病险水闸除险加固初步设计常用技术

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病险水闸除险加固初步设计常用技术1概述水闸是为城市供水、工农业生产供水、防洪、防潮、排涝等方面服务的重要基础设施，在社会经济发展中发挥着重要作用。我国水闸大多建成于20世纪50~70年代，由于种种原因，存在着各种安全隐患。据不完全统计，目前我国水闸的病险比例高达2/3，对水闸存在的病险问题进行归类并分析成因，可对病险水闸除险加固工作提供有益参考。2主要病险种类目前我国水闸存在的病险种类繁多，从水闸的作用及结构组成来说，主要可分为以下9种病险问题：2.1防洪标准偏低。防洪标准（挡潮标准）偏低，主要体现在宣泄洪水时，水闸过流能力不足或闸室顶高程不足，单宽流量超过下游河床土质的耐冲能力。2.2闸室和翼墙存在整体稳定问题闸室及翼墙的抗滑、抗倾、抗浮安全系数以及基底应力不均匀系数不满足规范要求，沉降、不均匀沉陷超标，导致承载能力不足、基础破坏，影响整体稳定。2.3闸下消能防冲设施损坏闸下消能防冲设施损毁严重，不适应设计过闸流量的要求，或闸下未设消能防冲设施，危及主体工程安全。2.4闸基和两岸渗流破坏闸基和两岸产生管涌、流土、基础淘空等现象，发生渗透破坏。2.5建筑物结构老化损害严重 混凝土结构设计强度等级低，配筋量不足，碳化、开裂严重，浆砌石砂浆标号低，风化脱落，致使建筑物结构老化破损。2.6闸门锈蚀、启闭设施和电气设施老化金属闸门和金属结构锈蚀，启闭设施和电气设施老化、失灵或超过安全使用年限，无法正常使用。2.7上下游淤积及闸室磨蚀严重多泥沙河流上的部分水闸因选址欠佳或引水冲沙设施设计不当，引起水闸上下游河道严重淤积，影响泄水和引水，闸室结构磨蚀现象突出。2.8水闸抗震不满足规范要求水闸抗震安全不满足规范要求，地震情况下地基可能发生震陷、液化问题，建筑物结构型式和构件不满足抗震要求。2.9管理设施问题大多数病险水闸存在安全监测设施缺失、管理房年久失修或称为危房、防汛道路损坏、缺乏备用电源和通讯工具等问题，难以满足运行管理需求。3病险水闸除险加固内容病险水闸除险加固内容包括：水闸等级及洪水标准的核定、总体布置、水力设计、防渗排水设计、结构设计、地基处理设计、观测设计等。3.1等级划分及洪水标准病险水闸除险加固设计时，首先应复核建筑物等别与级别。目前需要除险加固设计的水闸，多修建于20世纪90年代之前。在不同时期，国家有不同的相关规范来确定工程的等别。因此，水闸除险加固应以满足水闸正常使用功能和自身防洪安全为原则。目前，复核水闸建筑物等别与建筑物级别时，主要以《水闸设计规范》（SL265-2001）为依据确定建筑物的等别与级别。山区、丘陵区水利枢纽工程等别应按国家现行的《水利水电工程等别划分及洪水标准》（SL252-2000）确定。3.2工程布置安全鉴定中需要除险加固的三类闸，除险加固设计原则上一般不改变原闸的工程总体布置和主要建筑物型式。需要延长渗径和消能防冲段的水闸，应按原闸轴线进行布置，并符合《水闸设计规范》（SL265-2001）的相关规定。3.3水力设计水力设计一般包括：过流能力验算、拟定闸门控制运行方式和消能防冲设计计算。病险水闸除险加固设计时，影响水闸过流能力的主要因素包括设计水位的变化、孔口断面尺寸和型式的变化、过水涵洞断面尺寸以及涵洞长度的变化、消能防冲设施变化等。