【關健詞】病險水閘這；加固設計；設計前期；補充；復核 

引言 

大豐市水閘絕大部分建于上世紀七、八十年代，由于當時技術經濟條件的限制，大多數工程設計標準較低，施工質量差，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生老化病害，導致工程的安全性、適用性和耐久性下降，功能得不到正常發(fā)揮，甚至產生安全隱患。為了更好地了解全市病險水閘工程當前的工情、險情，有必要對存在問題較為嚴重的病險水閘進行實地現(xiàn)狀調查及現(xiàn)場檢測，根據各閘工程現(xiàn)狀調查及現(xiàn)場檢測的情況并結合工程運行管理情況，對病險水閘進行加固設計，使水閘工程發(fā)揮其作用，保護人民生命財產的安全。 

1 設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)狀調查分析、現(xiàn)場安全檢測、工程復核計算和安全評價。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、檢測的結果，水閘安全鑒定的成果不能完全代替設計人員必要的復核和驗算。設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核計算的原始資料，為采取更合理的處理措施提供依據。 

1.3 水閘除險加固規(guī)劃和批準文件 

水閘除險加固規(guī)劃和批準文件是除險加固設計的重要依據。除險加固規(guī)劃和批準文件，準確地說明了水閘除險加固設計需要的深度和設計范圍，對開展設計具有指導意義。 

2 補充工程勘察應遵循的原則 

當水閘經安全鑒定需進行除險加固時，應首先分析原設計勘察資料、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計要求。當確有必要補充勘察時，應直接針對存在問題安排勘察工作。工程勘察時，除遵循一般地質勘察要求外，尚需遵循以下原則：水閘除險加固設計工程地質勘察的對象應根據設計要求確定；原工程勘察資料收集不全或沒有，而除險加固設計又需要資料時需進行補充工程勘察；水閘除險加固設計的工程布置范圍超出原工程勘察資料勘察范圍的，應進行補充勘察；水閘出現(xiàn)繞滲問題，且超出原勘察范圍，應對滲漏地段范圍大小進行勘察； 閘基存在不良工程地質問題，原勘察資料又說明不了問題，應進行補充勘察以確定處理方案；補充勘察應以不擾動原建筑物基礎或影響其安全為原則。水閘除險加固工程設計地質勘察應在安全鑒定的基礎上，對水閘工程的險情和隱患及其他有關地質問題進行詳細勘察，結合設計單位的設計要求，分析地質病害和隱患產生的原因，并評價其危險程度，提供水閘除險加固設計所需要的地質資料，并對加固處理措施提出建議。 

3 工程任務和規(guī)模的復核 

對于新建的水閘工程，其工程任務和規(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 等級劃分及洪水標準 

病險水閘除險加固設計時，首先應復核建筑物等別與級別。目前需要除險加固設計的水閘，多修建于20 世紀90 年代之前。在不同時期，國家有不同的相關規(guī)范來確定工程的等級。因此，水閘除險加固應以滿足水閘正常使用功能和自身防洪安全為原則。在除險加固設計時，應以最新修正的規(guī)劃數據為依據，按新的規(guī)范要求對工程等別進行復核和重新確定。 

目前，復核水閘建筑物等別與建筑物級別時，主要以《水閘設計規(guī)范（sl265—2001）》為依據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按國家現(xiàn)行的《水利水電工程等別劃分及洪水標準（sl252—2000）》確定。同時，灌溉渠系以及位于防洪（擋潮）堤上的水閘，其級別也應根據相應的灌區(qū)及堤防相關規(guī)范進行確定。對經過除險加固后，工程的運用無法達到原設計標準的水閘，要結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，水閘的防洪標準也應按此等級根據有關標準和規(guī)范相應確定。 

3.2 特征水位 

根據水閘的功能不同，設計水位包括設計洪水位、正常蓄水位、設計引水位等。設計中引起特征水位變化的主要有兩種情況：一是對應設計流量變化引起設計水位的變化，這與水閘等級變化以及流域水文情況變化相關。水閘等級變化、流域防洪標準變化以及流域內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計流量的變化，而設計流量變化勢必要求重新復核對應的設計水位。二是設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 設計規(guī)模 

水閘設計規(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，除應根據確定后的水閘等級和設計洪水標準確定水閘規(guī)模是否合理外，還應結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，復核水閘原規(guī)模，并確認這些指標是否發(fā)生變化。 

4 工程布置及建筑物的加固設計 

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， 應按原閘軸線進行布置，并符合《水閘設計規(guī)范》（sl265—2001）的相關規(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《水閘設計規(guī)范》（sl265—2001）要求或參考已建同類工程進行。 

4.2 水力設計 

水力設計一般包括：過流能力驗算、擬定閘門控制運行方式和消能防沖設計計算。病險水閘除險加固設計時，影響水閘過流能力的主要因素包括設計水位的變化、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、消能防沖設施變化等。設計時應根據復核后的特征水位和規(guī)模，對水閘的過流能力進行復核。當采取加厚底板尺寸、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，需要重新復核水閘的過流能力。尤其要注意流態(tài)的變化，需要根據實際情況而采取和原設計以及安全鑒定時不同的過流能力計算公式來進行驗算。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，據此選擇合適的計算公式驗算其過流能力。 

