關(guān)于病險水閘除險加固設(shè)計的思考

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【摘  要】本文結(jié)合筆者近幾年的學(xué)習(xí)與研究，對大豐市病險水閘的除險加固設(shè)計進(jìn)行了分析探討，并提出一些個人看法，與大家共同討論。 

【關(guān)健詞】病險水閘這；加固設(shè)計；設(shè)計前期；補充；復(fù)核  引言  大豐市水閘絕大部分建于上世紀(jì)七、八十年代，由于當(dāng)時技術(shù)經(jīng)濟條件的限制，大多數(shù)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低，施工質(zhì)量差，有很多是“三邊”工程，同時建成后運行管理制度不完善，工程正常維修養(yǎng)護經(jīng)費無正常渠道投入，工程更新改造、除險加固費用投入不足，在運行過程中逐漸產(chǎn)生老化病害，導(dǎo)致工程的安全性、適用性和耐久性下降，功能得不到正常發(fā)揮，甚至產(chǎn)生安全隱患。為了更好地了解全市病險水閘工程當(dāng)前的工情、險情，有必要對存在問題較為嚴(yán)重的病險水閘進(jìn)行實地現(xiàn)狀調(diào)查及現(xiàn)場檢測，根據(jù)各閘工程現(xiàn)狀調(diào)查及現(xiàn)場檢測的情況并結(jié)合工程運行管理情況，對病險水閘進(jìn)行加固設(shè)計，使水閘工程發(fā)揮其作用，保護人民生命財產(chǎn)的安全。  1 設(shè)計前期資料的分析整理  1.1 原始資料收集  充分利用收集到的水閘工程原始資料，可以節(jié)省大量時間和減少不必要的投資。  1.2 水閘安全鑒定成果  水閘安全鑒定成果主要包括現(xiàn)狀調(diào)查分析、現(xiàn)場安全檢測、工程復(fù)核計算和安全評價。因此，水閘安全鑒定可作為開展除險加固設(shè)計的重要參考資料。由于安全鑒定更著重于現(xiàn)場觀測、檢測的結(jié)果，水閘安全鑒定的成果不能完全代替設(shè)計人員必要的復(fù)核和驗算。設(shè)計人員必要時可與安全鑒定人員充分溝通，取得現(xiàn)場安全檢測和工程復(fù)核計算的原始資料，為采取更合理的處理措施提供依據(jù)。  1.3 水閘除險加固規(guī)劃和批準(zhǔn)文件  水閘除險加固規(guī)劃和批準(zhǔn)文件是除險加固設(shè)計的重要依據(jù)。除險加固規(guī)劃和批準(zhǔn)文件，準(zhǔn)確地說明了水閘除險加固設(shè)計需要的深度和設(shè)計范圍，對開展設(shè)計具有指導(dǎo)意義。  2 補充工程勘察應(yīng)遵循的原則  當(dāng)水閘經(jīng)安全鑒定需進(jìn)行除險加固時，應(yīng)首先分析原設(shè)計勘察資料、施工資料、竣工資料以及水閘安全鑒定中的勘察資料是否能滿足除險加固設(shè)計要求。當(dāng)確有必要補充勘察時，應(yīng)直接針對存在問題安排勘察工作。工程勘察時，除遵循一般地質(zhì)勘察要求外，尚需遵循以下原則：水閘除險加固設(shè)計工程地質(zhì)勘察的對象應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求確定；原工程勘察資料收集不全或沒有，而除險加固設(shè)計又需要資料時需進(jìn)行補充工程勘察；水閘除險加固設(shè)計的工程布置范圍超出原工程勘察資料勘察范圍的，應(yīng)進(jìn)行補充勘察；水閘出現(xiàn)繞滲問題，且超出原勘察范圍，應(yīng)對滲漏地段范圍大小進(jìn)行勘察； 閘基存在不良工程地質(zhì)問題，原勘察資料又說明不了問題，應(yīng)進(jìn)行補充勘察以確定處理方案；補充勘察應(yīng)以不擾動原建筑物基礎(chǔ)或影響其安全為原則。水閘除險加固工程設(shè)計地質(zhì)勘察應(yīng)在安全鑒定的基礎(chǔ)上，對水閘工程的險情和隱患及其他有關(guān)地質(zhì)問題進(jìn)行詳細(xì)勘察，結(jié)合設(shè)計單位的設(shè)計要求，分析地質(zhì)病害和隱患產(chǎn)生的原因，并評價其危險程度，提供水閘除險加固設(shè)計所需要的地質(zhì)資料，并對加固處理措施提出建議。  3 工程任務(wù)和規(guī)模的復(fù)核  對于新建的水閘工程，其工程任務(wù)和規(guī)模是由所在河流的流域規(guī)劃以及需求所確定的。而對除險加固的水閘工程，其任務(wù)和規(guī)模原則上不會發(fā)生變化，但也會因為除險加固措施的實施而發(fā)生改變。  