船闸安全检测与评价实例分析

◎桂彬 北京市城市河湖管理处

1.前言

船闸作为重要的水运交通基础设施，受运行条件、施工质量等各种因素影响，容易发生诸如混凝土剥落、裂缝、冻融破坏、严重碳化、钢筋锈蚀、闸门及启闭设备老化等病害缺陷。当船闸经过多年运行后，为及时准确掌握船闸工程安全状况、科学制定运行管理及维修加固措施，有必要对船闸进行安全鉴定或评价工作。目前，国家或行业尚未发布关于船闸的安全评价管理办法和标准规范，水利单位管辖的船闸的安全评价可参照SL214-2015《水闸安全评价导则》执行。本次以安定船闸为例，按照水闸安全评价导则对其进行了专项与综合安全评价，评定了船闸安全类别，为其他船闸工程的安全评价提供参考。

安定船闸工程于2007年建成，为单线、单级、单向挡水船闸，分为上游引航段、防洪门段、上闸首段、闸室段、下闸首段、下游引航段，全长145.5m。安定船闸兼有泄洪及通航双重功能，在正常运用情况下，担负通航任务，当遇到二十年及其以上洪水时，在打开节制闸的同时，需开启船闸参加泄洪。船闸上闸首设一道人字门，门高3.16m。下闸首设一道人字门，门高5.0m。人字门采用卧式液压启闭机启闭，启闭机容量2×100kN/2×50kN。

2.工程现状调查分析

工程现状调查分析是船闸安全评价工作的首要程序和重要步骤，是船闸安全评价的基础工作，需要由经验丰富、专业齐备的专家组开展现状调研。现状调查内容应包括工程技术资料收集、工程现状的全面检查和工程存在问题的初步分析，并对船闸工程安全管理进行初步评价。

通过查阅安定船闸工程技术资料及对现场检查情况初步分析，船闸管护范围明确可控，管理规章制度齐全并落实，船闸按审批的控制运用计划合理运用，管理设施满足运行要求；工程设施总体状况尚好，但船闸启闭机部分构件存在比较明显的老化、锈蚀、损坏现象；船闸无沉降、扬压力等一般观测项目，缺乏监测船闸安全运行的位移、扬压力等必要观测措施。

3.混凝土结构安全检测

3.1 外观状况检测

船闸整体外观状况较好，上闸首、闸室、下闸首均未出现明显的异常沉降、倾斜和滑移等情况，下游未发现因绕渗而产生的渗漏水迹象和变形、移位等的不稳定状况。上游引航段左边墙顶部边缘存在2处剥落、掉角，个别伸缩缝顶部两侧混凝土开裂、破损。上游引航段边墙、上游导流墙、下游导流墙、下游引航段边墙共发现5条竖向裂缝和1条斜向裂缝，裂缝自顶部向下延伸，缝宽0.21～2.1mm，缝深5.6～17.8cm。

3.2 混凝土碳化深度检测

混凝土碳化深度是推定回弹强度的重要参数，是分析评价结构钢筋锈蚀状况的重要影响因素。本次对安定船闸引航段边墙、导流墙、闸首段边墩、闸室段边墩及下游人行桥板梁混凝土进行了碳化深度检测。检测结果表明，安定船闸混凝土结构均有一定程度的碳化，各个检测构件碳化深度最小值7.6mm、最大值13.9mm，均小于现场实测的钢筋保护层厚度。

3.3 混凝土强度检测

钻孔取芯检测混凝土强度的方法准确、可靠，但会破坏混凝土结构的整体性，不适宜大范围采用。回弹法为无损检测，不会造成结构破坏，且操作简便、精度较高，可对船闸结构全部构件进行检测。本次安定船闸混凝土强度检测主要以回弹法为主，并在上闸首和下闸首的边墩上各钻取一根芯样，进行了芯样抗压强度试验。上述两种方法混凝土强度检测结果表明，船闸混凝土平均强度均大于40MPa，超过原设计强度等级C25混凝土的强度。

3.4 钢筋保护层厚度检测

本次现场采用电磁感应法，对闸墩、边墙、人行桥板等构件的钢筋保护层厚度进行了检测。由检测结果可知，引航段边墙、导流墙、上下闸首与闸室左右边墩纵向受力钢筋保护层厚度平均值在51.4～67.6mm之间，人行桥板钢筋保护层厚度平均值为28.0mm，船闸被测各构件钢筋保护层厚度均大于相应的设计保护层厚度，且均满足《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）中纵向受力钢筋混凝土保护层最小厚度的规范要求。