水力設計中閘門控制運行方式主要為今后水閘的管理提供技術支持。因此，對閘門的開啟程度以及相應的過流能力也應進行必要的復核計算，以方便水閘的運行管理。消能防沖設計計算時，需要特別注意特征水位變化引起的計算條件的變化，以此復核消能防沖工程能否滿足設計要求。 

4.3 防滲排水設計 

水閘的防滲排水設計主要是根據閘基地質情況及上下游水位條件等進行設計計算，其內容包括：進行水閘的地下輪廓布置， 設計防滲、排水設施的型式、布置、構造和尺寸；滲流壓力計算；滲流坡降計算，驗算地基抗?jié)B穩(wěn)定性；濾層設計；防滲帷幕及排水孔設計；永久縫止水設計。除險加固的水閘應根據水閘存在的問題，按水閘實際的防滲、排水設施型式、布置、構造和尺寸進行防滲排水設計驗算。不同水閘存在問題不同，在除險加固設計時也應根據加固設計采取的措施， 對改建后的排水設施進行復核計算。必須注意的是，一旦改變了原防滲措施，須對滲流壓力進行計算，因為新增的防滲設施可能會改變滲流壓力分布，影響到閘室穩(wěn)定。防滲設計時，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，也需盡可能根據已建水閘多年觀測的數據對地質參數進行必要的復核。 

 

4.4 閘室結構布置及穩(wěn)定性分析 

三類閘除險加固時，首先需根據新的設計條件對原結構進行分析計算，然后結合安全鑒定中結構存在的問題， 采取必要的工程措施進行加固，同時按加固后的結構尺寸重新進行結構分析和穩(wěn)定驗算。驗算時應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。 

水閘結構分析及穩(wěn)定計算時，其荷載的計算也應考慮設計參數的改變。同時，荷載組合中應對檢修工況荷載組合進行充分的考慮。有抗震要求時，應根據《水工建筑物抗震設計規(guī)范》（sl203—97）的規(guī)定，對抗震設防烈度超過6 度的水工建筑物進行結構抗震設計校核。 

4.5 地基處理及設計 

當水閘發(fā)生不均勻沉降或者地基總體沉降量較大時，需根據地質情況重新復核地基承載力。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。當地基已發(fā)生較大不均勻沉降時，需根據已有地質資料認真復核地基承載力，確定合理的加固措施。必要時增加地質勘探工作，取得更為合理的地基土的物理力學指標，確保采取的措施合理、經濟且施工可行。 

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，自身結構均會出現(xiàn)不同程度的老化、損壞。對于鋼閘門，當其結構發(fā)生嚴重銹蝕而導致截面削弱， 應進行結構強度、剛度和穩(wěn)定性驗算。對于鋼筋混凝土閘門，當鋼筋混凝土閘門的梁、面板等受力構件發(fā)生嚴重腐蝕、剝蝕、裂縫致使鋼筋（或鋼筋網）銹蝕時，應按實際截面進行結構強度、剛度和穩(wěn)定性驗算。對閘門的零部件和埋件等發(fā)生嚴重銹蝕或磨損的， 應按實際截面進行強度復核。當主要設計參數發(fā)生改變時， 尤其是擋水高度等發(fā)生變化時，必須對閘門強度進行驗算。啟閉機以及相應的電氣控制設備主要存在的問題是設備老化。當需要進行設備更新時， 除考慮啟閉力外，還應盡可能選擇量產、標準化程度高的設備，方便日后的維修養(yǎng)護。 

5.2 施工組織 

施工組織設計中，除按要求對施工條件、施工導流、料場的選擇與開采、主體工程施工、施工交通運輸、施工工廠設施、施工總布置、施工總進度和主要技術供應進行必要的論證和設計外，更應結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構的加固，施工難度及施工質量要求相對較高。 

5.3 其他 

根據相關要求，病險水閘除險加固設計中，應對工程占壓、環(huán)境保護、工程管理、設計概算和經濟評價進行設計。由于病險水閘除險加固是在原閘基礎上進行的加固或改建，其設計的永久占地一般均相對較少或僅僅為臨時占地，因此，產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施基礎上，對存在問題的設施進行修復或替換，不存在更多技術問題。難于處理的是經濟評價，盡管工程投資、產生的效益、運行費用等相對易于計算，但實際工程產生的效益很難分攤。因此，具體每處工程設計時， 應結合自身運用特點，進行合理的區(qū)分。 

6 需要進一步探討的設計問題 

6.1 慎重對待閘底板高程的調整 

當因穩(wěn)定問題以及擋水等需要閘底板加固時，設計中一般會對加固后的閘室問題、底板結構進行必要的分析驗算。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變化的考慮。以攔河水閘閘底板高程抬高為例。首先，假設流量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。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，n 一般大于4，m 為系數，u 為流速。根據上述假定，對比降i 推導出方程： 

sdpb（n-3)/3=mc2n/3qn/3in/3 

可以得出，當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，導致河流上游的淤積抬高。上游來沙將減少，將導致下游的沖刷。同時，上游河床比降變緩，同流量水位將會抬高，可能導致兩岸堤防加高。因此，當需要對閘底板高程進行改變時，須對未來的河床演變和水面線影響作出合理的預測。 

6.2 混凝土加固技術的應用 

目前對建筑進行加固已取得大量的施工經驗，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，相應的施工工藝、施工質量又要求較高，在設計中需盡可能地在可行、經濟合理且能保證質量的情況下選擇加固方案。