3.1 等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)  病險水閘除險加固設(shè)計時，首先應(yīng)復(fù)核建筑物等別與級別。目前需要除險加固設(shè)計的水閘，多修建于20 世紀(jì)90 年代之前。在不同時期，國家有不同的相關(guān)規(guī)范來確定工程的等級。因此，水閘除險加固應(yīng)以滿足水閘正常使用功能和自身防洪安全為原則。在除險加固設(shè)計時，應(yīng)以最新修正的規(guī)劃數(shù)據(jù)為依據(jù)，按新的規(guī)范要求對工程等別進(jìn)行復(fù)核和重新確定。  目前，復(fù)核水閘建筑物等別與建筑物級別時，主要以《水閘設(shè)計規(guī)范（sl265—2001）》為依據(jù)確定建筑物的等別與級別。山區(qū)、丘陵區(qū)水利樞紐工程等別應(yīng)按國家現(xiàn)行的《水利水電工程等別劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（sl252—2000）》確定。同時，灌溉渠系以及位于防洪（擋潮）堤上的水閘，其級別也應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的灌區(qū)及堤防相關(guān)規(guī)范進(jìn)行確定。對經(jīng)過除險加固后，工程的運用無法達(dá)到原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的水閘，要結(jié)合實際情況充分論證，重新確定工程的等別和建筑物級別。合理確定水閘的等級后，水閘的防洪標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)按此等級根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范相應(yīng)確定。  3.2 特征水位  根據(jù)水閘的功能不同，設(shè)計水位包括設(shè)計洪水位、正常蓄水位、設(shè)計引水位等。設(shè)計中引起特征水位變化的主要有兩種情況：一是對應(yīng)設(shè)計流量變化引起設(shè)計水位的變化，這與水閘等級變化以及流域水文情況變化相關(guān)。水閘等級變化、流域防洪標(biāo)準(zhǔn)變化以及流域內(nèi)修建水庫等改變了來水條件、水文系列延長引起的洪水頻率變化等都可能引起設(shè)計流量的變化，而設(shè)計流量變化勢必要求重新復(fù)核對應(yīng)的設(shè)計水位。二是設(shè)計流量不變的情況下，河道沖淤、斷面變化等引起的同流量水位的變化。  3.3 設(shè)計規(guī)模  水閘設(shè)計規(guī)模的變化與否對除險加固采取的方式有直接影響。水閘除險加固時，除應(yīng)根據(jù)確定后的水閘等級和設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)確定水閘規(guī)模是否合理外，還應(yīng)結(jié)合水閘實際運用情況、流域防洪規(guī)劃及其他要求，充分考慮水文系列的延長，復(fù)核水閘原規(guī)模，并確認(rèn)這些指標(biāo)是否發(fā)生變化。  4 工程布置及建筑物的加固設(shè)計  4.1 工程布置  安全鑒定中需要除險加固的三類閘，除險加固設(shè)計原則上一般不改變原閘的工程總體布置和主要建筑物型式。需要延長滲徑和消能防沖段的水閘， 應(yīng)按原閘軸線進(jìn)行布置，并符合《水閘設(shè)計規(guī)范》（sl265—2001）的相關(guān)規(guī)定。安全鑒定為四類閘，拆除重建時閘址選擇和布置可根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（sl265—2001）要求或參考已建同類工程進(jìn)行。  4.2 水力設(shè)計  水力設(shè)計一般包括：過流能力驗算、擬定閘門控制運行方式和消能防沖設(shè)計計算。病險水閘除險加固設(shè)計時，影響水閘過流能力的主要因素包括設(shè)計水位的變化、孔口斷面尺寸和型式的變化、過水涵洞斷面尺寸以及涵洞長度的變化、消能防沖設(shè)施變化等。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)復(fù)核后的特征水位和規(guī)模，對水閘的過流能力進(jìn)行復(fù)核。當(dāng)采取加厚底板尺寸、加固閘墩以及增加底坎等措施時，過流面積、水流流態(tài)以及下游的出流狀態(tài)都可能發(fā)生變化，需要重新復(fù)核水閘的過流能力。尤其要注意流態(tài)的變化，需要根據(jù)實際情況而采取和原設(shè)計以及安全鑒定時不同的過流能力計算公式來進(jìn)行驗算。