关于病险水闸除险加固设计的思考

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【摘  要】本文结合笔者近几年的学习与研究，对大丰市病险水闸的除险加固设计进行了分析探讨，并提出一些个人看法，与大家共同讨论。 

【关健词】病险水闸这；加固设计；设计前期；补充；复核  引言  大丰市水闸绝大部分建于上世纪七、八十年代，由于当时技术经济条件的限制，大多数工程设计标准较低，施工质量差，有很多是“三边”工程，同时建成后运行管理制度不完善，工程正常维修养护经费无正常渠道投入，工程更新改造、除险加固费用投入不足，在运行过程中逐渐产生老化病害，导致工程的安全性、适用性和耐久性下降，功能得不到正常发挥，甚至产生安全隐患。为了更好地了解全市病险水闸工程当前的工情、险情，有必要对存在问题较为严重的病险水闸进行实地现状调查及现场检测，根据各闸工程现状调查及现场检测的情况并结合工程运行管理情况，对病险水闸进行加固设计，使水闸工程发挥其作用，保护人民生命财产的安全。  1 设计前期资料的分析整理  1.1 原始资料收集  充分利用收集到的水闸工程原始资料，可以节省大量时间和减少不必要的投资。  1.2 水闸安全鉴定成果  水闸安全鉴定成果主要包括现状调查分析、现场安全检测、工程复核计算和安全评价。因此，水闸安全鉴定可作为开展除险加固设计的重要参考资料。由于安全鉴定更着重于现场观测、检测的结果，水闸安全鉴定的成果不能完全代替设计人员必要的复核和验算。设计人员必要时可与安全鉴定人员充分沟通，取得现场安全检测和工程复核计算的原始资料，为采取更合理的处理措施提供依据。  1.3 水闸除险加固规划和批准文件  水闸除险加固规划和批准文件是除险加固设计的重要依据。除险加固规划和批准文件，准确地说明了水闸除险加固设计需要的深度和设计范围，对开展设计具有指导意义。  2 补充工程勘察应遵循的原则  当水闸经安全鉴定需进行除险加固时，应首先分析原设计勘察资料、施工资料、竣工资料以及水闸安全鉴定中的勘察资料是否能满足除险加固设计要求。当确有必要补充勘察时，应直接针对存在问题安排勘察工作。工程勘察时，除遵循一般地质勘察要求外，尚需遵循以下原则：水闸除险加固设计工程地质勘察的对象应根据设计要求确定；原工程勘察资料收集不全或没有，而除险加固设计又需要资料时需进行补充工程勘察；水闸除险加固设计的工程布置范围超出原工程勘察资料勘察范围的，应进行补充勘察；水闸出现绕渗问题，且超出原勘察范围，应对渗漏地段范围大小进行勘察； 闸基存在不良工程地质问题，原勘察资料又说明不了问题，应进行补充勘察以确定处理方案；补充勘察应以不扰动原建筑物基础或影响其安全为原则。水闸除险加固工程设计地质勘察应在安全鉴定的基础上，对水闸工程的险情和隐患及其他有关地质问题进行详细勘察，结合设计单位的设计要求，分析地质病害和隐患产生的原因，并评价其危险程度，提供水闸除险加固设计所需要的地质资料，并对加固处理措施提出建议。  3 工程任务和规模的复核  对于新建的水闸工程，其工程任务和规模是由所在河流的流域规划以及需求所确定的。而对除险加固的水闸工程，其任务和规模原则上不会发生变化，但也会因为除险加固措施的实施而发生改变。  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级。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。在除险加固设计时，应以最新修正的规划数据为依据，按新的规范要求对工程等别进行复核和重新确定。  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。同时，灌溉渠系以及位于防洪（挡潮）堤上的水闸，其级别也应根据相应的灌区及堤防相关规范进行确定。对经过除险加固后，工程的运用无法达到原设计标准的水闸，要结合实际情况充分论证，重新确定工程的等别和建筑物级别。