)算內(nèi)容分為設(shè)防水位、閘門門頂高程確定兩個(gè)步驟。

設(shè)防水位是根據(jù)水閘過流能力擬定，屬于水閘設(shè)計(jì)時(shí)的重要運(yùn)行指標(biāo)；水閘閘頂高程確定以擋水、泄水兩種情況分別計(jì)算。在擋水情況下，水閘最高擋水位加波浪高度加安全超高應(yīng)小于等于閘門門頂高程；在泄水情況下，設(shè)計(jì)（校核）洪水位加相應(yīng)安全超高應(yīng)小于閘門門頂高程。

4.2 抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算

水閘的抗滑穩(wěn)定計(jì)算常用直線比例法（又稱勃萊系數(shù)法）和改進(jìn)阻力系數(shù)法。其中改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算更加精確，以下僅討論改進(jìn)阻力系數(shù)法。

改進(jìn)阻力系數(shù)法的計(jì)算原理：用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算滲流問題，必須明確邊界條件，故閘址的地層巖性情況要明確。作為滲流的邊界條件，應(yīng)要最先明確不透水層的埋深、滲流場有效深度兩者之間的關(guān)系，根據(jù)地下不透水部分的幾何形狀，將滲流場劃分為幾個(gè)分段，求出分段的阻力系數(shù)，最后算出各段的滲透水頭。

5 北京城市河道水閘安全評(píng)價(jià)成果研究

2020年北京市城市河道重點(diǎn)的12座水閘進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)工作，包括三家店攔河閘、三家店進(jìn)水閘、高碑店節(jié)制閘、玉淵潭進(jìn)水閘、玉淵潭泄水閘、二熱閘、西便門分水閘、龍?zhí)堕l、普濟(jì)閘、東直門閘、城龍進(jìn)水閘、城龍新閘。其中高碑店節(jié)制閘、玉淵潭泄水閘、普濟(jì)閘、東直門閘、城龍進(jìn)水閘、城龍新閘被評(píng)定為三類閘，其余水閘均被評(píng)為二類閘。具體分項(xiàng)評(píng)價(jià)如表1。

表1 12座水閘工程安全評(píng)價(jià)分項(xiàng)評(píng)價(jià)表

由此表可以看出，6座三類閘主要由于金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)為C類，故綜合安全評(píng)價(jià)被評(píng)定為三類閘，主要原因是由于閘門缺焊、銹蝕，啟閉機(jī)使用年限較長，已無法達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

6 水閘安全評(píng)價(jià)的技術(shù)要點(diǎn)及思考

（1）安全評(píng)價(jià)實(shí)施單位應(yīng)最大程度收集水閘勘測、設(shè)計(jì)、施工及竣工資料，同時(shí)結(jié)合管理單位相關(guān)資料，提取出水閘運(yùn)行大事記，根據(jù)基礎(chǔ)資料和大事記指出水閘運(yùn)行和管理中存在的主要問題，并計(jì)劃好現(xiàn)場安全檢測及復(fù)核計(jì)算的相關(guān)項(xiàng)目。

（2）現(xiàn)場安全檢測和復(fù)核計(jì)算成果數(shù)據(jù)應(yīng)客觀詳實(shí)，方法、原理應(yīng)明確，同時(shí)對(duì)水閘存在的問題提出相關(guān)處理措施和建議。

（3）水閘安全評(píng)價(jià)是要綜合現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告、現(xiàn)場安全檢測報(bào)告、復(fù)核計(jì)算報(bào)告得出最終結(jié)論，上述三部分內(nèi)容應(yīng)保持一致，不能出現(xiàn)相互沖突、矛盾的情況。

（4）北京城市河湖的水閘工程在日常運(yùn)行管理中，應(yīng)著重關(guān)注金屬結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，對(duì)閘門要及時(shí)進(jìn)行閘門防腐除銹和焊縫探傷等工作，對(duì)使用年限超長和非標(biāo)的啟閉設(shè)備應(yīng)及時(shí)更換或大修。

（5）管理單位應(yīng)和實(shí)施單位協(xié)調(diào)配合，管理單位要加強(qiáng)水閘運(yùn)行管理，做好日常設(shè)施設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，落實(shí)水閘安全監(jiān)測任務(wù)，完善水閘運(yùn)行大事記，為下一階段水閘安全評(píng)價(jià)工作做好充足資料、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。