大中型病险水闸的成因及除险加固措施分析

邵 杰，孙承坪，周路宝

(连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222006)

水闸在国民生产、生活中发挥着不可缺失的作用，可以为城市、工农业生产供水，并在防洪抗灾、排涝发挥重要作用。随着国民经济的迅速发展，水闸建设成为一项保障国家经济稳定发展的重要民生建设举措。我国的水闸大多修建于二十世纪六七十年代，由于当时的技术经济条件有限，及水闸使用时间较长，所以存在各种病险问题，为水闸运行埋下安全隐患。据历史资料统计，我国存在病险的大中型水闸为两千多个，约占大中型水闸总数的三分之一。这些病险既影响工程的质量，又不利于水闸的正常运作，给当地人民的生产、生活造成巨大的不良影响。国民的生命财产安全与水闸的安全息息相关，因此研究大中型病险水闸除险加固措施具有十分重要的意义[1]。

1 病险水闸的成因

(1)历史原因。由于年代的特殊性，以及当时施工技术、施工水平有限，经济实力弱，建设管理不到位，技术人员对洪水认识不足，建设水闸使用的材料质量差，修建设备落后等综合原因，很多水闸都是“三边”工程，即边勘测、边设计、边施工，导致最后建成的水闸施工质量差，防洪标准偏低，不能满足实际需求[2]。

(2)自然原因。泥沙淤积、地震、洪水、海啸等自然因素的影响，会一定程度地破坏水闸的结构，使水闸表面出现裂纹，水流冲刷也会造成河床下切、防冲槽破损、闸门锈蚀、电器设备老化，在汛期极易造成安全隐患。另外，由于人类的某些不合理行为对自然界造成的影响，如水污染等，也会对水闸结构造成不利影响，加快闸体结构老化。

(3)技术原因。由于建成时间比较久远，当时的结构强度，消能防冲、防洪标准以及整体结构稳定性等都达不到现在的要求[3]。修建水闸之前需做大量勘测工作，收集大量的河流的水文数据，准确计算洪峰流量，从而确定水闸的设计标准。然而，限于当时的经济技术条件，无法完成充分的准备工作就开始施工，造成水闸的设计标准普遍偏低，远远达不到防洪标准。此外，由于某些河流的防洪体系发生了变化，对许多河道进行了深浚，水闸没得到相应的改进，无法满足防汛要求。

(4)管理原因。由于运行时间较长，结构发生老化，存在一定的安全隐患，水闸管理部门缺乏工程维护和管理的意识，管理制度不完善、管理经费短缺、维护费用投入不足，造成部分大中型病险水闸的安全性和耐久性下降，少数水闸处于失修状态[4]。

2 病险水闸的类型

根据调查分析，现阶段我国大中型水闸存在的常见病险类型主要有以下几种：

(1)水闸防洪标准偏低。防洪标准也被叫做挡潮标准。在设计时没有收集大量的水文资料、技术标准不统一、水文系列延长等原因都会导致水闸高程不够、泄洪能力不足等问题，造成防洪标准偏低。

(2)抗震标准低。在河边、海滨沙尘中以及内陆砂岩层中极易发生地震液化作用，即由于地震使没有固结的岩层或饱和的松散沙土发生液化现象，使地基软化，造成地面沉陷、建筑物倒塌。修建水闸前，应该按地震烈度区划分工程区，遵循水闸建筑抗震规范[5]。

(3)大坝渗漏问题严重。我国许多大中型水闸都建在丘岭之间，由于设计不合理、勘测深度不够、结构老化等原因，导致坝体、坝基渗透压力过大，发生大坝渗漏现象。渗漏形式主要有以下三种：坝基渗漏、坝体渗漏、绕坝渗漏。许多大坝存在散渗、流土、沼泽化、接触冲刷、坝体裂缝等问题，严重危害大坝安全。

