探讨水闸病害特征及监测技术

陈秋

摘要：水闸工程的安全运行关乎水资源调控障和防洪安保，了解水闸病害类型、规范水闸安全监测、掌握水闸运行性态、编制水闸安全监测技术指标，对降低事故风险意义深远。本文基于此，对水闸主要病害类型及其特征加以分析，明确了基础沉降、闸墩及翼墙变形、侧向绕渗、闸基场压力、上下游水位及冲刷、闸墩倾斜、测点布置等关键指标作为水闸监测的核心技术要点。并结合典型水闸缺陷案例，基于上下游水位频繁变化、地质条件差等情况，提出编制水闸安全监测资料的关键点。

关键词：水闸病害；安全监测技术；技术要点；监测资料

0 引言

水闸是我国水利工程中必不可少的内容，对水资源优化配置意义深远，在防洪减灾工作中不可或缺，其防洪、发电、供水、灌溉、改善环境效益等能力与日俱增，对国民经济发展功不可没。近些年来，随着水闸安全问题的爆发，各级党委、党政府及中央政府对水闸安全的关注度不断提升，要求针对水闸病害加强排查，并做好加固建设确保水闸安全运行。水闸设计与施工环节，为提高施工质量并确保工程安全，应实时掌握水闸安全运行性态，实践中一般会结合工程项目特点与实际需求布控安全监测仪器，为准确评估水闸施工期、运行期工程安全提供数据支持，并为提高水闸效益奠定基础。

1 水闸安全监测现状

项目组进行现场调研，深入江苏省、河南省、淮河水利委员会沂沭泗管理局等了解水闸安全监测情况并收集数据，结合现有工程资料、座谈资料、实测数據，对水闸监测状况进行总结，详情如下。

（1）众多中小型水闸无安全监测设施。部分水闸虽配备安全监测设施，由于缺乏行业规范、设计不科学、管理人员认识不足，实践中安全监测设施并未发挥应有成效，从业人员也未严格遵循操作规程进行水闸安全运行状况数据监测。实地考察结果显示，众多现场人员安全意识淡薄，水闸设计规范性不足、加固改造措施不到位，如某大型水闸设计初期并未进行现场勘测，未将当地特殊地质条件、降雨、自然灾害等因素考虑在内，虽然设置了水闸加固措施，但使用中仍出现了不均匀沉降、渗透变形等安全隐患。据悉，施工期间工作人员就发现了闸底板缝隙，但由于安全意识淡薄并未完善安全监管设施，工程检测不到位，项目投入运行后具备较大的安全风险。

（2）部分大中型水闸设计并配置了安全监测设置，同时配备加固装置，但是管理人员、工作人员等存在认知偏差，将监测系统纳入土建标段管理或相关单位缺乏承建经验，未按照安全监测装置规范操作要求进行安装，与此同时，监理人员能力不足甚至有些单位未配备监理工程师加以检测，导致安全监测装置系统功能不佳，无法起到安全监测效果，个别项目竣工验收结束后安全监测装置就无法正常运转。

（3）个别水闸配备了安全监测设施且兼具自动化遥测功能，但是系统成本高，后期维护不及时，设施严重损坏，未能持续运转。与此同时，水闸管理单位技术能力有限，缺乏对监测数据的合理运用和分析，为水闸安全运行带来了巨大隐患。

综上所述，目前大多数水闸工程未配备安全监测系统，或者有部分水闸配备了安全监测系统却没有数据收集和处置的能力。由此可见，编制水闸安全监测技术规范对了解水闸运行状态、评估施工质量、反馈设计方案、降低事故风险有积极作用，开展水闸安全监测工作的现实意义巨大。

2 水闸特性及常见病害分析

2.1 水闸特性分析

结合实践经验，对水闸分布及其作用状况分析可知，影响水闸安全的因素主要表现在以下几点：

水闸地基多为软土基质，分布于平原或丘陵地区，土质多为淤泥、流沙、粉砂、软土等，土质松散、均匀性不足、承载力小、可压缩性强，因此水闸结构荷载作用下很容易导致地基出现不均匀沉降，从而诱发闸室开裂等次生病害，对水闸安全运行产生威胁。与此同时，防渗措施不到位还会增加水闸浮力，降低其运行稳定性。

水闸多位于河床中间，两侧与堤岸连接，闸室在上下游水流作用下易被侧向绕渗。

（3）水闸完工后会使河道变窄，下游易出现波状水跃冲刷河床或两岸。

（4）建立于河口的挡潮闸具备双向挡水功能，随着水位频繁变化形成不稳定渗流。

2.2 水闸常见病害分析

总结全国水闸安全状况普查结果，结合大中型水闸加固规划成果专项数据分析可知，现阶段我国水闸病害类型众多，影响水闸结构安全的病害类型可以分为以下几种。

消能防冲设施损坏。受限于多重条件，水闸下消能防冲设施出现严重损毁，难以满足水闸流量需求，或水闸设计初期未设置消能防冲设施导致工程主体安全性受损。综合分析可知，导致消能防冲设施的主要原因包括结构受损、先天建设不足、运行管理不善、维修不到位、人为破坏、处置不当、基础薄弱等。

