大中型病險水閘的成因及除險加固措施分析

邵 杰，孫承坪，周路寶

(連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222006)

水閘在國民生產、生活中發揮著不可缺失的作用，可以為城市、工農業生產供水，并在防洪抗災、排澇發揮重要作用。隨著國民經濟的迅速發展，水閘建設成為一項保障國家經濟穩定發展的重要民生建設舉措。我國的水閘大多修建于二十世紀六七十年代，由于當時的技術經濟條件有限，及水閘使用時間較長，所以存在各種病險問題，為水閘運行埋下安全隱患。據歷史資料統計，我國存在病險的大中型水閘為兩千多個，約占大中型水閘總數的三分之一。這些病險既影響工程的質量，又不利于水閘的正常運作，給當地人民的生產、生活造成巨大的不良影響。國民的生命財產安全與水閘的安全息息相關，因此研究大中型病險水閘除險加固措施具有十分重要的意義[1]。

1 病險水閘的成因

(1)歷史原因。由于年代的特殊性，以及當時施工技術、施工水平有限，經濟實力弱，建設管理不到位，技術人員對洪水認識不足，建設水閘使用的材料質量差，修建設備落后等綜合原因，很多水閘都是“三邊”工程，即邊勘測、邊設計、邊施工，導致最后建成的水閘施工質量差，防洪標準偏低，不能滿足實際需求[2]。

(2)自然原因。泥沙淤積、地震、洪水、海嘯等自然因素的影響，會一定程度地破壞水閘的結構，使水閘表面出現裂紋，水流沖刷也會造成河床下切、防沖槽破損、閘門銹蝕、電器設備老化，在汛期極易造成安全隱患。另外，由于人類的某些不合理行為對自然界造成的影響，如水污染等，也會對水閘結構造成不利影響，加快閘體結構老化。

(3)技術原因。由于建成時間比較久遠，當時的結構強度，消能防沖、防洪標準以及整體結構穩定性等都達不到現在的要求[3]。修建水閘之前需做大量勘測工作，收集大量的河流的水文數據，準確計算洪峰流量，從而確定水閘的設計標準。然而，限于當時的經濟技術條件，無法完成充分的準備工作就開始施工，造成水閘的設計標準普遍偏低，遠遠達不到防洪標準。此外，由于某些河流的防洪體系發生了變化，對許多河道進行了深浚，水閘沒得到相應的改進，無法滿足防汛要求。

(4)管理原因。由于運行時間較長，結構發生老化，存在一定的安全隱患，水閘管理部門缺乏工程維護和管理的意識，管理制度不完善、管理經費短缺、維護費用投入不足，造成部分大中型病險水閘的安全性和耐久性下降，少數水閘處于失修狀態[4]。

2 病險水閘的類型

根據調查分析，現階段我國大中型水閘存在的常見病險類型主要有以下幾種：

(1)水閘防洪標準偏低。防洪標準也被叫做擋潮標準。在設計時沒有收集大量的水文資料、技術標準不統一、水文系列延長等原因都會導致水閘高程不夠、泄洪能力不足等問題，造成防洪標準偏低。

(2)抗震標準低。在河邊、海濱沙塵中以及內陸砂巖層中極易發生地震液化作用，即由于地震使沒有固結的巖層或飽和的松散沙土發生液化現象，使地基軟化，造成地面沉陷、建筑物倒塌。修建水閘前，應該按地震烈度區劃分工程區，遵循水閘建筑抗震規范[5]。

(3)大壩滲漏問題嚴重。我國許多大中型水閘都建在丘嶺之間，由于設計不合理、勘測深度不夠、結構老化等原因，導致壩體、壩基滲透壓力過大，發生大壩滲漏現象。滲漏形式主要有以下三種：壩基滲漏、壩體滲漏、繞壩滲漏。許多大壩存在散滲、流土、沼澤化、接觸沖刷、壩體裂縫等問題，嚴重危害大壩安全。

