病险水闸成因及其对应加固方式研究

2017-03-02辽宁省凌源市水利局

河南水利与南水北调 2017年1期

□（辽宁省凌源市水利局）

病险水闸成因及其对应加固方式研究

□张杨（辽宁省凌源市水利局）

针对病险水闸成因及加固，首先提出闸室破坏、地基破坏、消能防冲设施损坏、闸门与启闭系统损坏、混凝土表面劣化等典型的病害种类及其产生原因，在此基础上提出混凝土结构检测、基础检测、闸门与启闭设施检测等水闸安全检测方式，并总结不同水闸病害对应的水闸加固方式，为水闸病害综合防治，提升水闸运行安全性、耐久性提供可靠依据。

病险水闸；病害种类；病害成因；安全检测；加固方式

0 引言

水闸在防洪除涝、农业生产灌溉、发电、供水、旅游等方面有重要作用，是最为基础的水利设施。然而，由于受到历史因素、技术条件等的影响，很多工程的设计标准较低，并且后期运管水平很低，对水闸运行安全性、可靠性与耐久性等造成严重影响。文章对水闸病害种类、病害成因、安全性检测、加固方式等进行分析研究。

1 水闸病害种类与产生原因

1.1 闸室破坏

闸室破坏分为两种形式，整体位移与局部变形，体现为结构位移超标、混凝土结构开裂、结构缝增大等，这些体现形式间一般存在关联性［1］。

结构位移超标产生原因为：结构超载；长期承受不均匀荷载；地基设计施工不规范，导致地基承载能力欠缺；地基变形；混凝土强度减弱。混凝土结构开裂与结构缝增大属于典型的局部变形问题，产生原因为：整体位移较大；温度开裂；干缩开裂；锈蚀开裂；施工裂缝。

1.2 地基破坏

水闸渗流有两种形式，闸下渗流与侧向渗流。渗流造成的变形是水闸结构破坏主要表现形式，有管涌、接触式破坏与流土3种基本形式。

水闸渗流破坏产生原因为：设计标准低，现有水闸为尽力满足功能需求，大幅提升水位差；防渗流工程措施丧失功效；排水反滤工程措施丧失功效；存在威胁结构自身整体性的工程裂缝；地基土存在缺陷。

1.3 消能防冲设施损坏

消能防冲设施损坏原因为：设计标准低，水闸运行中，河道水力变化，导致在役消能防冲设施无法满足实际要求；水闸设计不合理，设施构建不全面；基础薄弱；水闸运管水平较低，尤其是开启方法缺乏合理性，容易产生不良流态，对下游侧设施造成破坏；人为破坏。

1.4 闸门与启闭系统损坏

闸门与启闭系统损坏原因为：面板和梁出现变形或剥落；止水橡胶老化严重；闸门及其内部构件锈蚀。通常，闸门损坏大多是在过水情况下发生的，尤其是在一些较大的水力条件之下，闸门会产生较大振动，造成失稳。振动作用下的闸门破坏机理十分复杂，当前对于该问题的研究还处在探索阶段，但总体上讲主要由不平稳动水作用造成。

启闭系统损坏原因为：对于螺杆启闭机，在闭门过程中由于闸门受阻、强行顶压等问题，螺杆被压弯，系统启闭力较低，大幅增加闸门阻力，导致铜螺母牙遭到严重磨损；对于卷扬启闭机，由于启闭机两侧松紧程度相差较大，使得两侧的拉力不相等，在开启时容易造成卡阻问题。

1.5 混凝土表面劣化

1.5.1 碳化与钢筋锈蚀

混凝土的碳化过程较为复杂，主要是CO2和碱性材料间的反应。混凝土在碳化以后会大幅降低其碱度，损坏钢筋外表面钝化膜，使钢筋产生一系列电化学腐蚀问题，使得钢筋锈蚀。另外一种造成钢筋锈蚀现象的原因为外界氯离子进入混凝土内，对钝化膜造成破坏，在失去钝化膜保护的位置形成锈蚀［2］。

