黄河下游韩董庄引黄闸运行风险评估及控制对策建议

张 斌1 李 娜 郝伯瑾

(1.黄河水利委员会建设与管理中心，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003)

黄河下游韩董庄引黄闸自1987年改建以来，承担着原阳县韩董庄、师寨、蒋庄等乡(镇)及平原新区原武镇、祝楼乡的农业灌溉引黄供水任务，为该区的经济发展做出了巨大贡献。但该闸作为四类病险水闸，工程本身存在着诸如老化严重、防洪标准不足、结构承载力及抗震能力不足等安全隐患，已成为黄河防洪的一大隐患。根据《水闸安全鉴定管理办法》(水建管〔2008〕214号)和《水利部建安中心关于黄河水利委员会水闸运行管理督察整改意见的通知》(建安〔2013〕77号)的要求：水闸主管部门及管理单位对鉴定为三、四类的水闸，应采取除险加固、降低标准运用或报废等相应处理措施，在此之前必须制定保闸安全应急措施，并限制运用，确保工程安全。《水闸安全评价导则》(SL 214—2015)对此也提出了相关要求。为此，通过对该闸安全鉴定结果和工程现状分析，研究了该闸在降低标准使用基础上的安全运行条件，并从结构失稳、渗透破坏、管理不当、防洪能力等方面综合分析探讨了韩董庄引黄闸正常运行期和汛期工程破坏或工程事故的原因，综合考虑人、物、自然环境等多种因素，特别是工程主体结构、日常运行管理、自然灾害、防汛度汛等隐患对该闸安全运行的影响，进而分析研究了韩董庄引黄闸运行风险及应对措施。研究成果既保证了供水需求，又可满足安全管理的要求，对今后三、四类病险水闸的安全运行管理具有实质性意义。

1 工程概况

韩董庄引黄闸位于原阳县境内黄河左岸大堤桩号100+500处，为3孔涵洞式水闸。孔口净宽1.9m，净高2.5m；涵洞净宽2.2m，净高2.5m。上游铺盖段长15.0m，闸室段长11.0m；前三节为新涵洞段，每节长10.0m，顶板厚0.50m，底板厚0.55m；后四节为老涵洞段，每节长11.0m，顶板及底板均厚0.50m；边墙和中隔墙均厚0.40m。下游消力池长12.0m。设钢筋混凝土平板闸门，15t手电两用螺杆式启闭机。该闸设计流量25.0m3/s，加大流量38.0m3/s。设计灌溉面积2万hm2。

2 韩董庄引黄闸安全鉴定概况

2011年12月，经过全面安全鉴定，韩董庄引黄闸存在的主要问题如下[1]：

a.水闸涵洞段堤顶高程低于堤防设计堤顶高程，不满足防洪要求。

b.垂直水流向框架梁抗震能力不满足现行规范要求，且启闭机房为砖混结构，无构造柱，不满足抗震要求。

c.海漫长度不满足现行规范要求。

d.新老涵洞在接缝处产生不均匀沉陷，新涵洞沉降较老涵洞大，相对最大沉降差为6.0cm，已超过现行规范“天然土质地基上水闸相邻部位的最大沉降差不宜超过5cm”的要求。老涵洞堤顶加高至99.53m(与两侧大堤齐平，大沽高程，下同)后结构承载力不满足规范要求。

e.工作闸门混凝土脱落、局部露筋、钢筋锈蚀，P形橡皮固定钢板螺栓锈蚀；叠梁闸板混凝土脱落严重、露筋；启闭机、电动机属淘汰型号；无专用供电线路、高度限制器和负荷控制器。

f.大部分沉降观测点已损坏，3个测压管只有闸墩的1处尚能使用，其余的2处已全部淤堵。

鉴于上述问题，评定该闸为四类闸，建议尽快按相关规程规范采取相应除险加固措施，以确保韩董庄引黄闸的安全运行。

3 韩董庄引黄闸引水现状

韩董庄引黄闸主要从堤南干渠分水，淤灌和稻改大堤以北天然渠两岸的盐碱低洼地。该闸初步设计时，从上游14.5km的幸福防沙闸经堤南干渠引水，后主要从上游马庄防沙闸(建于1973年，位于马庄控导工程5坝和6坝之间大堤桩号90+500处)引水。但由于上游河势南溜，2011—2013年间未再引水，下游灌溉也多已改为井灌。2013年9月，上游马庄控导工程6坝与7坝之间新修建马庄防沙闸(目前已投入使用)，加之2014年初又对该闸上游渠道开挖和闸室清淤后，目前该闸可引水。