3.5 钢筋锈蚀状况检测

钢筋锈蚀会对钢筋混凝土结构耐久性能和承载能力造成不利影响。本次检测采用GECOR8钢筋锈蚀检测仪，根据半电池电位值检测数据来评价混凝土中钢筋锈蚀状况。现场主要选取上闸首左边墩、闸室左右两侧闸墩、下闸首左边墩以及人行桥板梁进行了钢筋锈蚀状况检测。由检测结果可见，各检测构件钢筋半电池电位检测值均正向大于-200mv，钢筋发生锈蚀的概率很小，考虑到碳化深度尚未超过实测钢筋保护层厚度，判断闸墩、人行桥板等构件内钢筋未发生锈蚀。

4.金属结构与机电设备安全检测[6]

4.1 闸门外观状况检测

上、下闸首闸门总体情况较好，未发现损伤变形现象；闸门表面涂层基本完整，未见锈迹，总体腐蚀程度为A级，即轻微腐蚀；闸门顶枢装置及拉杆装置状况良好，连接正常；门轴柱、斜接柱及导卡装置等未见损伤变形、缺件、腐蚀等情况；门体与启闭机推拉杆之间支承座未见异常；支枕及枕座连接完好；止水装置零部件齐全，连接牢靠，止水螺栓未见锈蚀，止水橡皮未见老化，侧止水装置的座板埋件完好。

4.2 闸门腐蚀量检测

选择船闸上、下闸首人字门主要构件进行腐蚀量检测，测试数据分别为49个、58个。通过对腐蚀量检测数据进行整理，上、下闸首人字门腐蚀量均主要位于0.1～0.4mm，下闸首闸门腐蚀量主要位于0.1～0.4mm，总体平均腐蚀量分别为 0.29mm、0.30 mm，频数分别为93.9%、84.5%。闸首人字门主要构件腐蚀量频数分布统计图见图1和图2。

图1 上闸首人字门腐蚀量频数统计

图2 下闸首人字门腐蚀量频数统计

4.3 闸门焊缝无损探伤

本次船闸人字门焊缝质量探伤采用接触式超声脉冲反射法。考虑闸门焊缝类别和受力情况，选取人字闸门的主横梁、边梁、面板为主要检测构件。焊缝探伤比例：上、下闸首人字闸门二类焊缝分别约为50%和75%，一类焊缝未探到。焊缝超声波探伤结果：上、下闸首闸门所有受检焊缝都不存在裂纹及超标缺陷。

4.4 启闭机现状检测

安定船闸人字门启闭机为卧式液压启闭机，主要由电动机—液压泵组、滤油器、控制装置、液压缸、活塞杆、液压管路、压力表计、干燥剂、油箱、操作控制系统以及机架等组成。

启闭机泵站设备及液压控制系统、液压缸及活塞杆等均布置于室外机坑内，启闭机液压泵站老化现象严重，液压缸锈蚀，液压缸回转支铰座及联接螺栓锈蚀、锈损，液压系统液压管路及管接头锈蚀，活塞杆端头连接耳板锈蚀，启闭机A、B杆端头调节螺纹及连接耳板锈蚀；启闭机行程控制装置损坏；启闭机备用电源柴油发电机目前为废弃状况。综上所述，启闭机设备、系统及零部件存在严重的老化、锈蚀、损坏现象，启闭机不能满足安全运行要求。

5.工程复核计算

安全复核计算是船闸安全评价的重要环节，其目的是复核船闸各建筑物与设施能否按标准与设计要求安全运行。参照SL214-2015《水闸安全评价导则》规定，本次安定船闸安全复核包括防洪标准、渗流、结构与抗震、金属结构等几项工作内容。

5.1 防洪标准复核

安定船闸主要功能是通航、防洪，本次安定船闸防洪标准复核包括洪水标准、闸顶高程、过流能力复核。

（1）洪水标准复核。安定船闸主要功能为通航、防洪，原设计为3级水工建筑物，按50年一遇洪水设计、100年一遇洪水校核。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），安定船闸设计洪水标准达到3级主要建筑物防洪标准，满足现行规范要求。

