探討水閘病害特征及監(jiān)測(cè)技術(shù)

陳秋

摘要：水閘工程的安全運(yùn)行關(guān)乎水資源調(diào)控障和防洪安保，了解水閘病害類型、規(guī)范水閘安全監(jiān)測(cè)、掌握水閘運(yùn)行性態(tài)、編制水閘安全監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)降低事故風(fēng)險(xiǎn)意義深遠(yuǎn)。本文基于此，對(duì)水閘主要病害類型及其特征加以分析，明確了基礎(chǔ)沉降、閘墩及翼墻變形、側(cè)向繞滲、閘基場(chǎng)壓力、上下游水位及沖刷、閘墩傾斜、測(cè)點(diǎn)布置等關(guān)鍵指標(biāo)作為水閘監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)要點(diǎn)。并結(jié)合典型水閘缺陷案例，基于上下游水位頻繁變化、地質(zhì)條件差等情況，提出編制水閘安全監(jiān)測(cè)資料的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：水閘病害；安全監(jiān)測(cè)技術(shù)；技術(shù)要點(diǎn)；監(jiān)測(cè)資料

0 引言

水閘是我國(guó)水利工程中必不可少的內(nèi)容，對(duì)水資源優(yōu)化配置意義深遠(yuǎn)，在防洪減災(zāi)工作中不可或缺，其防洪、發(fā)電、供水、灌溉、改善環(huán)境效益等能力與日俱增，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展功不可沒(méi)。近些年來(lái)，隨著水閘安全問(wèn)題的爆發(fā)，各級(jí)黨委、黨政府及中央政府對(duì)水閘安全的關(guān)注度不斷提升，要求針對(duì)水閘病害加強(qiáng)排查，并做好加固建設(shè)確保水閘安全運(yùn)行。水閘設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，為提高施工質(zhì)量并確保工程安全，應(yīng)實(shí)時(shí)掌握水閘安全運(yùn)行性態(tài)，實(shí)踐中一般會(huì)結(jié)合工程項(xiàng)目特點(diǎn)與實(shí)際需求布控安全監(jiān)測(cè)儀器，為準(zhǔn)確評(píng)估水閘施工期、運(yùn)行期工程安全提供數(shù)據(jù)支持，并為提高水閘效益奠定基礎(chǔ)。

1 水閘安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

項(xiàng)目組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，深入江蘇省、河南省、淮河水利委員會(huì)沂沭泗管理局等了解水閘安全監(jiān)測(cè)情況并收集數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有工程資料、座談資料、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水閘監(jiān)測(cè)狀況進(jìn)行總結(jié)，詳情如下。

（1）眾多中小型水閘無(wú)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。部分水閘雖配備安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，由于缺乏行業(yè)規(guī)范、設(shè)計(jì)不科學(xué)、管理人員認(rèn)識(shí)不足，實(shí)踐中安全監(jiān)測(cè)設(shè)施并未發(fā)揮應(yīng)有成效，從業(yè)人員也未嚴(yán)格遵循操作規(guī)程進(jìn)行水閘安全運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。實(shí)地考察結(jié)果顯示，眾多現(xiàn)場(chǎng)人員安全意識(shí)淡薄，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范性不足、加固改造措施不到位，如某大型水閘設(shè)計(jì)初期并未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，未將當(dāng)?shù)靥厥獾刭|(zhì)條件、降雨、自然災(zāi)害等因素考慮在內(nèi)，雖然設(shè)置了水閘加固措施，但使用中仍出現(xiàn)了不均勻沉降、滲透變形等安全隱患。據(jù)悉，施工期間工作人員就發(fā)現(xiàn)了閘底板縫隙，但由于安全意識(shí)淡薄并未完善安全監(jiān)管設(shè)施，工程檢測(cè)不到位，項(xiàng)目投入運(yùn)行后具備較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）部分大中型水閘設(shè)計(jì)并配置了安全監(jiān)測(cè)設(shè)置，同時(shí)配備加固裝置，但是管理人員、工作人員等存在認(rèn)知偏差，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)納入土建標(biāo)段管理或相關(guān)單位缺乏承建經(jīng)驗(yàn)，未按照安全監(jiān)測(cè)裝置規(guī)范操作要求進(jìn)行安裝，與此同時(shí)，監(jiān)理人員能力不足甚至有些單位未配備監(jiān)理工程師加以檢測(cè)，導(dǎo)致安全監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)功能不佳，無(wú)法起到安全監(jiān)測(cè)效果，個(gè)別項(xiàng)目竣工驗(yàn)收結(jié)束后安全監(jiān)測(cè)裝置就無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）個(gè)別水閘配備了安全監(jiān)測(cè)設(shè)施且兼具自動(dòng)化遙測(cè)功能，但是系統(tǒng)成本高，后期維護(hù)不及時(shí)，設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞，未能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，水閘管理單位技術(shù)能力有限，缺乏對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理運(yùn)用和分析，為水閘安全運(yùn)行帶來(lái)了巨大隱患。