3.4防渗排水设计水闸的防渗排水设计主要是根据闸基地质情况及上下游水位条件等进行设计计算，其内容包括：进行水闸的地下轮廓布置，设计防渗、排水型式、布置、构造和尺寸；渗流压力计算；渗流坡降计算，验算地基抗渗稳定性；滤层设计； 防渗帷幕及排水孔设计；永久缝止水设计。3.5闸室结构布置及稳定性分析水闸除险加固时，首先需根据新的设计条件对原结构进行分析计算，然后结合安全鉴定中结构存在的问题，采取必要的工程措施进行加固，同时按加固后的结构尺寸重新进行结构分析和稳定验算。验算时应尽可能考虑工程措施中新老材料之间的差异性，以及这些差异将对工程安全运行带来的影响。3.6地基处理及设计当水闸发生不均匀沉降或者地基总体沉降量较大时，需根据地质情况重新复核地基承载力。闸室加固、防渗措施改变时都需要重新验算地基承载力。4病险水闸问题处理及主要技术4.1水闸闸底及闸侧渗漏4.1.1闸底渗漏处理：对于水闸上游铺盖破坏或闸身与铺盖之间水平止水破坏的可采取补做铺盖和重设水平止水的措施。水闸铺盖宜采用砼铺盖，对于浆砌块石铺盖当不均匀沉陷会引起浆砌裂缝漏水。对于本身渗径长度不够的，可以在上游铺盖前打防渗板桩，其材料可选用木板或钢筋砼板，通过打板桩不仅可以增长渗径起到防渗的作用，还可以降低闸底板的扬压力，有利于水闸的抗滑稳定。4.1.2闸侧绕渗处理引起水闸绕渗的原因一般是闸墙背后填土不密实或刺墙长度不够，因此当发生侧向绕渗时，一般可采取对闸墙背填土重新开挖或用冲抓锥造孔，回填粘土分层夯实，加深、接长刺墙的办法处理。4.2防冲处理水闸下游护坦、海漫及两岸护坡的冲刷是水闸的最普遍的现象。对于消力池设计达不到要求的，未能充分消杀过闸水流的能量引起的冲刷，可以采取设置二道消力坎的办法来处理。对于由于海漫干砌块石过小引起的局部冲刷，可采取抛大块石或砼四面体的办法来处理，也可以采用少筋砼或埋石砼重新修建海漫，并在海漫末端设置抛石防冲槽或打板桩进行防冲。对于下游二岸也同样可以采取块石护坡的办法进行处理，在施工的时候一定要注意做好反滤垫层，以防止被水流淘空块石下面土体产生塌陷破坏。4.3启闭系统故障处理对于螺杆式启闭机，由于各传动部件磨损的原因，时间久了以后会由于间隙过大而产生振动和螺杆压弯等现象，对此类异常现象的处理办法是根据实际情况进行大修或更新。对于双吊点的卷扬式启闭机，经常由于二边松紧程度不一致，导致二边拉力不平衡产生闸门开启时卡阻，当出现这种问题的时候，最好请有经验的技术人员进行调整。另外对钢丝索每年都要进行检查保养、及时更换损坏的钢丝索，以免发生重大事故。4.4砼碳化及裂缝处理 我国水闸大都建于50至70年代，经这几十年的运行，许多砼构件都出现了严重碳化现象。对于砼碳化的处理，视碳化程度和部位，将碳化的砼全部凿去，尔后用高于原砼设计标号的砼进行修补加固，如外露的钢筋已产生锈蚀，须先除锈再进行处理，锈蚀严重可能影响到结构安全的，要通过计换筋或重新更换构件。对于砼和钢筋砼结构的裂缝，如不影响结构强度的可视裂缝大小分别采用水泥灌浆或化学灌浆，表面涂环氧砂浆处理，影响结构强度的应力裂缝和贯通裂缝则应凿开钢筋回填砼等方法补强，如系表面细微裂纹则可不予处理。4.5闸门漏水处理闸门的漏水一般由闸门门板的破损，止水橡胶的老化及门槽的损坏引起，对于闸门门板的破损，如果损坏不大可以采用高一级标号的砼修补，如破损严重，如果是几块拼装的则可以坏掉破损块。