由于该闸近年未引放水，下游灌溉多以井灌为主，自2014年2月引水至今，根据当地水利部门需求，最大放水流量为3.06m3/s(相应上游水位88.70m，下游水位88.66m，闸门开度0.60m)。如下游灌区完全依靠该闸放水灌溉，则该闸引水5.0～10.0m3/s基本可满足要求。

4 韩董庄引黄闸控制运用措施

韩董庄引黄闸为四类闸，安全系数偏低，被列为重大隐患。根据《水闸安全评价导则》(SL 214—2015)，水闸安全鉴定中的四类闸需降低标准运用或报废重建。考虑到平原新区的祝楼、原武及原阳县师寨、蒋庄、韩董庄、葛埠口等6个乡镇的农业灌溉需求及经济发展的需要，并根据2011年安全鉴定结论与建议及《黄河水闸技术管理办法》(黄建管〔2013〕485号)，在工程引水安全、防洪安全的前提下，对该闸进行降低标准控制运用。

4.1 安全现状分析

现主要从安全鉴定主要不满足项及日常运行管理中发现的问题对该闸的安全现状进行分析。

4.1.1 防洪标准不满足规范要求

考虑堤顶超高后，韩董庄引黄闸闸址处堤防设计高程应为99.65m，而实际涵洞段堤顶最大高程为99.04m。因此水闸涵洞段堤顶高程低于堤防设计堤顶高程，不满足防洪要求。

4.1.2 老涵洞堤顶加高后结构承载力不满足规范要求

该闸老涵洞段堤顶高程为98.27m，且老涵洞段堤顶高程比两侧大堤低1.26m，如图1所示。根据《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》，在现状情况下，老涵洞结构垂直水流方向承载力满足规范要求，老涵洞堤顶加高至99.53m(与两侧大堤齐平)时的结构承载力不足主要表现在以下方面：

a.在设计防洪水位工况下，老涵洞堤顶加高后顶板和底板的结构承载力不满足现行规范要求。

b.在校核洪水位工况下，老涵洞堤顶加高后顶板的结构承载力不满足现行规范要求。

图1 老涵洞堤顶现状示意图 (单位:m)

因此，如老涵洞堤顶加高与两侧大堤填平，则在汛期高水位作用下，老涵洞段结构易发生裂缝、断裂甚至坍塌险情。且由于闸前堤顶较低，管理人员进出闸管院存在交通不安全现象。

4.1.3 不均匀沉降不满足现行规范要求

4.1.3.1 新老涵洞接缝处沉降

由《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》可知，第3、4节新老涵洞明显在接缝处上下错开，相对沉降差为6.0cm，新涵洞沉降较老涵洞大。根据《水闸设计规范》(SL 265—2001)8.3.6条规定，天然土质地基上水闸地基最大沉降量不宜超过15cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5cm。该处相对沉降已超过现行规范要求。虽2011年工程现场安全检测未发现新老涵洞接缝处有浑水渗出迹象，但如不均匀沉降持续发展，遭遇高水位时新老涵洞接缝处有渗水甚至断裂的可能，进而影响该闸渗透稳定性。

4.1.3.2 闸基沉降

由该闸现有的沉降观测资料可知，截至1991年，该闸累计最大沉降量为14.0cm，已接近规范规定的最大沉降量15cm，且1991年以后未再进行沉降观测。如若沉降继续发展，则存在累计最大沉降量超过规范允许值的可能，影响涵闸安全。

4.1.3.3 伸缩缝止水老化严重

根据《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》，各节间伸缩缝均有如下情况：表面沥青及混凝土变形、老化脱落或断裂；止水橡皮老化；压橡皮钢板及其固定螺栓、螺帽锈蚀。由于伸缩缝止水破坏，如遭遇地震、不均匀沉降或超高洪水，易造成各节涵洞间接缝处渗水，致使渗径变短，进而影响其渗透稳定性。

4.1.3.4 机架桥框架结构抗震能力不满足现行规范要求

该工程场区地震动峰值加速度为0.20g，对应地震基本烈度为Ⅷ度。由《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》可知，在三孔启门+地震工况下，机架桥框架结构承载力不满足现行规范要求。且启闭机房为砖混结构，无构造柱，不满足现行规范抗震要求。

4.1.3.5 海漫长度不满足现行规范要求

由《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》(2012年3月)可知，在最高运用水位(上游水位92.40m，下游水深2.36m)工况下，计算海漫长度23.6～29.5m，设计海漫长为21.0m，不满足规范要求。因此，在下游较高水深下运用时，容易对下游海漫造成冲刷破坏。