綜上所述，目前大多數(shù)水閘工程未配備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或者有部分水閘配備了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻沒(méi)有數(shù)據(jù)收集和處置的能力。由此可見(jiàn)，編制水閘安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范對(duì)了解水閘運(yùn)行狀態(tài)、評(píng)估施工質(zhì)量、反饋設(shè)計(jì)方案、降低事故風(fēng)險(xiǎn)有積極作用，開(kāi)展水閘安全監(jiān)測(cè)工作的現(xiàn)實(shí)意義巨大。

2 水閘特性及常見(jiàn)病害分析

2.1 水閘特性分析

結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水閘分布及其作用狀況分析可知，影響水閘安全的因素主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

水閘地基多為軟土基質(zhì)，分布于平原或丘陵地區(qū)，土質(zhì)多為淤泥、流沙、粉砂、軟土等，土質(zhì)松散、均勻性不足、承載力小、可壓縮性強(qiáng)，因此水閘結(jié)構(gòu)荷載作用下很容易導(dǎo)致地基出現(xiàn)不均勻沉降，從而誘發(fā)閘室開(kāi)裂等次生病害，對(duì)水閘安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。與此同時(shí)，防滲措施不到位還會(huì)增加水閘浮力，降低其運(yùn)行穩(wěn)定性。

水閘多位于河床中間，兩側(cè)與堤岸連接，閘室在上下游水流作用下易被側(cè)向繞滲。

（3）水閘完工后會(huì)使河道變窄，下游易出現(xiàn)波狀水躍沖刷河床或兩岸。

（4）建立于河口的擋潮閘具備雙向擋水功能，隨著水位頻繁變化形成不穩(wěn)定滲流。

2.2 水閘常見(jiàn)病害分析

總結(jié)全國(guó)水閘安全狀況普查結(jié)果，結(jié)合大中型水閘加固規(guī)劃成果專項(xiàng)數(shù)據(jù)分析可知，現(xiàn)階段我國(guó)水閘病害類型眾多，影響水閘結(jié)構(gòu)安全的病害類型可以分為以下幾種。

消能防沖設(shè)施損壞。受限于多重條件，水閘下消能防沖設(shè)施出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀，難以滿足水閘流量需求，或水閘設(shè)計(jì)初期未設(shè)置消能防沖設(shè)施導(dǎo)致工程主體安全性受損。綜合分析可知，導(dǎo)致消能防沖設(shè)施的主要原因包括結(jié)構(gòu)受損、先天建設(shè)不足、運(yùn)行管理不善、維修不到位、人為破壞、處置不當(dāng)、基礎(chǔ)薄弱等。

閘室、翼墻穩(wěn)定性不足。主要表現(xiàn)在閘室、翼墻抗傾、抗浮、抗滑性能不達(dá)標(biāo)，基底應(yīng)力系數(shù)不均勻，出現(xiàn)相關(guān)問(wèn)題的主要原因包括項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)不足、不均勻沉降、荷載變化超出承載力上限、自然災(zāi)害、人為因素、基礎(chǔ)破壞、結(jié)構(gòu)受損等。

