水闸安全评价技术与实践研究

金 泽

（北京市城市河湖管理处，北京 100089）

1 研究背景

水闸是一种低水头水工建筑物，主要修建在河道、灌渠，水闸可以启闭，从而挡水、泄水控制水流，在城镇灌溉、发电、航运、水产、环保、工业和生活用水等方面发挥着重要作用。北京市现有水闸工程1000余座，早期这些水闸工程在防洪、排涝、引水等方面发挥了重要作用，随着北京经济社会的快速发展，水闸工程运行服务年限加长，致使许多水闸存在安全隐患。为消除水闸工程病害，保证水闸安全稳定运行，应全面开展水闸加固、修补工作，而安全评价正是水闸消隐工作的重要一环。

《水闸安全鉴定管理办法》要求，水闸工程要进行定期的安全评价，以保证水闸工程安全运行。第一次安全评价必须在竣工验收五年内进行，以后应每隔10年均需进行1次安全评价。如果水闸在运行过程中出现影响安全的异常现象，如较强地震、超标准洪水、重大事故等，也应及时组织安全评价。

2 水闸安全评价现行的主要内容

根据水利部现行SL214-2015《水闸安全评价导则》规定，水闸的安全评价工作主要包括：工程现状调查、现场安全检测、复核计算、安全评价四个方面。

2.1 现状调查

工程现状调查是水闸安全评价工作重要的一环，主要包括工程技术资料收集整理、现场调查及工程现状分析。工程技术资料的收集应参照图1。

图1 工程技术资料收集体系图

工程技术资料收集齐备后，应对工程薄弱部位、隐蔽部位进行现场检查，对发现的问题要根据实际分析其影响，结合工程技术资料对工程运行状态进行初步分析。

最后，需针对以下三个方面进行安全管理评价：①工程管理范围是否明确，技术人员定岗定编是否明确，是否满足当下运行管理要求；②规章、制度是否齐全，控制运用是否合理；③工程设施是否有效维护，安全监测、管理设施等是否满足运行要求等。

2.2 安全检测

现场安全检测的项目需要根据现状调查报告，结合工程运行实际情况等综合研究确定，一般包括以下内容：①地基土、回填土的工程性质。②消能防冲、防渗、导渗等相关设施的完整性、有效性。③混凝土和钢筋混凝土的耐久性。④金属结构的安全性。⑤机电设备的可靠性。⑥监测设施的有效性。⑦其他有关设施的检测。

2.3 安全复核计算

安全复核计算是对水闸的安全运行状况的计算论证工作，它是结合现状调查、安全检测等资料进行的接近于最终结论总结的一项工作，根据SL214-2015《水闸安全评价导则》，复核计算应包括防洪标准、渗流安全、结构安全、抗震安全、金属结构安全、机电设备安全等内容。

2.4 安全评价

安全复核计算完成后，应按照工程概况、现状调查情况、安全检测、复核计算成果分析等内容进行水闸安全评价报告的编写，并根据《水闸安全评价导则》规定对水闸进行初步评定分类，共四类。其中，一类闸情况最优，只需要常规养护；四类闸情况最差，需要降低运用标准或报废重建；二类闸需要进行大修；三类闸需要及时进行除险加固。

水闸安全评价的最终结论需要由水闸安全评价专家组给出，专家组主要针对现状调查情况、安全检测、复核计算成果所列数据的真实性、可靠性；检测和计算方法是否符合现行相关标准等方面论证分析评价是否准确，并给出水闸安全评价的最终结论。

3 水闸安全检测技术分析

由以上章节可知，水闸现场安全检测主要包括七个方面，其中混凝土结构的现场检测最为重要，以下主要针对混凝土结构检测技术进行具体分析。

混凝土结构的检测一般包括：外观缺陷、强度、钢筋保护层厚度、碳化深度、内部质量、等检查检测。

3.1 混凝土外观缺陷检查及内部质量检测

混凝土结构外观质量缺陷主要包括表面裂缝、剥蚀、露筋、表面侵蚀、冻融破坏、蜂窝麻面等；内部缺陷主要包括内部裂缝、孔洞等。

目前，混凝土外观缺陷检查主要是人工目视检查，配合测量工具测定缺陷的特征数值及发展趋势。内部缺陷检测中常使用超声波法，探地雷达法、冲击回波法。

（1）超声波法。超声波法亦是应用最广泛的检测方法之一，超声波法原理是当声波在超波路径上遇到缺陷时，声波会产生反射、绕射作用，会使波的幅度和传播时间产生变化，根据这些变化可探知混凝土内部质量情况。通常应用于测量裂缝深度、内部孔洞等。

（2）电磁波法。电磁波法主要原理是发射和接收电磁波，然后把接收的电磁反射波形成图像，不同介质间的电性差异会产生强烈的反射波，通过图像中的反射波图像判断介质中的异常情况。在水闸安全评价中，电磁波法常用于混凝土内部缺陷检测、混凝土内部钢筋数量及保护层厚度。