(4)其他病险类型。除以上大中型病险水闸比较常见的问题外，其他病险类型还包括建筑物结构老化、土石坝坝体变形、闸门锈蚀、闸下防冲设施毁坏等。

大中型病险水闸病险种类多，需要根据实际情况有针对性地采取除险加固措施，消除水闸安全隐患[6]。传统的水闸除险加固主要采取的方法有：①拆除旧坝修建新的；②堵塞原来的管道，重建顶管；③放弃原来的管道，改用虹吸式管道。

以上三种方法施工技术要求较高，实施起来较复杂，并且耗时长、投资大、成本高。本文采用高压喷射灌浆与振动沉膜技术相结合的方式，形成了组合防渗体系。与传统的水闸除险加固措施相比，本文的水闸除险加固措施不仅可以有效地改善水闸的渗漏现象，而且施工技术较简单、耗费工时短、花费成本低。

3 除险加固方案

本文采用高压喷射灌浆与振动沉膜技术相结合的方式，形成了组合防渗体系[7]，如图1所示。

图1 大中型病险水闸除险加固方案

图1可知，大中型病险水闸除险加固方案分为高压喷射灌浆和振动沉膜。

高压喷射灌浆是通过钻孔的方法将配备有特制的合金喷嘴的注浆管放在特定位置，然后利用高压水泵或泥浆泵将浆液喷射出来，借助喷射的浆液的冲击力，使土粒和浆液按一定的比例混合均匀，重新规则排列，最终形成固定形状。高压喷射灌浆浆液的喷射形式主要有旋转喷射、摆动喷射和定向喷射[8]。虽然这三种岩浆的喷射形式不同，但都起着切碎土层的作用，使之与浆液搅拌混合均匀，然后发生凝结、固化。高压喷射灌浆适用于软弱地层，按照所用管道数，其施工方法主要有单管法、双管法、三管法和多管法。

振动沉膜技术是利用频率高、功率大的振动锤产生的垂直振动力，将模板压入到指定位置，形成一定厚度的空槽体，最后采用边灌浆边振动的方式套接成槽的一种施工技术。

高喷灌浆具有浆液深度大、岩浆适应性强等优点，振动沉膜技术使土粒和浆液混合地更均匀，因此形成的墙体厚度也十分均匀[9]。与单一的高喷灌浆方式相比，采用高压喷射灌浆与振动沉膜技术相结合形成的组合防渗体系除险加固的整体功效至少提高了一倍，具有经济效益高、可实施性强等优点。

4 水闸除险加固措施流程分析

4.1 高压喷射灌浆工艺流程

大中型病险水闸除险加固是一项较为复杂的工作，高压喷射灌浆工作过程如图2所示。

图2 高压喷射灌浆工艺流程

第一步：灌浆试验。灌浆之前，在施工地段选取某一地点进行岩石凝结试验的一种测试方法，主要是为了了解土体进行灌浆处理后可能发生的变化以及可能性，并获得相应的技术指标便于后续施工工作的进行[11]。

第二步：测量放线。即利用测量工具测量建筑物的实际平面位置和高度等，按照施工图进行复核，保证图纸的准确性。

第三步：制浆。使用型号为437号的水泥硅酸盐作为喷浆浆液，使用前需经过过筛处理，并且浆液的搅拌时间至少为30min。

第四步：钻孔。根据设计要求，在出现渗漏现象的部位钻一个孔径在45～350mm的小孔。

第五步：浆液试喷。为了保证施工效率，在正式高压喷射灌浆前需进行试喷，即先在地面上进行喷射，并做好相关参数和现象记录。

第六步：高压喷射灌浆。完成试喷后，将下喷射管伸到钻孔中采用高压泵进行旋转喷射浆液。本文高压喷射注浆使用的施工工具主要有高压水泵、注浆泵、喷射器、钻孔机、卷扬机等。