闸室、翼墙稳定性不足。主要表现在闸室、翼墙抗倾、抗浮、抗滑性能不达标，基底应力系数不均匀，出现相关问题的主要原因包括项目工程设计不足、不均匀沉降、荷载变化超出承载力上限、自然灾害、人为因素、基础破坏、结构受损等。

闸基和两岸渗流破坏。渗流易诱发渗透变形，并在区域内产生管涌、流土、基础掏空等渗透破坏现象，是诱发涵闸破坏的直接原因。水闸建设初期，由于地质条件特殊，基础不牢固且项目处置不到位或上游河道存在河道淤积现象，加之下游河道冲刷，原设计条件难以满足实际需求，导致边墩、岸墙后侧填土渗流，土基稳定性不足。此外，后期运行过程中反滤失效、止水破坏、止水老化、闸基不均匀沉陷、地基土质变化等因素影响下也可诱发渗流破坏，对涵闸安全产生不利影响。在此基础上，渗流破坏与止水失效之间相互影响，进一步导致扎实不均匀沉陷，从而加剧水闸病害风险。

3 水闸病害监测项目及测点布置

3.1 主要监测项目

基于水闸特征及其病害类型、特征，确定基础沉降、闸墩及翼墙变形、侧向绕渗、闸基场压力、上下游水位及冲刷、闸墩倾斜、测点布置等关键指标作为水闸监测的核心技术要点。

3.2 测点布置合理性分析

水闸病害监测点应合理选择，以全面准确掌握水闸运行安全形态。观测点设置过多会增加工程投资、影响工程进度，同时增加工作量和数据分析难度，进一步导致监测数据协调不力。因此，应根据水闸安全监测规范进行监测设施、仪器的合理布置，根据项目工程体量和实际需求确定监测点数量及位置，全面反映工程运行性态基础上精简监测数据量提高工作效率。在水闸工程安全监测中要遵循上述原则，根据水闸类型及自身特性合理布置观测点，并突出其与混凝土坝、土石坝的监测差异，主要体现在以下几个方面。

（1）水闸多位于河道中间土基处，受限于土质特点易出现不均匀沉降，需于闸室结构顶部（闸墩顶部）、水闸两岸结合部、上下游翼墙顶部分缝两侧、墙后回填土等区域布置观测点。

（2）河口处挡潮闸具备双向挡水作用，应对其水流进行垂直流向和顺水流向监测，故应双向布置监测装置以达到理想效果。

（3）特殊地质条件下，需进行地基处置并进行地基反力监测装置布置，于闸室顺水流和垂直水流方向分别设置两个监测面进行监测，合理布置扬压力监测装置与地基反力监测装置。

（4）翼墙背后填土层较高时，水闸设计时应于翼墙与背后填土之间布置压力计，在两者结合中下部位置进行布置，选取合适位置放置进行压力监测。

4 某典型水闸监测分析

由于其功能特殊，水闸多建于河口或河道内，相比于大坝等挡水建筑物，潮位涨落导致水闸承受水压频繁变化，另一方面，大多数水闸地基土质为软土，存在较强的沉降，需进行基础加固，结合水闸地域特征、地质特点和实际需求进行受力特性分析，结合监测数据进行资料汇编，合理控制关键技术指标提升其运行安全性。

4.1 某水闸工程概况

某水闸坐落于江河口处，由挡潮泄洪闸、堵坝、鱼道、导流堤、两岸堤防等建筑物联合构成，具备防潮、防洪、蓄水、治涝、水资源开发利用、发电、供水、灌溉、改善水环境、航运等综合属性，经济社会效益巨大。挡潮泄洪闸共计28孔，单孔宽20m，垂直水流方向宽697m，顺水流方向长507m，沿河道上游设置护底、护坦、抛石防冲槽、闸室段、防冲小沉井等，下游设置抛石防冲槽、消力池、海漫、防冲大沉井等。闸室上下游各设置30cm厚混凝土防渗墙，两侧分布翼墙，底板顺水流方向长度约26m。闸基土体由多元化结构构成，以砂质粉土为主，抗压性能差，稳定性不足，易导致水闸沉降，为提高闸基稳定性和承载力，以振冲挤密处理结合大直径管桩植入方案，去除上层易液化砂质粉土层，并设置防渗墙。结合当地土质状况，水闸建设初期对内外变形性、渗流、接触土压、钢筋应力、接缝等重要技术指标加强监测。

项目运行初期，监测数据显示左岸1#闸底板下游与消力池底板接缝处测量值增大、门库沉降加速、左右岸集控楼沉降加速，针对上述情况参建单位及时进行监测资料分析，初步判定为水闸基础承载力不足，虽加强基础处置，但仍存在部分区域裂缝，如不及时处置将会带来严重运行风险。设计单位、参建单位、监理单位等多方协商后出具了加固方案，处置后监测结果正常，水闸处于安全运行状态。