閘基和兩岸滲流破壞。滲流易誘發(fā)滲透變形，并在區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生管涌、流土、基礎(chǔ)掏空等滲透破壞現(xiàn)象，是誘發(fā)涵閘破壞的直接原因。水閘建設(shè)初期，由于地質(zhì)條件特殊，基礎(chǔ)不牢固且項(xiàng)目處置不到位或上游河道存在河道淤積現(xiàn)象，加之下游河道沖刷，原設(shè)計(jì)條件難以滿足實(shí)際需求，導(dǎo)致邊墩、岸墻后側(cè)填土滲流，土基穩(wěn)定性不足。此外，后期運(yùn)行過(guò)程中反濾失效、止水破壞、止水老化、閘基不均勻沉陷、地基土質(zhì)變化等因素影響下也可誘發(fā)滲流破壞，對(duì)涵閘安全產(chǎn)生不利影響。在此基礎(chǔ)上，滲流破壞與止水失效之間相互影響，進(jìn)一步導(dǎo)致扎實(shí)不均勻沉陷，從而加劇水閘病害風(fēng)險(xiǎn)。

3 水閘病害監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

3.1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

基于水閘特征及其病害類型、特征，確定基礎(chǔ)沉降、閘墩及翼墻變形、側(cè)向繞滲、閘基場(chǎng)壓力、上下游水位及沖刷、閘墩傾斜、測(cè)點(diǎn)布置等關(guān)鍵指標(biāo)作為水閘監(jiān)測(cè)的核心技術(shù)要點(diǎn)。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置合理性分析

水閘病害監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)合理選擇，以全面準(zhǔn)確掌握水閘運(yùn)行安全形態(tài)。觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置過(guò)多會(huì)增加工程投資、影響工程進(jìn)度，同時(shí)增加工作量和數(shù)據(jù)分析難度，進(jìn)一步導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)不力。因此，應(yīng)根據(jù)水閘安全監(jiān)測(cè)規(guī)范進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)施、儀器的合理布置，根據(jù)項(xiàng)目工程體量和實(shí)際需求確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位置，全面反映工程運(yùn)行性態(tài)基礎(chǔ)上精簡(jiǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量提高工作效率。在水閘工程安全監(jiān)測(cè)中要遵循上述原則，根據(jù)水閘類型及自身特性合理布置觀測(cè)點(diǎn)，并突出其與混凝土壩、土石壩的監(jiān)測(cè)差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）水閘多位于河道中間土基處，受限于土質(zhì)特點(diǎn)易出現(xiàn)不均勻沉降，需于閘室結(jié)構(gòu)頂部（閘墩頂部）、水閘兩岸結(jié)合部、上下游翼墻頂部分縫兩側(cè)、墻后回填土等區(qū)域布置觀測(cè)點(diǎn)。

（2）河口處擋潮閘具備雙向擋水作用，應(yīng)對(duì)其水流進(jìn)行垂直流向和順?biāo)飨虮O(jiān)測(cè)，故應(yīng)雙向布置監(jiān)測(cè)裝置以達(dá)到理想效果。

（3）特殊地質(zhì)條件下，需進(jìn)行地基處置并進(jìn)行地基反力監(jiān)測(cè)裝置布置，于閘室順?biāo)骱痛怪彼鞣较蚍謩e設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，合理布置揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)裝置與地基反力監(jiān)測(cè)裝置。

（4）翼墻背后填土層較高時(shí)，水閘設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)于翼墻與背后填土之間布置壓力計(jì)，在兩者結(jié)合中下部位置進(jìn)行布置，選取合適位置放置進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。