合理确定水闸的等级后，水闸的防洪标准也应按此等级根据有关标准和规范相应确定。  3.2 特征水位  根据水闸的功能不同，设计水位包括设计洪水位、正常蓄水位、设计引水位等。设计中引起特征水位变化的主要有两种情况：一是对应设计流量变化引起设计水位的变化，这与水闸等级变化以及流域水文情况变化相关。水闸等级变化、流域防洪标准变化以及流域内修建水库等改变了来水条件、水文系列延长引起的洪水频率变化等都可能引起设计流量的变化，而设计流量变化势必要求重新复核对应的设计水位。二是设计流量不变的情况下，河道冲淤、断面变化等引起的同流量水位的变化。  3.3 设计规模  水闸设计规模的变化与否对除险加固采取的方式有直接影响。水闸除险加固时，除应根据确定后的水闸等级和设计洪水标准确定水闸规模是否合理外，还应结合水闸实际运用情况、流域防洪规划及其他要求，充分考虑水文系列的延长，复核水闸原规模，并确认这些指标是否发生变化。  4 工程布置及建筑物的加固设计  4.1 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。安全鉴定为四类闸，拆除重建时闸址选择和布置可根据《水闸设计规范》（sl265—2001）要求或参考已建同类工程进行。  4.2 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。设计时应根据复核后的特征水位和规模，对水闸的过流能力进行复核。当采取加厚底板尺寸、加固闸墩以及增加底坎等措施时，过流面积、水流流态以及下游的出流状态都可能发生变化，需要重新复核水闸的过流能力。尤其要注意流态的变化，需要根据实际情况而采取和原设计以及安全鉴定时不同的过流能力计算公式来进行验算。如果水闸为穿堤涵闸，闸室后紧邻的涵洞断面尺寸、长度变化都可能引起过流能力的变化。尤其是涵洞延长时，尚需重新判断涵洞的流态，即涵洞为有压、无压、半有压和长洞、短洞以及淹没出流和非淹没出流等不同的水流型式，据此选择合适的计算公式验算其过流能力。  水力设计中闸门控制运行方式主要为今后水闸的管理提供技术支持。因此，对闸门的开启程度以及相应的过流能力也应进行必要的复核计算，以方便水闸的运行管理。消能防冲设计计算时，需要特别注意特征水位变化引起的计算条件的变化，以此复核消能防冲工程能否满足设计要求。  4.3 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、排水设施的型式、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。除险加固的水闸应根据水闸存在的问题，按水闸实际的防渗、排水设施型式、布置、构造和尺寸进行防渗排水设计验算。不同水闸存在问题不同，在除险加固设计时也应根据加固设计采取的措施， 对改建后的排水设施进行复核计算。必须注意的是，一旦改变了原防渗措施，须对渗流压力进行计算，因为新增的防渗设施可能会改变渗流压力分布，影响到闸室稳定。防渗设计时，一方面要注意特征水位变化引起的计算条件的变化，另一方面，也需尽可能根据已建水闸多年观测的数据对地质参数进行必要的复核。    4.4 闸室结构布置及稳定性分析  三类闸除险加固时，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。  水闸结构分析及稳定计算时，其荷载的计算也应考虑设计参数的改变。同时，荷载组合中应对检修工况荷载组合进行充分的考虑。有抗震要求时，应根据《水工建筑物抗震设计规范》（sl203—97）的规定，对抗震设防烈度超过6 度的水工建筑物进行结构抗震设计校核。  4.5 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。  