4.1.3.6 闸门及启闭设备隐患严重

由韩董庄引黄闸现场安全检测结果可知，目前，该闸闸门止水老化严重，闸门附属结构锈蚀严重，且在日常运行过程中关闸时封闭不严，闸门漏水；启闭机使用年限已超过折旧年限，电动机属淘汰型号，无高度限制器和负荷控制器，无专用供电线路，存在一定的安全隐患。如闸门启闭不及时或启闭不灵活，则影响汛期工程抢险。

4.2 安全运行水位复核

为保证该闸安全运行，根据现行规范渗透稳定性要求，在满足现行规范允许渗流坡降要求的基础上，推求该闸安全运行水位。该闸洞身段在第二节底板中间部位断裂，断裂处与侧墙及顶板形成环形贯穿裂缝，当闸前水位较高时，洞身段底板断裂处将形成一个出溢点。该闸闸室及涵洞基础为轻粉质砂壤土，因此采用《水闸设计规范》(SL 265—2001)中的改进阻力系数法计算闸基渗透压力，经计算，如若保证该闸渗透稳定性，上下游水头差不超过4.1m即可[2]。近年来闸前最高运用水位64.25m，相应下游水位61.86m，水头差2.39m，在安全运行范围内。

4.3 安全控制运用措施

基于以上分析，从正常运行期和汛期讨论韩董庄引黄闸的安全控制运用措施。

4.3.1 正常运行期

a.老涵洞堤顶加高后，汛期高水位作用下结构承载力不满足现行规范要求，因此老涵洞堤顶凹陷段保持原状，不回填。但在正常运用时，为避免老涵洞顶部超重荷载对其结构承载力的影响，严禁在老涵洞堤顶上堆置超重物料，并应禁止大型车辆长时间停靠。

b.对新老涵洞接缝处及伸缩缝止水进行处理，并加强该闸的沉降观测。

c.对混凝土脱落、露筋处，侧墙、底板裂缝处进行处理。

d.由《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》(2012年3月)可知，该闸海漫长度21m，下游水深2.36m，消力池出口底高程85.56m，海漫长度不满足现行规范要求。为避免运行期下游海漫的冲刷破坏，下游水深需控制在2.1m以下(海漫长度为10～12.5倍的下游水深)，即下游水位控制在87.66m以下，如超过此水位引水时，应通过闸门开度进行调节。

e.更换闸门止水及附属结构，加强启闭设备的检查及日常养护工作。

4.3.2 汛期

该闸闸址处堤防设计高程应为99.65m，而实际涵洞段堤顶高程为99.04m，水闸涵洞段堤顶高程低于堤防设计堤顶高程，不满足防洪要求。且在汛期高水位作用下，由于不均匀沉降及伸缩缝止水老化，易造成渗透破坏险情。为汛期便于封堵和涵闸安全，建议闸前闸后管理范围内各设一道围堤。汛前及汛期加强对闸前水位的观测，并及时采取封堵措施，以保证工程安全及下游生命财产安全。

4.3.3 其他

建议有关部门尽快对韩董庄引黄闸进行除险加固处理，以降低该闸安全控制运用的风险。

4.4 降低标准运用分析

考虑韩董庄引黄闸作为四类闸可降低标准运用，现主要从降低该闸引水运用方面分析。

在《黄河下游韩董庄引黄闸工程安全鉴定报告》中，对2009—2010年花园口站(桩号97+100)非汛期流量进行了频率分析，进而计算得到在当时引水条件下，该闸涵洞过流量为11.76m3/s，仅为原设计流量25.0m3/s的47%。而2011—2013年该闸未引水，自2014年2月引水以来，最大引水流量也仅为3.06m3/s。而在下游正常需水情况下，引水5.0～10.0m3/s即可满足下游农田灌溉需求，也远小于原设计流量，属韩董庄引黄闸降低引水流量运用。

5 韩董庄引黄闸风险分析

韩董庄引黄闸的风险表现在工程运行阶段结构方面存在的隐患、日常运行管理中存在的操作失误、电气设备和供电系统等存在的隐患，以及环境影响、自然灾害、人为破坏等因素，汛期非安全度汛、抢险不及时等因素都是工程风险的可能来源，这些不安全因素对韩董庄引黄闸的安全运行构成了一定威胁。因此，对造成工程失事或事故的风险因素进行分析，发现导致工程失事的根本原因，是保障工程安全的重要内容。