4 某典型水閘監(jiān)測(cè)分析

由于其功能特殊，水閘多建于河口或河道內(nèi)，相比于大壩等擋水建筑物，潮位漲落導(dǎo)致水閘承受水壓頻繁變化，另一方面，大多數(shù)水閘地基土質(zhì)為軟土，存在較強(qiáng)的沉降，需進(jìn)行基礎(chǔ)加固，結(jié)合水閘地域特征、地質(zhì)特點(diǎn)和實(shí)際需求進(jìn)行受力特性分析，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行資料匯編，合理控制關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)提升其運(yùn)行安全性。

4.1 某水閘工程概況

某水閘坐落于江河口處，由擋潮泄洪閘、堵壩、魚道、導(dǎo)流堤、兩岸堤防等建筑物聯(lián)合構(gòu)成，具備防潮、防洪、蓄水、治澇、水資源開(kāi)發(fā)利用、發(fā)電、供水、灌溉、改善水環(huán)境、航運(yùn)等綜合屬性，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益巨大。擋潮泄洪閘共計(jì)28孔，單孔寬20m，垂直水流方向?qū)?97m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)507m，沿河道上游設(shè)置護(hù)底、護(hù)坦、拋石防沖槽、閘室段、防沖小沉井等，下游設(shè)置拋石防沖槽、消力池、海漫、防沖大沉井等。閘室上下游各設(shè)置30cm厚混凝土防滲墻，兩側(cè)分布翼墻，底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度約26m。閘基土體由多元化結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以砂質(zhì)粉土為主，抗壓性能差，穩(wěn)定性不足，易導(dǎo)致水閘沉降，為提高閘基穩(wěn)定性和承載力，以振沖擠密處理結(jié)合大直徑管樁植入方案，去除上層易液化砂質(zhì)粉土層，并設(shè)置防滲墻。結(jié)合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)狀況，水閘建設(shè)初期對(duì)內(nèi)外變形性、滲流、接觸土壓、鋼筋應(yīng)力、接縫等重要技術(shù)指標(biāo)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

項(xiàng)目運(yùn)行初期，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示左岸1#閘底板下游與消力池底板接縫處測(cè)量值增大、門庫(kù)沉降加速、左右岸集控樓沉降加速，針對(duì)上述情況參建單位及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)資料分析，初步判定為水閘基礎(chǔ)承載力不足，雖加強(qiáng)基礎(chǔ)處置，但仍存在部分區(qū)域裂縫，如不及時(shí)處置將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)單位、參建單位、監(jiān)理單位等多方協(xié)商后出具了加固方案，處置后監(jiān)測(cè)結(jié)果正常，水閘處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 水閘安全監(jiān)測(cè)資料整編分析要點(diǎn)

4.2.1 監(jiān)測(cè)資料收集及整編

水閘與大壩等建筑物的受力特點(diǎn)和運(yùn)行特征存在顯著差異，監(jiān)測(cè)資料的獲取有所不同，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

水閘頻繁過(guò)水，上下游沖刷作用力遠(yuǎn)大于水庫(kù)或大壩，淤積更嚴(yán)重，沖刷會(huì)直接影響水閘穩(wěn)定性，需定期獲取水閘沖刷與淤積數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整。

水閘荷載頻繁變化，擋潮閘上下游水位應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，閘基場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)也應(yīng)與之對(duì)應(yīng)，一般每日監(jiān)測(cè)2～4次。

多數(shù)水閘規(guī)模不足，未配備基本安全觀測(cè)設(shè)施，無(wú)專職管護(hù)人員，難以及時(shí)準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要工作由主管單位委派相關(guān)人員定期巡視并記錄水閘運(yùn)行情況。由此可見(jiàn)，出臺(tái)大壩水閘安全監(jiān)測(cè)規(guī)范對(duì)確保其安全運(yùn)行至關(guān)重要，相關(guān)工作的開(kāi)展要結(jié)合水閘實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀提高規(guī)范合理性及可行性。

4.2.2 監(jiān)測(cè)資料分析要點(diǎn)