如果水閘為穿堤涵閘，閘室后緊鄰的涵洞斷面尺寸、長度變化都可能引起過流能力的變化。尤其是涵洞延長時，尚需重新判斷涵洞的流態(tài)，即涵洞為有壓、無壓、半有壓和長洞、短洞以及淹沒出流和非淹沒出流等不同的水流型式，據(jù)此選擇合適的計算公式驗算其過流能力。  水力設(shè)計中閘門控制運行方式主要為今后水閘的管理提供技術(shù)支持。因此，對閘門的開啟程度以及相應(yīng)的過流能力也應(yīng)進(jìn)行必要的復(fù)核計算，以方便水閘的運行管理。消能防沖設(shè)計計算時，需要特別注意特征水位變化引起的計算條件的變化，以此復(fù)核消能防沖工程能否滿足設(shè)計要求。  4.3 防滲排水設(shè)計  水閘的防滲排水設(shè)計主要是根據(jù)閘基地質(zhì)情況及上下游水位條件等進(jìn)行設(shè)計計算，其內(nèi)容包括：進(jìn)行水閘的地下輪廓布置， 設(shè)計防滲、排水設(shè)施的型式、布置、構(gòu)造和尺寸；滲流壓力計算；滲流坡降計算，驗算地基抗?jié)B穩(wěn)定性；濾層設(shè)計；防滲帷幕及排水孔設(shè)計；永久縫止水設(shè)計。除險加固的水閘應(yīng)根據(jù)水閘存在的問題，按水閘實際的防滲、排水設(shè)施型式、布置、構(gòu)造和尺寸進(jìn)行防滲排水設(shè)計驗算。不同水閘存在問題不同，在除險加固設(shè)計時也應(yīng)根據(jù)加固設(shè)計采取的措施， 對改建后的排水設(shè)施進(jìn)行復(fù)核計算。必須注意的是，一旦改變了原防滲措施，須對滲流壓力進(jìn)行計算，因為新增的防滲設(shè)施可能會改變滲流壓力分布，影響到閘室穩(wěn)定。防滲設(shè)計時，一方面要注意特征水位變化引起的計算條件的變化，另一方面，也需盡可能根據(jù)已建水閘多年觀測的數(shù)據(jù)對地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行必要的復(fù)核。    4.4 閘室結(jié)構(gòu)布置及穩(wěn)定性分析  三類閘除險加固時，首先需根據(jù)新的設(shè)計條件對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，然后結(jié)合安全鑒定中結(jié)構(gòu)存在的問題， 采取必要的工程措施進(jìn)行加固，同時按加固后的結(jié)構(gòu)尺寸重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和穩(wěn)定驗算。驗算時應(yīng)盡可能考慮工程措施中新老材料之間的差異性，以及這些差異將對工程安全運行帶來的影響。  水閘結(jié)構(gòu)分析及穩(wěn)定計算時，其荷載的計算也應(yīng)考慮設(shè)計參數(shù)的改變。同時，荷載組合中應(yīng)對檢修工況荷載組合進(jìn)行充分的考慮。有抗震要求時，應(yīng)根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（sl203—97）的規(guī)定，對抗震設(shè)防烈度超過6 度的水工建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計校核。  4.5 地基處理及設(shè)計  當(dāng)水閘發(fā)生不均勻沉降或者地基總體沉降量較大時，需根據(jù)地質(zhì)情況重新復(fù)核地基承載力。閘室加固、防滲措施改變時都需要重新驗算地基承載力。  由于閘基處于混凝土底板之下，且閘底板鋼筋混凝土厚度一般均在0.8m 以上，鋼筋間距較小，因此，直接對地基加固有一定困難。當(dāng)?shù)鼗寻l(fā)生較大不均勻沉降時，需根據(jù)已有地質(zhì)資料認(rèn)真復(fù)核地基承載力，確定合理的加固措施。必要時增加地質(zhì)勘探工作，取得更為合理的地基土的物理力學(xué)指標(biāo)，確保采取的措施合理、經(jīng)濟且施工可行。  5 閘門、啟閉機、施工組織及其他  5.1 閘門、啟閉機  不論是鋼筋混凝土閘門還是鋼閘門，隨著使用年限的延長，自身結(jié)構(gòu)均會出現(xiàn)不同程度的老化、損壞。對于鋼閘門，當(dāng)其結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕而導(dǎo)致截面削弱， 應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性驗算。