(4)其他病險類型。除以上大中型病險水閘比較常見的問題外，其他病險類型還包括建筑物結構老化、土石壩壩體變形、閘門銹蝕、閘下防沖設施毀壞等。

大中型病險水閘病險種類多，需要根據實際情況有針對性地采取除險加固措施，消除水閘安全隱患[6]。傳統的水閘除險加固主要采取的方法有：①拆除舊壩修建新的；②堵塞原來的管道，重建頂管；③放棄原來的管道，改用虹吸式管道。

以上三種方法施工技術要求較高，實施起來較復雜，并且耗時長、投資大、成本高。本文采用高壓噴射灌漿與振動沉膜技術相結合的方式，形成了組合防滲體系。與傳統的水閘除險加固措施相比，本文的水閘除險加固措施不僅可以有效地改善水閘的滲漏現象，而且施工技術較簡單、耗費工時短、花費成本低。

3 除險加固方案

本文采用高壓噴射灌漿與振動沉膜技術相結合的方式，形成了組合防滲體系[7]，如圖1所示。

圖1 大中型病險水閘除險加固方案

圖1可知，大中型病險水閘除險加固方案分為高壓噴射灌漿和振動沉膜。

高壓噴射灌漿是通過鉆孔的方法將配備有特制的合金噴嘴的注漿管放在特定位置，然后利用高壓水泵或泥漿泵將漿液噴射出來，借助噴射的漿液的沖擊力，使土粒和漿液按一定的比例混合均勻，重新規則排列，最終形成固定形狀。高壓噴射灌漿漿液的噴射形式主要有旋轉噴射、擺動噴射和定向噴射[8]。雖然這三種巖漿的噴射形式不同，但都起著切碎土層的作用，使之與漿液攪拌混合均勻，然后發生凝結、固化。高壓噴射灌漿適用于軟弱地層，按照所用管道數，其施工方法主要有單管法、雙管法、三管法和多管法。

振動沉膜技術是利用頻率高、功率大的振動錘產生的垂直振動力，將模板壓入到指定位置，形成一定厚度的空槽體，最后采用邊灌漿邊振動的方式套接成槽的一種施工技術。

高噴灌漿具有漿液深度大、巖漿適應性強等優點，振動沉膜技術使土粒和漿液混合地更均勻，因此形成的墻體厚度也十分均勻[9]。與單一的高噴灌漿方式相比，采用高壓噴射灌漿與振動沉膜技術相結合形成的組合防滲體系除險加固的整體功效至少提高了一倍，具有經濟效益高、可實施性強等優點。

4 水閘除險加固措施流程分析

4.1 高壓噴射灌漿工藝流程

大中型病險水閘除險加固是一項較為復雜的工作，高壓噴射灌漿工作過程如圖2所示。

圖2 高壓噴射灌漿工藝流程

第一步：灌漿試驗。灌漿之前，在施工地段選取某一地點進行巖石凝結試驗的一種測試方法，主要是為了了解土體進行灌漿處理后可能發生的變化以及可能性，并獲得相應的技術指標便于后續施工工作的進行[11]。

第二步：測量放線。即利用測量工具測量建筑物的實際平面位置和高度等，按照施工圖進行復核，保證圖紙的準確性。

第三步：制漿。使用型號為437號的水泥硅酸鹽作為噴漿漿液，使用前需經過過篩處理，并且漿液的攪拌時間至少為30min。

第四步：鉆孔。根據設計要求，在出現滲漏現象的部位鉆一個孔徑在45～350mm的小孔。

第五步：漿液試噴。為了保證施工效率，在正式高壓噴射灌漿前需進行試噴，即先在地面上進行噴射，并做好相關參數和現象記錄。

第六步：高壓噴射灌漿。完成試噴后，將下噴射管伸到鉆孔中采用高壓泵進行旋轉噴射漿液。本文高壓噴射注漿使用的施工工具主要有高壓水泵、注漿泵、噴射器、鉆孔機、卷揚機等。