現(xiàn)階段，大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析法主要包括作圖法、比較法、數(shù)學(xué)模型法、特征值統(tǒng)計(jì)法等，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)需結(jié)合其他方法進(jìn)行定性分析以判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。水閘運(yùn)行條件與大壩有所差異，受力狀況也不盡相同，針對(duì)水閘的資料監(jiān)測(cè)可參考相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)踐，現(xiàn)對(duì)具體內(nèi)容分析如下：

（1）水閘觀測(cè)資料內(nèi)容包括異常值分析、特征值分析、監(jiān)測(cè)量時(shí)空分析、監(jiān)測(cè)資料可靠性分析、閘室整體性分析、閘室穩(wěn)定性分析、水閘運(yùn)行狀況分析、防滲性分析、數(shù)學(xué)模型分析等。

（2）對(duì)特征物理量的變化規(guī)律分析，應(yīng)結(jié)合時(shí)間、空間變化重點(diǎn)監(jiān)測(cè)且符合相關(guān)規(guī)定。首先，同一閘室段相同物理向量監(jiān)測(cè)，應(yīng)結(jié)合其變化過(guò)程明確規(guī)律，了解變化趨勢(shì)，判斷其隨時(shí)間變化有無(wú)不利傾向。其次，同類物理量應(yīng)對(duì)分布曲線進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)該數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的異常值，判斷水閘運(yùn)行狀態(tài)有無(wú)異常。

（3）統(tǒng)計(jì)物理量特征值。確定監(jiān)測(cè)目標(biāo)，統(tǒng)計(jì)不同物理量在不同年份的最大值、最小值、年華幅度、年均值、周期、變化趨勢(shì)等，對(duì)水閘上下游高潮位、較大水頭差等情況下的物理量特征值變化趨勢(shì)重點(diǎn)關(guān)注與分析。

（4）分析閘室整體性。重點(diǎn)關(guān)注閘室結(jié)構(gòu)狀況，收集閘室傾斜度、結(jié)構(gòu)縫開(kāi)度等資料，判斷閘室整體性是否完好、是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

（5）評(píng)估滲流控制、排水設(shè)施效能是否達(dá)標(biāo)。對(duì)閘基內(nèi)不同部位或者相同部位不同時(shí)間段的揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，同時(shí)以項(xiàng)目實(shí)際區(qū)域地質(zhì)特征進(jìn)行滲流控制、排水設(shè)施效能指標(biāo)判斷。出現(xiàn)滲漏水渾濁現(xiàn)象及時(shí)加以處置。

（6）現(xiàn)場(chǎng)分析核查資料。應(yīng)因地制宜結(jié)合工程情況對(duì)上述條目進(jìn)行詳細(xì)檢查記錄，并注重以下幾點(diǎn)。①首次運(yùn)行時(shí)，應(yīng)對(duì)水閘基底部有無(wú)裂縫、滲出重點(diǎn)核查，觀察是否水體渾濁；②對(duì)比各個(gè)排水口排水量差異；③閘室結(jié)構(gòu)縫有無(wú)張開(kāi)，運(yùn)行環(huán)節(jié)是否存在風(fēng)險(xiǎn)因素；④混凝土是否被外力損壞，有無(wú)裂縫或滲透現(xiàn)象；⑤超載或自然災(zāi)害等特殊地質(zhì)條件下，水閘哪些部位易出現(xiàn)裂縫或滲漏；⑥洪水宣泄后，建筑物或河床是否被損壞，結(jié)構(gòu)是否完整。

5 結(jié)論

以水閘工程運(yùn)行特點(diǎn)及受力特性為基礎(chǔ)，本文對(duì)典型水閘安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研分析，結(jié)合操作規(guī)范和技術(shù)指南等規(guī)范性文件，指出水閘病害類型及其特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、技術(shù)要點(diǎn)重點(diǎn)分析，提出了監(jiān)測(cè)資料收集及監(jiān)測(cè)資料分析要點(diǎn)，為水閘運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)提供了參考，并為確保水閘安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

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