4.2 水闸安全监测资料整编分析要点

4.2.1 监测资料收集及整编

水闸与大坝等建筑物的受力特点和运行特征存在显著差异，监测资料的获取有所不同，主要表现在以下几点。

水闸频繁过水，上下游冲刷作用力远大于水库或大坝，淤积更严重，冲刷会直接影响水闸稳定性，需定期获取水闸冲刷与淤积数据，根据实际情况及时调整。

水闸荷载频繁变化，挡潮闸上下游水位应加强监测，闸基场压力数据也应与之对应，一般每日监测2～4次。

多数水闸规模不足，未配备基本安全观测设施，无专职管护人员，难以及时准确地获取监测数据，主要工作由主管单位委派相关人员定期巡视并记录水闸运行情况。由此可见，出台大坝水闸安全监测规范对确保其安全运行至关重要，相关工作的开展要结合水闸实际情况和监测现状提高规范合理性及可行性。

4.2.2 监测资料分析要点

现阶段，大坝安全监测资料分析法主要包括作图法、比较法、数学模型法、特征值统计法等，应用数学模型法进行数据监测时需结合其他方法进行定性分析以判断数据准确性。水闸运行条件与大坝有所差异，受力状况也不尽相同，针对水闸的资料监测可参考相关文献和实践，现对具体内容分析如下：

（1）水闸观测资料内容包括异常值分析、特征值分析、监测量时空分析、监测资料可靠性分析、闸室整体性分析、闸室稳定性分析、水闸运行状况分析、防渗性分析、数学模型分析等。

（2）对特征物理量的变化规律分析，应结合时间、空间变化重点监测且符合相关规定。首先，同一闸室段相同物理向量监测，應结合其变化过程明确规律，了解变化趋势，判断其随时间变化有无不利倾向。其次，同类物理量应对分布曲线进行分析，监测该数据随时间变化的异常值，判断水闸运行状态有无异常。

（3）统计物理量特征值。确定监测目标，统计不同物理量在不同年份的最大值、最小值、年华幅度、年均值、周期、变化趋势等，对水闸上下游高潮位、较大水头差等情况下的物理量特征值变化趋势重点关注与分析。

（4）分析闸室整体性。重点关注闸室结构状况，收集闸室倾斜度、结构缝开度等资料，判断闸室整体性是否完好、是否处于安全运行状态。

（5）评估渗流控制、排水设施效能是否达标。对闸基内不同部位或者相同部位不同时间段的扬压力监测资料进行对比和评估，同时以项目实际区域地质特征进行渗流控制、排水设施效能指标判断。出现渗漏水浑浊现象及时加以处置。

（6）现场分析核查资料。应因地制宜结合工程情况对上述条目进行详细检查记录，并注重以下几点。①首次运行时，应对水闸基底部有无裂缝、渗出重点核查，观察是否水体浑浊；②对比各个排水口排水量差异；③闸室结构缝有无张开，运行环节是否存在风险因素；④混凝土是否被外力损坏，有无裂缝或渗透现象；⑤超载或自然灾害等特殊地质条件下，水闸哪些部位易出现裂缝或渗漏；⑥洪水宣泄后，建筑物或河床是否被损坏，结构是否完整。

5 结论

以水闸工程运行特点及受力特性为基础，本文对典型水闸安全监测现状进行了调研分析，结合操作规范和技术指南等规范性文件，指出水闸病害类型及其特征，在此基础上对安全监测项目、技术要点重点分析，提出了监测资料收集及监测资料分析要点，为水闸运行安全监测提供了参考，并为确保水闸安全运行提供了科学依据。

参考文献

[1] 周伟江.水利工程标准化管理创新方式研究[J].建材与装饰，2017（12）：295-296.

[2] 周凤才，徐峰，何利华.大堤安全监测技术在穿黄工程建设中的应用[J].海河水利，2010（3）：56-58.

[3] 庞翔云，蓝刚.“十四五”广西水库和大中型水闸安全监测建设思路[J].广西水利水电，2022（3）：103-106.

[4] 贺昌海，费文才，张成友，等.高水头弧形闸门水封破坏原因及工程措施研究[A].创新时代的水库大坝安全和生态保护——中国大坝工程学会2017学术年会论文集[C].2017：601-607.

[5] 魏晓翔.葛洲坝电厂二江泄水闸弧形闸门病害分析及预防对策[A].中国水利学会2019学术年会论文集第一分册[C].2019：565-569.

[6] 崔德密.水闸老化病害指标分级综合评估法及应用[A].新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（下册）[C].2001：355.

[7] 袁占军，张凤翱，程相旭.青岛市大中型水闸安全运行情况探析[A].2021首届城市水利与洪涝防治研讨会论文集[C].2022：272-280.