5.1 主体结构隐患

针对韩董庄引黄闸，主体结构隐患主要指混凝土结构本身、上下游连接段等在运行过程中所产生的影响工程安全运行的隐患。主要包括：由于不均匀沉陷、混凝土劣化、承载力不足等引起的混凝土结构裂缝、倾斜甚至断裂；遭遇超标洪水时由于堤顶高程不满足防洪要求而造成的工程冲毁或破坏；上下游连接段滑坡、坍塌等。

5.2 渗透破坏隐患

由于该闸3、4节新老涵洞接缝处产生不均匀沉降，相对最大沉降差已超过现行规范要求，且该闸各节伸缩缝止水普遍老化，如遇超限荷载作用、地震或遭遇超标洪水时，可能会引起新老涵洞接缝或伸缩缝处渗水，进而引起渗透破坏。另一方面，由于土石结合部存在的隐患(结合部不密实或裂缝等)很难发现，如果遭遇持续高水位及地震等极易发生集中渗漏，危及工程安全。

5.3 日常运行管理隐患

日常管理维护不当，例如闸门、金属结构、启闭系统及电气设备等养护不当，缺乏日常工程观测，检查不及时或水文预报不及时不准确等，都会给工程的安全运行和安全度汛造成影响。此外，在工程维修养护或检修过程中，由于高空作业也容易引发高处坠落(人员或物体坠落等事故)、物体打击(机械运转打伤事故)、触电或火灾等安全事故。

5.4 汛期抢险隐患

汛期抢险隐患主要指工程遭遇超标洪水时，堤顶高程不够、闸门启闭不及时或运转不灵活等设备故障、抢险不及时或抢险失败等原因造成的工程破坏或冲毁风险。

5.5 自然灾害隐患

地震、持续较强降雨等自然灾害会对工程安全运行造成影响。工程场区地震动峰值加速度为0.20g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。虽然目前该地区未曾遭遇大地震的破坏，但由于地震本身是一种复杂多变的震动过程，将造成涵闸工程伸缩缝错动或破坏、混凝土结构失稳、机架桥框架结构损坏甚至倒塌、上下游连接段滑坡或坍塌、启闭机房倒塌等，对整座涵闸的安全均有一定的影响。

此外，地震或持续较强降雨可能带来的电力供应中断也会影响闸门的正常开启。

5.6 人为破坏隐患

人为破坏隐患主要指由于管理人员责任心不强、业务不熟悉、操作不熟练或出现失误等造成的启闭困难，或者人为故意对涵闸伸缩缝或混凝土结构进行破坏等造成的抢险失败或工程破坏风险。