第七步：封孔。指的是利用固化后的漿液借助水泥封孔泵將水泥漿液注入一定深度，等待水泥固化后即可起到密封作用。

4.2 振動沉膜技術工藝流程

振動成膜的核心設備是2塊模板，工作過程如圖3所示。

圖3 振動沉膜技術工藝流程

第一步：模板就位。

第二步：A板、B板均下沉。

第三步：A板灌漿后將板提至一定高度。

第四步：B板灌漿后將板提至一定高度。

第五步：A板、B板均再下沉，循環往返施工。

這項技術使用的振錘頻率為1280次/min，按照施工步驟將A、B兩個模板打入到地層深處，使模板周圍的土體被充分擠壓，同時灌入漿液，并不斷攪拌混合使漿液和土粒混合均勻，以形成均勻密實的防滲墻體。設計技術相應指標要求具體為：模量≤2000MPa；抗壓強度≤4Pa；滲透系數≤3×10-6cm/s；水力梯度在45～60之間，漿液密度為1.95g/cm3；高壓擺動噴漿孔距為1.5m；塔深100cm[12]。

5 實驗研究

為了檢測本文采用的高壓噴射灌漿與振動沉膜技術相結合的方式形成的組合防滲體系的工作效果，與傳統的除險加固措施進行了對比，設計了對比實驗。

5.1 實驗參數

實驗參數見表1。

表1 實驗參數

5.2 實驗過程

根據上述設定的參數進行實驗，選用傳統除險加固措施和本文研究的組合防滲體系對同一大中型病險水閘進行除險加固，分析對比兩種方法的工作效果。

5.3 實驗結果與分析

(1)施工耗費成本實驗結果

施工耗費成本實驗結果如圖4所示。

圖4 施工耗費成本實驗結果

由圖4可知，隨著水閘病險數目增加，施工耗費成本也在不斷增大，但是本文的除險加固措施耗費成本始終低于傳統方法。當水閘病險數目為2時，傳統方法花費的成本為9萬元，本文方法花費的成本為7.5萬元；當水閘病險數目為6時，傳統方法花費的成本為21萬元，本文方法花費的成本為15萬元；當水閘病險數目為10時，傳統方法花費的成本為29萬元，本文方法花費的成本為19萬元；當水閘病險數目為14時，傳統方法花費的成本為37萬元，本文方法花費的成本為22萬元。由此可知，隨著水閘病險數目增加，傳統方法耗費成本的增長速度遠遠高于本文方法耗費成本的增長速度。

(2)施工耗費時間實驗結果

施工耗費時間實驗結果如圖5所示。

圖5 施工耗費時間實驗結果

由圖5可知，隨著水閘病險數目增加，施工耗費時間也在不斷增加，但是本文的除險加固措施耗費時間始終低于傳統方法。當水閘病險數目為2時，傳統方法花費時間為3d，本文方法花費時間為1.6d；當水閘病險數目為6時，傳統方法花費時間為4.6d，本文方法花費時間為2.8d；當水閘病險數目為10時，傳統方法花費時間為7.6d，本文方法花費時間為4.4d。由此可知，隨著水閘病險數目增加，傳統方法耗費時間的增長速度遠遠高于本文方法耗費時間的增長速度。

(3)除險加固修固實驗結果

除險加固修固后物理性能指標檢測結果見表2。

表2 除險加固修固后物理性能指標檢測結果

由表2可知，抗壓強度最小為4.12MPa，大于技術要求指標4MPa，滿足要求。滲透系數最大為1.40×10-6cm/s，小于技術要求指標3×10-6cm/s，滿足要求。由此可知，采用本文的方法主要物理性能指標檢測結果均達到技術指標要求，施工質量較好。

5.4 實驗結論

傳統方法以及本文所闡述的方法雖然都能夠對大中型病險水閘有除險加固修復功能，但是采用本文的高壓噴射灌漿與振動沉膜技術相結合形成的組合防滲體系，其除險加固的整體功效至少提高了一倍，可以有效地改善水閘滲漏現象，且具有經濟效益高、可實施性強、檢測方便、適用范圍廣等優點。

6 結語

水閘建設關乎民生與社會發展，是社會建設的基礎部分。考慮到水閘透水性強、受碾壓質量較差等特點，本文將高壓噴射注漿與振動成膜技術相結合，利用防滲墻有效地避免水閘被進一步滲透破壞，加固了壩體。借助模板原理固定水閘，通過設立巖漿除險，該技術既能保證水庫正常蓄水功能，又能發揮其應有的經濟和社會效益。