（3）冲击回波法。冲击回波的原理是利用低频应力波（短时锤击）传播到结构内部，物体内部由于介质的不同会对机械波进行反射，反射波被接收装置收集处理形成图像，通过对图像的处理分析，判别物体内部的情况。

3.2 混凝土强度及混凝土碳化深度检测

水闸的混凝土强度检测一般指对混凝土的抗压强度进行检测。混凝土结构受力性能主要是由于混凝土的抗压强度影响，混凝土抗压强度是其力学性能的综合体现，是混凝土强度的最基础指标。在水闸现场检测中应用最广泛的是回弹法、钻芯法。

（1）回弹法。回弹法是利用回弹仪里的弹簧推动重锤，通过弹击杆冲击混凝土表面，由于混凝土表面的强度会使重锤被反弹，所以可以通过重锤被反弹的距离与弹簧原本长度的比例来推定混凝土的强度。由于回弹法简单快捷、受环境影响较小，目前已成为混凝土强度检测中最常见、应用最广泛的一种无损检测方法。

（2）钻芯法。钻芯法是混凝土抗压强度检测中最直接的一种方法，钻芯法是利用专业混凝土钻芯机器从被检测混凝土中取样，并进行混凝土压力测试，是一种半破坏的检测方法，常常与其他无损检测方法一起使用。

4 水闸安全复核计算

水闸的安全复核计算是依据现状调查和现场检测等基本数据和资料，按照国家规范计算论证水闸的各部分指标，是水闸安全评价重要的一部分。安全复核计算主要包括：防洪标准复核、闸室稳定复核、抗渗稳定性复核、消能防冲复核、混凝土结构构件强度复核计算。

防洪标准复核是国家强制性内容，是水闸工程安全运行的最重要指标；由于在水的作用下，水闸常会发生渗透破坏，所以抗渗稳定性也是最典型的复核计算内容，以下针对这两项复核计算进行研究分析。

4.1 防洪标准复核计算

防洪标准复核计算内容分为设防水位、闸门门顶高程确定两个步骤。

设防水位是根据水闸过流能力拟定，属于水闸设计时的重要运行指标；水闸闸顶高程确定以挡水、泄水两种情况分别计算。在挡水情况下，水闸最高挡水位加波浪高度加安全超高应小于等于闸门门顶高程；在泄水情况下，设计（校核）洪水位加相应安全超高应小于闸门门顶高程。

4.2 抗渗稳定性复核计算

水闸的抗滑稳定计算常用直线比例法（又称勃莱系数法）和改进阻力系数法。其中改进阻力系数法计算更加精确，以下仅讨论改进阻力系数法。

改进阻力系数法的计算原理：用改进阻力系数法计算渗流问题，必须明确边界条件，故闸址的地层岩性情况要明确。作为渗流的边界条件，应要最先明确不透水层的埋深、渗流场有效深度两者之间的关系，根据地下不透水部分的几何形状，将渗流场划分为几个分段，求出分段的阻力系数，最后算出各段的渗透水头。

5 北京城市河道水闸安全评价成果研究

2020年北京市城市河道重点的12座水闸进行了安全评价工作，包括三家店拦河闸、三家店进水闸、高碑店节制闸、玉渊潭进水闸、玉渊潭泄水闸、二热闸、西便门分水闸、龙潭闸、普济闸、东直门闸、城龙进水闸、城龙新闸。其中高碑店节制闸、玉渊潭泄水闸、普济闸、东直门闸、城龙进水闸、城龙新闸被评定为三类闸，其余水闸均被评为二类闸。具体分项评价如表1。

表1 12座水闸工程安全评价分项评价表

由此表可以看出，6座三类闸主要由于金属结构安全评价为C类，故综合安全评价被评定为三类闸，主要原因是由于闸门缺焊、锈蚀，启闭机使用年限较长，已无法达到设计运行标准。

6 水闸安全评价的技术要点及思考

（1）安全评价实施单位应最大程度收集水闸勘测、设计、施工及竣工资料，同时结合管理单位相关资料，提取出水闸运行大事记，根据基础资料和大事记指出水闸运行和管理中存在的主要问题，并计划好现场安全检测及复核计算的相关项目。

（2）现场安全检测和复核计算成果数据应客观详实，方法、原理应明确，同时对水闸存在的问题提出相关处理措施和建议。

（3）水闸安全评价是要综合现状调查报告、现场安全检测报告、复核计算报告得出最终结论，上述三部分内容应保持一致，不能出现相互冲突、矛盾的情况。

（4）北京城市河湖的水闸工程在日常运行管理中，应着重关注金属结构安全稳定，对闸门要及时进行闸门防腐除锈和焊缝探伤等工作，对使用年限超长和非标的启闭设备应及时更换或大修。

（5）管理单位应和实施单位协调配合，管理单位要加强水闸运行管理，做好日常设施设备维护保养，落实水闸安全监测任务，完善水闸运行大事记，为下一阶段水闸安全评价工作做好充足资料、数据准备。