1.5.2 剥蚀损坏

耐久性较差是产生剥蚀损失主要内在原因。而外在原因为：外界水冻融；过流位冲磨和空蚀；钢筋锈蚀；水质侵蚀。

2 水闸安全性检测

2.1 混凝土结构检测

2.1.1 混凝土表面剥蚀检测

重点检测混凝土表面是否存在疏松层，绘制剥蚀简图，运用目测等方法对剥蚀现象实施检测与分析。

2.1.2 混凝土强度检测

包括回弹法、射钉法与超声回弹综合法等。为提升检测水平，在确保工程运行安全的基础上，经常在已完成无损检测的位置实施局部破坏检测。

2.1.3 裂缝性状检测

对裂缝宽、长、深、产生部位、渗出物等进行检测。对于深层裂缝而言，主要使用射线法与超声波法。

2.1.4 碳化与钢筋锈蚀检测

重点检测碳化深度、钢筋锈蚀程度与外表面保护层厚度。

2.1.5 结构缝检测

检测相邻两结构之间是否存在错动、开合。

2.2 基础检测

2.2.1 外观检测

检测内容为：是否存在挤压变形、松动和错动；结构和基础的结合位置是否存在错动与开裂；建筑两边岸坡是否存在裂缝与滑坡；排水设施实际渗透量；消能防冲是否存在冲刷与剥蚀，尾水渠上是否存在淤积［3］。

2.2.2 沉降观测

检测内容为：沉降变形构造、设施考证；设施实际完好率；积累沉降；平均沉降观测；不均匀沉降观测。

2.2.3 地基土观测

主要为基本的物理力学指标检测与地基承载能力试验。

2.3 闸门与启闭设施检测

检测内容为：闸门的外观、变形、锈蚀与损伤。针对钢制闸门与启闭机，在检测过程中应严格按照《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》的要求；对于混凝土闸门而言，除了要进行构件裂缝检测，还要对各个零部件实际锈损水平等进行综合评价［4］。

3 病险水闸加固方式

3.1 结构变形处理

3.1.1 闸室纠偏

可采取应力接触的方法进行纠偏，原理为：在沉降偏小侧设置钻孔排，有计划和次序的在孔中掏挖软泥，以此使地基的应力能在局部区间以内得到全面解除，促进软土向该侧位移，提升沉降量，起到纠偏作用。

3.1.2 裂缝处理

处理裂缝时，不仅要关注防水性及耐久性的恢复，还要综合经济性与美观性。裂缝修补方法有很多种，比如：灌浆、表面覆盖与凿槽填充等。

3.2 地基渗漏处理

地基渗漏的处理原则为有效降低渗透坡降，提升基础抗渗坡降，确保坡降满足安全要求。基础渗漏修复：对沉陷缝止水进行修复；对下游排水进行修复；适当延长上游侧防渗铺盖；采取灌浆法对闸基进行全面加固。侧向渗漏修复：闸背填土的开挖与回填；延长刺墙；修复垂直止水；采用灌浆法进行综合处理。

3.3 消能防冲设施损坏处理

在消防防冲设施出现损坏后，应采取非工程与工程措施相结合方式进行处理。其中，非工程措施是指提升运管水平，选定最佳运行方式。若产生破坏的根本原因为水力条件变化，则需对设施进行改造，提升消能工程完善性。处理时，考虑到土工合成材料自身具有相对较好的反滤性，所以可在反滤层中使用，取代以往使用的砂砾料，可很好处理由于砂砾料级配问题带来的影响。

3.4 闸门与启闭系统损坏处理

由于以往设计、技术水平较低，现有大部分闸门均为钢混结构闸门，经过多年使用，已经出现老化现象。在经济条件支持情况下，加固时应考虑全面使用钢制闸门。对于具有较高重要性的闸门，由于未设置检修专用闸槽，在出现损坏以后，将造成严重后果。基于此，针对此类水闸，应先切割出一条工作闸槽，以绝后患。改造启闭系统的过程中，应同时改造供电与控制线路，完善各种辅助设施的基本功能，提升系统自动化水平。

3.5 混凝土表面劣化处理

3.5.1 碳化与钢筋锈蚀处理

针对碳化问题，根据碳化实际深度与部位，采取相应的处理方式。通常情况下，先去除碳化部分，清理混凝土表面，再使用高于设计标号的混凝土实施修补；如果外部钢筋存在锈蚀，应先除锈再处理，对于锈蚀严重的部分，应进行换筋处理。此外还要注意，无论使用哪一种碳化处理方法，都要同时采取防碳化措施，比如：针对使用常规混凝土的修补方式，可配合使用环氧厚浆涂料进行封闭［5］。

3.5.2 剥蚀损坏处理

先清洗原剥蚀面，然后使用特定材料修补。在选取适宜修补材料过程中，应结合产生剥蚀问题的主要原因，使用对应的材料。比如：由冻融问题造成的剥蚀，应使用具备一定抗冻能力的聚合物砂浆完成修补。