南四湖二级坝除险加固工程关键技术实践应用

周守朋

（沂沭泗水利管理局防汛机动抢险队 徐州 221018）

1958年兴建的二级坝枢纽将南四湖分为上、下级湖，并与多年陆续建设成的湖东、湖西大堤连接，分别形成上、下级湖防洪圈围。二级坝枢纽工程属大（1）型工程，设计洪水标准为50年一遇，其主要建筑物拦湖土坝、穿坝建筑物等均为1 级建筑物，坝顶公路为二级公路标准，溢流坝交通桥和一闸交通桥荷载设计标准采用公路-Ⅰ级。

1 工程除险加固设计

1.1 工程存在的问题

南四湖二级坝拦湖土坝始建于20 世纪50年代末，由于受条件限制，虽经多次加固，至今仍存在许多质量问题，长期以来土坝一直带病运行。主要存在以下问题：现有坝顶高程不满足规范要求；大坝工程简陋，老化失修严重，上、下游大部分无护坡，局部护坡已遭损坏，局部坝段上游坡较陡；溢流坝堰顶因兼作交通道路，面层混凝土开裂、露石、下沉等现象严重，护坡、下游浆砌石消力池破损严重，溢流坝泄洪时存在严重安全隐患；枢纽工程的管理范围未经确权划界，运行管理状况较差，坝体大量被违建房、码头等占用；缺少安全监测设施，属三类坝。

1.2 工程加固内容

根据工程实际，南四湖二级坝除险加固工程的建设内容：（1）结合坝顶加高的道路翻修整治，新建沥青混凝土道路；（2）对原8 条上坝道路进行改建；（3）对坝坡采用混凝土砌块及框格草皮护砌进行防护；（4）维持原溢流坝规模，拆除重建溢流坝堰顶、护坡及消力池，同时，在堰顶上方新建公路桥，使溢流和坝顶交通分开；（5）拆除重建一闸交通桥板；（6）对一闸自动化系统和电气设备、管理局监控系统和供配电系统、通信系统进行更新改造，增设拦湖土坝安全监测设施。

2 工程加固关键技术实践

2.1 施工交通导行

二级坝坝顶道路为国道518 公路的一段，是连接南四湖湖东、湖西的唯一通道和苏鲁两省的重要交通要道，交通繁忙，工程附近煤码头众多，超载重型车辆多，施工中难以中断交通，交通车辆对施工干扰大，交通管理任务重，因此工程施工交通导行是本工程实施的难点和关键。初步设计提出根据各坝段地形条件布置临时交通道路：溢流坝段结合上游围堰在堰顶修建临时道路，土坝段紧靠大坝上下游湖侧坝脚布置临时交通道路。以上临时道路布置方案主要存在以下问题：溢流坝段采用上游围堰堰顶兼作临时道路，围堰填筑量大，需要土方多，本工程土方奇缺，代价高，超载重型车辆多，水下填土不密实，后期维护量大；同时更为重要的是临时交通要穿过当地湿地公园，补偿费用高、协调难度大，严重影响临时道路开通时间；其他坝段在坝脚布置临时交通道路，地面附着物多，地下水位高，路基难以处理。

根据工程实际情况，本工程对临时施工道路进行了优化。一是溢流坝段利用原下游浆砌石护坡较缓，基础较好，两侧可以直接衔接坝顶道路特点，在下游护坡上作临时交通道路，待溢流坝交通桥通车后再对溢流坝护坡进行拆除重建；此方案不但可解决路基问题，减少了后期临时道路的维护，更为重要的是大大提前了临时道路的通车时间，为后续工程实施提供了有利条件。二是坝顶加高段，根据工程进展和现场条件合理安排工期，分段施工，分段导行，保证未实施段道路畅通，实施坝段将临时导行道路设在原坝顶道路两侧，地面附着物少，基础较好，易于实施，两侧均单向能行，可以保证道路基本畅通；同时和公安交警部门加强沟通，对施工导行路段加强交通疏导，必要时采取限行、禁行措施。