对于止水橡胶皮老化的情况，则可以通过更换止水橡皮来处理。5水闸附属建筑物的修复技术与水闸相连接的底板、闸墩、翼墙、防渗铺盖、防洪墙等部位均会出现病害，严重影响着水闸的安全运行。因此，对水闸附属建筑物的修复显得尤为重要。加固的主要技术和方法有：表面粘贴法、表面嵌填法、化学灌浆法、表面喷涂法。5.1表面粘贴法表面粘贴法是通过在混凝土表面粘贴片状防水材料来防止渗漏的方法，适应于混凝土表面大面积龟裂、漫渗等缺陷的修复。一般采用橡胶防水卷材（如三元乙丙橡胶防水卷材、氯化聚乙烯橡胶防水卷材等）或其他片状纤维材料（如玻璃纤维、碳纤维等效），但要求黏合剂能够在潮湿或有明水的界面快速黏结固化。表面粘贴法的示意图如图1所示，其施工工序为：施工准备→基面处理→底胶涂抹→卷材粘贴→面层处理。5.2表面嵌填法 表面嵌填法是指沿裂缝凿槽，并在槽中嵌填止水密封材料，封闭裂缝，已达到防渗、补强的目的。对无渗漏的结构裂缝，一般可采用聚合物砂浆、环氧砂浆、弹性环氧砂浆或聚氨酯砂浆等强度较高的材料嵌填；对于有渗漏的裂缝，一般在填入遇水膨胀止水条后再用聚合物砂浆、环氧砂浆、弹性环氧砂浆或聚氨酯砂浆等封闭。表面嵌填法示意图如图2所示，其施工工序为：施工准备→裂缝开槽→槽面清理→止水材料嵌填封闭。5.3化学灌浆法化学灌浆法是指将高分子化合物的浆液通过一定压力灌入混凝土中的一种工程措施，可起到封闭裂缝、防渗、补强的目的。常用的化学灌浆材料主要为环氧树脂类、聚氨酯、丙烯酸等，以及由上述材料复合或改性的其他新型材料。化学灌浆法示意图如图3所示，其施工工序为：施工准备→裂缝开槽→造灌浆孔→槽面、孔面清理→埋设灌浆嘴、孔口封闭→清洗缝面→封槽→压力灌浆→灌浆质量检查→面层处理。5.4表面喷涂法表面喷涂法是指在混凝土表面喷射或涂刷防水材料达到防渗的目的。适用于混凝土表面存在面渗、大量细小龟纹等较大面积缺陷的修复。在做喷涂施工前应采取措施封堵渗水量较大的漏水点和渗漏裂缝，防止喷涂材料在固化前被水浸泡或冲刷。表面喷涂的材料一般采用无机材料（如水泥基渗透结晶型防水材料等）和高分子材料（如聚氨酯、环氧防水涂料、聚脲弹性体、氯丁胶乳液、丙烯酸酯共聚乳液、羧基丁苯乳液等）。表面喷涂法施工工序为:施工准备→基面清理→材料喷涂→养护。6新工艺和新材料及其先进性1.多级跌水式消能在河道大型高悬空状水闸工程中的应用。在我国河道大型水闸工程中，消能工大都采用传统的底流式，而浑河闸消能工应急工程根据工程实际情况，将多级跌水式消能成功应用到大流量、大宽度的大型水闸中，不但解决了消能问题，使上下游河道衔接，水流平顺，而且大大节省了投资。 2.钢筋混凝土防淘齿墙在河道大型水闸工程消能防冲设施中的应用。由于浑河闸下游河道有继续下切的可能性，为了一劳永逸地解决消能问题，防止水流淘刷对大闸的安全威胁，结合消能工的总体布置和施工条件，采用液压抓斗成槽法在消力池末端修建钢筋混凝土防淘齿墙是非常有效的方法。3.铰链块型土工膜袋在河道大型水闸工程消能防冲设施及下游堤防防护中的应用。铰链块型土工膜袋的特点是膜袋灌注混凝土后，能够形成许多相连而独立的块体，排水通畅，块体之间以高强尼龙绳连接，能够自由沉降，适应地形变化，具有施工方便、快速等特点。浑河闸消能工应急工程在汛前海漫水平临时防护和汛后套堤堤脚防护中都有运用，从运用效果看是非常成功的。