韩董庄引黄闸主要风险因素的构成，即风险的主要来源，如图2～图5所示。

图2 韩董庄引黄闸主要风险因素的构成

图3 结构失稳主要风险因素的构成

图4 渗流破坏主要风险因素的构成

图5 管理不当主要风险因素的构成

6 韩董庄引黄闸风险的应对措施

6.1 采取必要的工程技术措施

6.1.1 主体结构

a.对侧墙、底板、启闭机房及进口右岸渐变段裂缝可采用喷浆、灌浆或砂浆抹面等措施进行修补；对出口右岸渐变段勾缝砂浆脱落处按原状进行修复处理。

b.对混凝土脱落、露筋处进行处理，并更换闸门止水及附属结构。

6.1.2 渗透稳定

a.对3、4节新老涵洞接缝处可进行内部灌浆、外部裂缝止水处理。

b.更换涵洞各节伸缩缝止水。

6.1.3 汛期安全

闸前闸后管理范围内各增设一道围堤，使其满足汛期防洪安全要求，具体围堤工程指标建议在制定韩董庄引黄闸工程防守预案时予以考虑。

6.1.4 其他

a.老涵洞堤顶道路显著位置增设禁止大车长期停靠警示牌。

b.疏通测压管。

c.对上游渠道漂浮物进行清理。

6.2 加强水闸日常运行安全管理

6.2.1 加强工程的日常检查

工程运行过程中，建议每天对工程进行日常观察与检查工作，消除一切可能引起事故的隐患。具体措施如下。

6.2.1.1 土石方工程

a.检查土石结合部——上下游翼墙与附近土堤结合处有无裂缝、渗漏、蜇陷等损坏现象。

b.检查岸墙及上、下游翼墙分缝是否错动，护坡有无坍滑、错动、开裂迹象，堤岸顶面有无塌陷、裂缝等。

6.2.1.2 混凝土结构

a.检查第3、4节新老涵洞接缝处不均匀沉降的发展情况，并实时记录上报。

b.查伸缩缝止水老化程度，压橡皮钢板变形、固定螺丝脱落及金属埋件锈蚀等情况，并注意及时更换。

c.检查洞身顶板、底板及侧墙等构件有无混凝土脱落、露筋、裂缝等。

d.检查闸门止水是否老化、变形，有无漏水情况，闸门是否有偏斜、卡阻现象，门槽是否堵塞，压橡皮钢板、螺栓等闸门附属结构是否锈蚀，并注意及时更换。

e.严格遵守闸门、启闭机操作规程，启闭前检查上下游河道有无漂浮物等行水障碍，观察上下游水位、流态，检查闸门启闭状态有无卡阻，冰冻期应先消除闸门周边冻结，当闸门启闭高度较大时，应分次启闭，且每次启闭高度不超过0.5m，并须待下游水位平稳后再进行下次启闭。

f.加强闸门运行观测，并尽量减少闸门的频繁启闭。

6.2.1.3 启闭机及电气设备

a.检查金属结构是否出现裂纹或焊缝开裂，表面油漆是否剥落、生锈，并及时维修养护。

b.观察启闭机外壳及固定情况，启闭机运转是否灵活，有无不正常的声响和振动，传动机件和承重构件有无破坏磨损、变形。

c.检查电源、线路是否正常，是否处于备用状态；配电线路有无老化、破皮等，保证用电安全。

6.2.1.4 观测设施

检查沉降观测点是否完好，测压管是否淤堵。

6.2.1.5 其他

a.加强人工巡查，如遇围堤土体滑坡或坍塌，及时处理。

b.对测流仪进行定期校测。

c.检查管理范围内有无违章建筑和危害工程安全的活动；定期检查上下游渠道及涵洞内有无堵塞情况或垃圾堆放，并及时清理，保持通畅。

d.检查远程观测系统运行是否正常。

e.检查警示标志有无损坏。

f.日常检查人员在检查时应做到认真负责，对所检查情况应逐一排查问题，做好与上次检查结果的对比、分析和判断，发现问题应及时报告并做好记录工作。

6.2.2 加强工程观测

涵闸的不均匀沉降将影响涵闸自身的安全运行。该闸第3、4节新老涵洞在接缝处已产生较大不均匀沉降，相对最大沉降差已超过规范允许值，因此更应加强该闸的沉降观测，并分析其变化规律，若出现异常情况，应及时采取相应处理措施。观测垂直位移时同时观测上游运行水位、流量及渗压等。

6.2.3 加强人员管理与培训

明确规定闸门的控制运行办法及相应的管理人员，并对闸管人员定期进行操作业务培训，启闭闸门时必须按照操作规程进行作业。

6.2.4 其他

a.注意观测上游水位及河势的变化。

b.该闸堤顶高程不满足防洪要求，机架桥及启闭机房不满足现行规范抗震要求，建议有关部门尽快按照相关规定上报该闸的除险加固规划设计并实施，在此之前采取相应的处理措施，以降低超标洪水或突发地震情况下的工程安全风险。

6.3 制定完善合理的防汛方案

防汛是一项长期艰巨的工作，应采取综合治理的方针，合理安排抢险措施，达到减免洪水灾害和提高防洪标准的目的。为确保涵闸安全度汛，提高涵闸工程防守方案的实用性、可操作性，更好地为防汛指挥决策、防洪调度和工程抢险提供依据，力争最大限度地避免和减轻灾害损失，黄河下游引黄穿堤涵闸管理部门每年均根据当年预测的洪水流量及相应的水位制定有详细的洪水防守预案，以在对应洪水过程中制定有目的、有计划、有针对性的防守措施。根据防洪规定，黄河流量超过8000m3/s时，所有涵闸一律放下闸门，险闸同时需要围堵。闸管人员及防汛队伍要加强巡查，密切观测上下游水位的变化，并加强新老涵洞接缝处不均匀沉降的观测，安排好防汛抢险的人力物力，及时采取相应的险情抢护措施，做好调度并加强建筑物安全的防范工作及抢险救灾的组织工作。

7 结 论

针对韩董庄引黄闸安全鉴定结果和工程现状，在保证安全运用的基础上，本文研究了四类险闸除险加固前的安全控制运用措施，论证了该闸降低标准运用的依据，从主体结构、渗透稳定、日常运行管理、防洪能力等方面综合分析了韩董庄引黄闸正常运行期及汛期存在的主要风险，提出险闸除险加固前的保安、保效益、技术可行的控制运用措施，有效解决了险闸正常功能发挥与安全之间的矛盾，为该闸的完整与安全运用及工程综合效益的充分发挥提供保障，为三、四类病险水闸的安全控制运用技术提供了技术支撑。