（2）闸顶高程复核。根据现行水闸设计规范，闸顶计算高程应根据挡水工况和泄水工况共同确定。挡水工况时，正常蓄水位或最高挡水位加波浪高度与相应安全加高值之和应低于闸顶高程；泄水工况时，设计洪水位和校核洪水位与相应安全加高值之和应低于闸顶高程。闸顶超高复核计算结果表明，闸顶高程应不低于43.84m，现状安定船闸闸顶高程为44.20m，船闸闸顶高程满足防洪要求。

（3）过流能力复核。安定船闸兼有泄洪及行船双重功能，当遇到二十年及其以上洪水时，由安定船闸和节制闸联合运用担负下泄洪水的任务。安定船闸与节制闸计算闸孔总净宽为15.99m，实际闸孔总净宽为18.0m，计算结果表明闸孔净宽满足过流能力要求。

5.2 渗流安全复核

安定船闸闸址位于永定河冲洪积扇中部，地形较平坦，场地类别为Ⅱ类。场区主要被为第四系冲洪积地层所覆盖，地质结构主要为粘、砂双层结构，上部位粘质粉土或粉质粘土，下部以粉砂为主。本次渗流安全复核考虑较不利的正常蓄水位工况，采用改进阻力系数法进行渗透坡降计算，得到出口段和底板水平段渗透坡降值分别为0.155、0.058。为保证闸基渗流稳定，《水闸设计规范》（SL265-2016）要求闸基的允许坡降必须小于土的临界坡降，其中粉砂闸基的水平段和渗流出口处允许渗透坡降允许值分别为0.15～0.25、0.40～0.50。由渗流计算结果可以看出，船闸地基满足渗流稳定要求。

5.3 结构与抗震安全复核

根据安定船闸实际状况，本次船闸稳定复核分析主要考虑正常蓄水位、校核洪水位、检修及地震等四种工况。上述工况下复核计算结果说明：闸室基底应力平均值为67.5～111kPa、闸室基底应力最大值148kPa，均小于闸基允许承载力（160kPa）；闸室基底的应力不均匀系数均小于规范要求的允许值，闸室抗滑稳定安全系数均大于允许值，且船闸抗震措施有效，说明闸室是安全稳定的。

5.4 金属结构复核

根据闸门结构型式及荷载大小综合分析，对船闸下闸首人字门进行复核计算。闸门的外形尺寸和主要构件尺寸按设计图纸并结合现场实测数据取用，构件的截面尺寸以现场实测的蚀余厚度为准。计算荷载主要考虑作用于闸门的静水压力，闸门作用水头3.38m。闸门复核计算结果表明，闸门主横梁最大正应力为24.8MPa、最大剪应力为6.7MPa，门轴柱最大正应力为28.0MPa、最大剪应力为1.75MPa，面板最大折算应力为25.8MPa，均小于相应材料应力容许238.3MPa。

5.5 机电设备安全复核

船闸人字门启闭设备为2×100kN/2×50kN卧式油压启闭机，配套型号为QA112M4A三相交流异步电动机，电动机选型满足工程需要。启闭机布置有室内集中控制柜和基坑内现地操作控制箱、低压配电柜等设备，启闭机控制设备和变配电设备配置齐全，满足标准要求。启闭机备用电源柴油发电机目前处于废弃状态。综上所述，备用电源目前处于废弃状态，但机电设备总体状况较好，运行控制功能正常。

6.安全综合评价

船闸安全评价需要综合考虑安全管理、工程质量和防洪标准、渗流、结构、抗震、金属结构、机电设备等船闸工程各专项安全性分级评价结果，综合评定船闸安全类别。

安定船闸安全管理、工程质量和防洪标准、渗流、结构、抗震、金属结构、机电设备等各项安全性分级评价结果见表1。

表1 船闸安全性分级评价结果

按照《水闸安全评价导则》中水闸安全分类原则，船闸工程按工程质量和安全性分级含有C级的可评定为三类闸，当防洪标准、渗流安全和结构安全等影响船闸安全的关键性指标中含有C级的为四类闸。故安定船闸安全综合评定为三类船闸。

7.结语

目前，国家或行业尚未发布关于船闸的安全评价管理办法和标准规范，水利单位管辖船闸的安全评价可参照SL214-2015《水闸安全评价导则》执行。本文结合安定船闸工程实例，阐述了船闸工程现状调查、安全检测、工程复核和安全评价内容，给出了船闸专项安全性分级评价结果和安全综合评价等级，为船闸后续运行维护和修补加固提供了依据。