由于闸基处于混凝土底板之下，且闸底板钢筋混凝土厚度一般均在0.8m 以上，钢筋间距较小，因此，直接对地基加固有一定困难。当地基已发生较大不均匀沉降时，需根据已有地质资料认真复核地基承载力，确定合理的加固措施。必要时增加地质勘探工作，取得更为合理的地基土的物理力学指标，确保采取的措施合理、经济且施工可行。  5 闸门、启闭机、施工组织及其他  5.1 闸门、启闭机  不论是钢筋混凝土闸门还是钢闸门，随着使用年限的延长，自身结构均会出现不同程度的老化、损坏。对于钢闸门，当其结构发生严重锈蚀而导致截面削弱， 应进行结构强度、刚度和稳定性验算。对于钢筋混凝土闸门，当钢筋混凝土闸门的梁、面板等受力构件发生严重腐蚀、剥蚀、裂缝致使钢筋（或钢筋网）锈蚀时，应按实际截面进行结构强度、刚度和稳定性验算。对闸门的零部件和埋件等发生严重锈蚀或磨损的， 应按实际截面进行强度复核。当主要设计参数发生改变时， 尤其是挡水高度等发生变化时，必须对闸门强度进行验算。启闭机以及相应的电气控制设备主要存在的问题是设备老化。当需要进行设备更新时， 除考虑启闭力外，还应尽可能选择量产、标准化程度高的设备，方便日后的维修养护。  5.2 施工组织  施工组织设计中，除按要求对施工条件、施工导流、料场的选择与开采、主体工程施工、施工交通运输、施工工厂设施、施工总布置、施工总进度和主要技术供应进行必要的论证和设计外，更应结合加固工程的实际特点， 选择更为合理的主体工程施工方案。尤其是钢筋混凝土结构的加固，施工难度及施工质量要求相对较高。  5.3 其他  根据相关要求，病险水闸除险加固设计中，应对工程占压、环境保护、工程管理、设计概算和经济评价进行设计。由于病险水闸除险加固是在原闸基础上进行的加固或改建，其设计的永久占地一般均相对较少或仅仅为临时占地，因此，产生的占地及移民问题也相对较少，易于处理。病险水闸除险加固中， 其工程量较小，环境保护以及产生的水土流失问题也相对较小，易于解决。工程观测主要是在原观测设施基础上，对存在问题的设施进行修复或替换，不存在更多技术问题。难于处理的是经济评价，尽管工程投资、产生的效益、运行费用等相对易于计算，但实际工程产生的效益很难分摊。因此，具体每处工程设计时， 应结合自身运用特点，进行合理的区分。  6 需要进一步探讨的设计问题  6.1 慎重对待闸底板高程的调整  当因稳定问题以及挡水等需要闸底板加固时，设计中一般会对加固后的闸室问题、底板结构进行必要的分析验算。而在这种情况下，易于忽视因闸底板高程变化而对河流河床变形和水力参数变化的考虑。以拦河水闸闸底板高程抬高为例。首先，假设流量q不变(恒定流)、沙粒径d 沿程不变、河宽b 不变、糙率不变、河流处于冲淤平衡状态，可以得到水流基本方程：  q=bch1/2i1/2  式中，i 是水力坡降，c 是谢才系数。同时，河流基本输沙方程为：  s=d-pmun  s=bd-pmc（hi）n/2  式中，p 和n 均为指数，n 一般大于4，m 为系数，u 为流速。根据上述假定，对比降i 推导出方程：  sdpb（n-3)/3=mc2n/3qn/3in/3  可以得出，当拦河闸闸底板高程抬高后，其上游河道河床比降i 变缓，而河流宽度没有改变，床沙粒径d 沿程不变或改变很小，在相同流量或来水过程下， 水流的挟沙能力减弱，导致河流上游的淤积抬高。上游来沙将减少，将导致下游的冲刷。同时，上游河床比降变缓，同流量水位将会抬高，可能导致两岸堤防加高。因此，当需要对闸底板高程进行改变时，须对未来的河床演变和水面线影响作出合理的预测。  6.2 混凝土加固技术的应用  目前对建筑进行加固已取得大量的施工经验，而对水闸工程，尤其是处于水位变动区的建筑物，其工作环境与普通民用建筑相差很大，直接采用工民建的加固方法尚有待进一步验证。同时，虽然目前不断有新的施工方法出现，但考虑到水闸除险加固时其工作量相对较小，相应的施工工艺、施工质量又要求较高，在设计中需尽可能地在可行、经济合理且能保证质量的情况下选择加固方案。