第七步：封孔。指的是利用固化后的浆液借助水泥封孔泵将水泥浆液注入一定深度，等待水泥固化后即可起到密封作用。

4.2 振动沉膜技术工艺流程

振动成膜的核心设备是2块模板，工作过程如图3所示。

图3 振动沉膜技术工艺流程

第一步：模板就位。

第二步：A板、B板均下沉。

第三步：A板灌浆后将板提至一定高度。

第四步：B板灌浆后将板提至一定高度。

第五步：A板、B板均再下沉，循环往返施工。

这项技术使用的振锤频率为1280次/min，按照施工步骤将A、B两个模板打入到地层深处，使模板周围的土体被充分挤压，同时灌入浆液，并不断搅拌混合使浆液和土粒混合均匀，以形成均匀密实的防渗墙体。设计技术相应指标要求具体为：模量≤2000MPa；抗压强度≤4Pa；渗透系数≤3×10-6cm/s；水力梯度在45～60之间，浆液密度为1.95g/cm3；高压摆动喷浆孔距为1.5m；塔深100cm[12]。

5 实验研究

为了检测本文采用的高压喷射灌浆与振动沉膜技术相结合的方式形成的组合防渗体系的工作效果，与传统的除险加固措施进行了对比，设计了对比实验。

5.1 实验参数

实验参数见表1。

表1 实验参数

5.2 实验过程

根据上述设定的参数进行实验，选用传统除险加固措施和本文研究的组合防渗体系对同一大中型病险水闸进行除险加固，分析对比两种方法的工作效果。

5.3 实验结果与分析

(1)施工耗费成本实验结果

施工耗费成本实验结果如图4所示。

图4 施工耗费成本实验结果

由图4可知，随着水闸病险数目增加，施工耗费成本也在不断增大，但是本文的除险加固措施耗费成本始终低于传统方法。当水闸病险数目为2时，传统方法花费的成本为9万元，本文方法花费的成本为7.5万元；当水闸病险数目为6时，传统方法花费的成本为21万元，本文方法花费的成本为15万元；当水闸病险数目为10时，传统方法花费的成本为29万元，本文方法花费的成本为19万元；当水闸病险数目为14时，传统方法花费的成本为37万元，本文方法花费的成本为22万元。由此可知，随着水闸病险数目增加，传统方法耗费成本的增长速度远远高于本文方法耗费成本的增长速度。

(2)施工耗费时间实验结果

施工耗费时间实验结果如图5所示。

图5 施工耗费时间实验结果

由图5可知，随着水闸病险数目增加，施工耗费时间也在不断增加，但是本文的除险加固措施耗费时间始终低于传统方法。当水闸病险数目为2时，传统方法花费时间为3d，本文方法花费时间为1.6d；当水闸病险数目为6时，传统方法花费时间为4.6d，本文方法花费时间为2.8d；当水闸病险数目为10时，传统方法花费时间为7.6d，本文方法花费时间为4.4d。由此可知，随着水闸病险数目增加，传统方法耗费时间的增长速度远远高于本文方法耗费时间的增长速度。

(3)除险加固修固实验结果

除险加固修固后物理性能指标检测结果见表2。

表2 除险加固修固后物理性能指标检测结果

由表2可知，抗压强度最小为4.12MPa，大于技术要求指标4MPa，满足要求。渗透系数最大为1.40×10-6cm/s，小于技术要求指标3×10-6cm/s，满足要求。由此可知，采用本文的方法主要物理性能指标检测结果均达到技术指标要求，施工质量较好。

5.4 实验结论

传统方法以及本文所阐述的方法虽然都能够对大中型病险水闸有除险加固修复功能，但是采用本文的高压喷射灌浆与振动沉膜技术相结合形成的组合防渗体系，其除险加固的整体功效至少提高了一倍，可以有效地改善水闸渗漏现象，且具有经济效益高、可实施性强、检测方便、适用范围广等优点。

6 结语

水闸建设关乎民生与社会发展，是社会建设的基础部分。考虑到水闸透水性强、受碾压质量较差等特点，本文将高压喷射注浆与振动成膜技术相结合，利用防渗墙有效地避免水闸被进一步渗透破坏，加固了坝体。借助模板原理固定水闸，通过设立岩浆除险，该技术既能保证水库正常蓄水功能，又能发挥其应有的经济和社会效益。