2.2 坝顶道路结构层设计

由于二级坝坝顶道路为国道518 公路的一段，交通繁忙，超载重型车辆多，路面结构设计基本原则为：（1）具有一定的高温稳定性；（2）具有一定的低温抗裂性；（3）具有一定的水稳定性；（4）具有一定的抗疲劳性能；（5）具有一定的抗老化性能；（6）具有一定的适应路基变形能力。结合以往工程经验和二级坝坝顶交通的实际状况，考虑维修方便和整体环境美观，南四湖二级坝拦湖土坝坝顶公路采用沥青混凝土路面结构，特点是：（1）表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、震动小、噪音低；（2）施工工期短、养护维修简便、适宜于分期修建。考虑到二级坝拦湖土坝现状坝顶路面路基厚度为0.6m左右，坝顶公路下土层：第0 层人工填土，为粘土、粉质粘土，可塑状态为主，局部软塑或硬塑状态，中等压缩性土，含水率为31.2%；第①层粘土，软塑至可塑状态，为中、高压缩性土，含水率40.5%。路基下土层含水率高，采用冲击碾压技术对原有道路进行处理时易导致土层成为“橡皮土”，新修建道路后期运行时容易损毁。因此本工程采用挖除现状坝顶路面、回填石灰土做路床的方式。通过路床结构采用水泥土回填、路面结构采用水泥稳定碎石基层和沥青混凝土结构，较好地解决了水利工程坝顶道路兼作交通公路标准低、已损坏等问题。

2.3 商品混凝土应用

本工程位于南四湖保护核心区，又是南水北调输水干线所在地，现场建设混凝土搅拌系统，生态和环境保护都不允许，本工程所需混凝土约3.7 万m3，须采用商品混凝土。二级坝枢纽周边厂家生产的商品混凝土多用于房屋建筑工程，和水工混凝土有一定区别，为此建设各方通过多方案比较，决定采用生产厂家代加工工程所需混凝土；通过多方考察，选用规模满足需求、信誉良好、质量保证体系完善、距离工地现场较近的厂家为工程提供所需混凝土。为保证本工程所需混凝土质量满足规范和设计要求，采取以下措施：一是单独一条生产线专供二级坝工地，以保证生产的混凝土数量和质量满足要求；二是混凝土配合比由具有水利工程检测资质的机构提供；三是生产混凝土所需的原材料如砂、石子、水泥以及外加剂单独采购、分开存放，确保使用的原材料满足要求；四是监理工程师驻厂现场监理，对混凝土生产全过程进行控制。通过对混凝土配合比、原材料严格把关，对混凝土生产进行了全过程控制，保证了混凝土的质量，混凝土质量合格率100%。本工程虽然名义上为购买的商品混凝土，实际上对混凝土生产进行了全过程控制，不但保证了水工混凝土的质量和工程的进度，而且对生态、环境的影响降到最小。

2.4 一闸交通桥板拆除安装

南四湖二级坝枢纽第一节制闸交通桥建于二十世纪五十年代，闸墩（桥墩）为浆砌石结构，桥板为整体现浇，交通桥下为闸室和消力池，水深约3m。桥下没有通道和工作场地，拆除、安装交通桥板工作面狭小；另外交通桥上游紧临启闭机房排架柱，架桥机无法安装，施工难度很大。通过多方案论证咨询，充分研讨，优化施工组织，攻克了一闸交通桥板更换工程施工难题。主要采取了以下措施：一是因桥板下是浆砌石闸墩，为防止扰动闸墩，桥板不能采用机械破碎，只能吊装拆除，原交通桥面宽仅为6.7m，桥面不能布置大型吊装设备，因此采用对原交通桥板分割后吊装拆除，分割采用绳锯和圆盘锯相结合方式进行，拆除吊装在原交通桥上从一侧边退边拆依次进行；二是桥板拆除后在桥墩上搭设钢便桥施工通道，钢便桥宽度、高度既要满足施工通行的需要，又不能影响下部盖梁的施工；三是在原闸墩上浇筑盖梁两侧模板架设、固定困难，如顺着闸墩从下往上架设脚手架，在近3m 深的水中搭设约8m 高的脚手架，不但成本高，工期长，安全也难以保证，通过不断试验和摸索，利用钢筋加工扁担梁，在下部支撑盖梁两侧模板，同时采用对拉螺栓固定，不但节约了成本还加快了施工进度；四是在垫石施工中引进新型砂浆材料（RD-GM342）支座灌浆料，在满足设计强度的前提下，大大加快了施工进度；五是桥板预制摒弃了传统的气囊作胎模，采用了PC 管作胎模，解决了气囊上浮混凝土保护层不好控制，原气囊胎模拆模时间不好掌控，拆模早了对混凝土有扰动影响等问题；同时桥板可以一次成型不用二次封端，保证了一二期混凝土的结合，缩短了工期。