對于鋼筋混凝土閘門，當(dāng)鋼筋混凝土閘門的梁、面板等受力構(gòu)件發(fā)生嚴(yán)重腐蝕、剝蝕、裂縫致使鋼筋（或鋼筋網(wǎng)）銹蝕時，應(yīng)按實際截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性驗算。對閘門的零部件和埋件等發(fā)生嚴(yán)重銹蝕或磨損的， 應(yīng)按實際截面進(jìn)行強度復(fù)核。當(dāng)主要設(shè)計參數(shù)發(fā)生改變時， 尤其是擋水高度等發(fā)生變化時，必須對閘門強度進(jìn)行驗算。啟閉機以及相應(yīng)的電氣控制設(shè)備主要存在的問題是設(shè)備老化。當(dāng)需要進(jìn)行設(shè)備更新時， 除考慮啟閉力外，還應(yīng)盡可能選擇量產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的設(shè)備，方便日后的維修養(yǎng)護。  5.2 施工組織  施工組織設(shè)計中，除按要求對施工條件、施工導(dǎo)流、料場的選擇與開采、主體工程施工、施工交通運輸、施工工廠設(shè)施、施工總布置、施工總進(jìn)度和主要技術(shù)供應(yīng)進(jìn)行必要的論證和設(shè)計外，更應(yīng)結(jié)合加固工程的實際特點， 選擇更為合理的主體工程施工方案。尤其是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固，施工難度及施工質(zhì)量要求相對較高。  5.3 其他  根據(jù)相關(guān)要求，病險水閘除險加固設(shè)計中，應(yīng)對工程占壓、環(huán)境保護、工程管理、設(shè)計概算和經(jīng)濟評價進(jìn)行設(shè)計。由于病險水閘除險加固是在原閘基礎(chǔ)上進(jìn)行的加固或改建，其設(shè)計的永久占地一般均相對較少或僅僅為臨時占地，因此，產(chǎn)生的占地及移民問題也相對較少，易于處理。病險水閘除險加固中， 其工程量較小，環(huán)境保護以及產(chǎn)生的水土流失問題也相對較小，易于解決。工程觀測主要是在原觀測設(shè)施基礎(chǔ)上，對存在問題的設(shè)施進(jìn)行修復(fù)或替換，不存在更多技術(shù)問題。難于處理的是經(jīng)濟評價，盡管工程投資、產(chǎn)生的效益、運行費用等相對易于計算，但實際工程產(chǎn)生的效益很難分?jǐn)?。因此，具體每處工程設(shè)計時， 應(yīng)結(jié)合自身運用特點，進(jìn)行合理的區(qū)分。  6 需要進(jìn)一步探討的設(shè)計問題  6.1 慎重對待閘底板高程的調(diào)整  當(dāng)因穩(wěn)定問題以及擋水等需要閘底板加固時，設(shè)計中一般會對加固后的閘室問題、底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的分析驗算。而在這種情況下，易于忽視因閘底板高程變化而對河流河床變形和水力參數(shù)變化的考慮。以攔河水閘閘底板高程抬高為例。首先，假設(shè)流量q不變(恒定流)、沙粒徑d 沿程不變、河寬b 不變、糙率不變、河流處于沖淤平衡狀態(tài)，可以得到水流基本方程：  q=bch1/2i1/2  式中，i 是水力坡降，c 是謝才系數(shù)。同時，河流基本輸沙方程為：  s=d-pmun  s=bd-pmc（hi）n/2  式中，p 和n 均為指數(shù)，n 一般大于4，m 為系數(shù)，u 為流速。根據(jù)上述假定，對比降i 推導(dǎo)出方程：  sdpb（n-3)/3=mc2n/3qn/3in/3  可以得出，當(dāng)攔河閘閘底板高程抬高后，其上游河道河床比降i 變緩，而河流寬度沒有改變，床沙粒徑d 沿程不變或改變很小，在相同流量或來水過程下， 水流的挾沙能力減弱，導(dǎo)致河流上游的淤積抬高。上游來沙將減少，將導(dǎo)致下游的沖刷。同時，上游河床比降變緩，同流量水位將會抬高，可能導(dǎo)致兩岸堤防加高。因此，當(dāng)需要對閘底板高程進(jìn)行改變時，須對未來的河床演變和水面線影響作出合理的預(yù)測。  6.2 混凝土加固技術(shù)的應(yīng)用  目前對建筑進(jìn)行加固已取得大量的施工經(jīng)驗，而對水閘工程，尤其是處于水位變動區(qū)的建筑物，其工作環(huán)境與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進(jìn)一步驗證。同時，雖然目前不斷有新的施工方法出現(xiàn)，但考慮到水閘除險加固時其工作量相對較小，相應(yīng)的施工工藝、施工質(zhì)量又要求較高，在設(shè)計中需盡可能地在可行、經(jīng)濟合理且能保證質(zhì)量的情況下選擇加固方案。