7.总结针对病险水闸的问题和原因，充分考虑新材料、新工艺和新技术的应用，提出以下除险加固工程措施和建议。1.对于工程等级、防洪标准及设计流量不满足要求但主体结构基本完好的水闸，尽量考虑保留原闸室，按规划批复的工程规模及设计水位，通过加高或增扩闸孔来提高过流能力，其余附属设施相应进行加固改造。2.对于闸室整体稳定不满足规范要求、地基承载能力不足的水闸，可根据地基土的性质采用灌浆、振冲加密等措施提高地基承载力。对已发生不均匀沉降，影响闸门运行的，可采用压密灌浆，用高压浓浆抬动土体及闸基，恢复闸底高程。对由于消能工失效、产生溯源冲刷造成的闸基淘空，需回填砂砾料，采用防渗墙围封后进行灌浆，或拆除局部淘空部位结构，回填处理再予以恢复。3.对于闸基或两岸渗流稳定复核不满足要求的水闸，可通过增加水平和垂直防渗长度、修复或增设出逸段排水反滤等措施进行处理。增加水平防渗长度的方式主要为加长上游防渗铺盖和修补防渗铺盖的裂缝和止水，增设垂直防渗的方式主要为设置高压喷射防渗墙、搅拌桩防渗墙、塑性防渗墙等。对于地基脱空的情况，需采取灌浆措施保证地基与底板紧密接触，避免接触渗流进一步破坏，尤其对淤泥质地基的桩基基础应定期监测脱空情况，及时补灌。对于两岸绕渗的渗流破坏，应改造上下游翼墙或在岸墙背后增设刺墙。4.对于结构老化损害严重的水闸，如果是碳化深度过大、钢筋锈蚀明显且危及结构安全的构件，一般拆除重建；如果是局部碳化深度大于钢筋保护层厚度或局部碳化层疏松剥落，应凿除碳化层，对锈蚀严重的钢筋进行除锈处理，并根据锈蚀情况和结构需要加补钢筋，再采用高强砂浆或混凝土修补；如果碳化深度小于钢筋保护层厚度，可用优质涂料封闭；对于表面裂缝，可以表面凿槽，采用预缩水泥砂浆、丙乳砂浆、防水快凝砂浆或环氧砂浆进行修复；对于有防渗要求的结构或贯穿性裂缝，可采用凿槽封闭再钻孔灌浆的方法进行处理。5.对于闸下消能防冲设施不完善、损毁严重的水闸，要分析损毁原因，有针对性地改造或恢复消能设施。设计单宽流量过大是消能防冲设施损毁的主要原因之一，在合理设计单宽流量的条件下，可加大海漫长度、宽度、扩散角或加设柴排等设施，使其满足防冲要求。 6.对于河道淤积严重的水闸，应根据工程经验及水工模型试验，合理设置挡沙、冲沙等设施，制定引水冲沙方式，或通过清淤减轻河道淤积。7.对于闸门锈蚀、启闭机和电气设施落后老化的水闸，可根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》、《水利水电工程金属结构报废标准》进行检测后予以报废或更新改造。8.对于水闸抗震不满足规范要求的水闸，液化地基可设置防渗墙围封和桩基，防止地基失稳；软土震陷可采用桩基础结合灌浆加以处理；涉及建筑物结构安全时，改造闸室及上部结构型式，使其满足抗震规范要求。9.根据水闸运行管理要求，恢复或完善安全监测、管理用房等必要的设备设施。目前我国水闸的病险问题和种类较多，要想彻底解决上述9类主要病险问题，需要进一步加强水闸病险对水闸可靠度影响的定量研究，已更好地评价水闸安全度。同时，从水闸的设计方法、采用材料、施工技术和工艺以及建后运行管理等方面，开展除险加固技术、监测预警系统、除险加固效果评价等方面的系列研究，形成水闸安全保障关键技术体系，如此才能从工程措施方面根本解决水闸的病险问题，为水利防洪体系的安全提供支撑。