2.5 桥梁动载健康诊断信息系统研发

新建的溢流坝交通桥是国道518 的组成部分，为了避免重载、超载车辆对交通桥造成结构性破坏，出现较大的安全事故，造成较大的经济损失，本工程建设了一套完整的桥梁健康诊断体系，系统主要包括桥面通行车辆荷载、桥梁内部应力监测、外部挠度监测以及桥梁动载健康诊断软件。通过智能动态监测，获取实时监测数据并存储，再通过软件进行统计分析和发布预警，能够便捷高效地展示桥梁健康成果。监测项目一是内部应力、应变监测：在第一跨5 片桥板中埋设4 只振弦式钢筋应力传感器，其中混凝土空心板底部受拉区埋设2 只，上部受压区埋设2 只，监测桥板预制完成到通车运行后的内应力变化；在第一跨5 片梁上部混凝土铺装层跨中位置埋设振弦式钢筋应力传感器，监测桥梁二期恒载加载及通车运行后的内应力变化；二是表面应变监测：溢流坝交通桥通车运行后，在第一跨桥板下部跨中位置安装电阻式表面式应变计，用于监测通车后加载动载荷后桥板表面应力变化，用于同内部应变对比分析；三是桥板挠度监测：在第一跨每片桥板下部安装直线位移计，用于实时监测桥板挠度变化，在成桥状态下监测桥板的形变，并通过静态、动态荷载条件下桥板挠度值的变化，来反映运行状态下桥梁的整体性能；四是荷载监测：溢流坝交通桥东端连接道路上布设固定式轴重称来获取整车重量，通过高精度合金钢桥式称重传感器，把收集到的信号进行动态数据处理，显示整车的重量，并向计算机上传实时数据；五是数据读取与分析：把应力应变、挠度、荷载数据通过远程数据采集器传输至监控中心服务器上，再通过新开发的“桥梁动载健康诊断信息系统软件”将采集的数据进行分类统计和分析展示，并设置预警阈值，达到设计阈值报警。

在溢流坝交通桥设置“车辆超载智能监测预警系统”，实时记录超载车辆重量、通过时间和对应桥板挠度，对运行超警戒值及时预警，为保证工程安全运行实现了突破和创新。

2.6 自动化整合

二级坝水利枢纽工程包括四座大型水闸、一座溢流坝、两座船闸、一座泵站以及其他配套设施。随着新时期治水思路的转变，对水利工程的管理和运维提出了更高的要求，水利信息化逐渐成为工程建设与管理过程中的短板，现有的工程管理信息化存在诸多问题：（1）业务支撑水平不高，新技术应用少；（2）管理手段较为传统和粗放；（3）数据共享整合不足，防汛抗旱、工程管理、水行政执法和水资源管理数据各自独立，信息共享困难，服务能力不足；（4）信息上传下达途径不畅，公文流转还依靠纸质文件；（5）硬件优于软件，软件建设水平较低，制约了现有硬件水平充分发挥。

针对二级坝枢纽已有自动化系统和应用系统存在的问题，应对整个自动化进行整合。一是建设二级坝枢纽监控中心自动化系统，系统采用二级控制方式：监控中心远程控制方式、闸站现地集中控制方式；二是建设二级坝枢纽视频监视系统，将以前多期建设的视频监视系统进行整合，并补充部分视频监视设备，实现远程/现地二级对闸站的上下游、控制室、设备运行状况，以及堤防险情或涉水违法事项等进行全方位实时视频监视。三是建设工程管理系统，本系统利用硬件、网络、系统软件以及OS等设施，采集工程的业务数据、基础数据、事件数据、接口数据等，通过统一的信息资源平台和应用系统建立工程建设管理、工程运维管理和协同办公三个大的功能模块，每个功能模块又包含若干个小的功能模块，解决用户各单位业务横向贯通难的问题。为项目法人、建管单位、设计单位、监理单位、施工单位、其他单位和管理单位等用户服务，以权限服务控制，为不同的管理人员提供不同的服务。

本工程的自动化整合实现了“一个平台、联动共享、实时共享、科学管理”的目标，整合后的自动化系统支持多技术的兼容与扩展，支持多系统的无缝接入。

3 结语

南四湖二级坝除险加固工程参建单位践行新时代水利精神，超前谋划、攻坚克难、精心组织、勇于创新，克服了坝顶道路交通通行压力大、商品混凝土质量把控难、施工组织安排复杂、施工方案变化因素多、电气自动化整合难度高等困难，实现了多项关键技术的突破，确保了工程建设进展顺利。本文浅述了南四湖二级坝除险加固工程关键技术实践应用，以期为其他水利工程建设提供一定参考和借鉴■。