武烈河橡膠壩安全檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

楊佳棟

（承德市武烈河河道與橡膠壩管理中心，河北 承德 067000）

1 工程概況

武烈河是灤河一條較大的支流，屬典型山區(qū)多泥沙河流，自北向南貫穿整個(gè)承德市城區(qū)。1989—2007年，歷經(jīng)3次大規(guī)模河道防洪及水環(huán)境治理，武烈河建成12 道梯級(jí)橡膠壩工程，在防洪排澇、改善水生態(tài)環(huán)境、城區(qū)供水和避暑山莊湖區(qū)補(bǔ)水等方面發(fā)揮了重要作用[1]。旅游橋橡膠壩是承德地區(qū)建設(shè)的首座橡膠壩工程，由橡膠壩袋、壩底板、上下游消能防沖結(jié)構(gòu)及充排水系統(tǒng)等組成。橡膠壩設(shè)計(jì)壩高2.5 m，共分2跨，每跨長(zhǎng)83 m，內(nèi)外壓比值1.40，壩袋為枕式直墻壩，錨固系統(tǒng)采用楔塊擠壓雙錨固結(jié)構(gòu)，井泵充壩，自流塌壩。

旅游橋橡膠壩自1989 年建設(shè)完成投入運(yùn)行，自2004年更換橡膠壩袋后，壩袋使用年限已超過15 a，橡膠壩工程建設(shè)年限超過30 a，多年來連續(xù)高水位運(yùn)行，部分壩體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量缺陷，壩袋表面多處受損，壩袋老化嚴(yán)重，機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)不同程度的水蝕、銹蝕，均未達(dá)到橡膠壩安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，橡膠壩帶病運(yùn)行，存在安全隱患。為確保武烈河橡膠壩工程的運(yùn)行安全、橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度安全、全面掌握武烈河梯級(jí)橡膠壩工程運(yùn)行性態(tài)，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查分析工程存在安全問題、隱患和疑點(diǎn)，查找共性和亟待解決的問題，為橡膠壩安全評(píng)價(jià)提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐，以旅游橋橡膠壩為例，對(duì)其水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的安全檢測(cè)和評(píng)價(jià)[2]。

2 橡膠壩安全檢測(cè)

旅游橋橡膠壩安全檢測(cè)在對(duì)工程資料綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，考慮到武烈河上游來水流量較小，且未到河水冰凍期，環(huán)境條件有利于檢測(cè)工作，也不會(huì)對(duì)橡膠壩的運(yùn)行造成較大干擾，安全檢測(cè)工作安排在2020 年10 月10—25 日與現(xiàn)場(chǎng)檢查銜接進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)檢查主要采取觀察、量測(cè)工程實(shí)體結(jié)構(gòu)，檢查設(shè)施運(yùn)行狀況，結(jié)合資料綜合分析結(jié)果，對(duì)壩基結(jié)構(gòu)、橡膠壩、設(shè)備及安全監(jiān)測(cè)設(shè)施等進(jìn)行檢查。安全檢測(cè)根據(jù)橡膠壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的重要性、病害程度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，優(yōu)先采取對(duì)橡膠壩建筑物破壞較小的無損檢測(cè)方法進(jìn)行。

2.1 壩基結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)

壩基結(jié)構(gòu)外觀檢查對(duì)象主要為混凝土壩底板、中邊墩，上游防滲鋪蓋及防滲墻，下游護(hù)坦及消力池消能防沖結(jié)構(gòu)。檢查發(fā)現(xiàn)壩底板局部表層鋼筋混凝土受損；中邊墩墻體與壩袋堵頭接觸區(qū)域表層混凝土風(fēng)化、受侵蝕嚴(yán)重。上游鋪蓋大部分被淤積物覆蓋，下游消力池漿砌石墻體受損，池內(nèi)有砂石、淤積物堆積現(xiàn)象，下游漿砌石籠海漫受沖擊嚴(yán)重變形，遭到大面積破壞；上游河床淤積較為嚴(yán)重，下游有沖刷現(xiàn)象。經(jīng)過總結(jié)和綜合分析，提出對(duì)橡膠壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形檢測(cè)和混凝土性能檢測(cè)。

采用全站儀和人工量測(cè)方式，對(duì)橡膠壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了垂直和水平位移觀測(cè)，其精度基本符合要求。采用水準(zhǔn)儀，在橡膠壩右邊墩頂和左、右底板采集高程測(cè)量點(diǎn)，高程采用相對(duì)高程對(duì)照原施工設(shè)計(jì)高程，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差分別為-0.002、-0.01、-0.008 m，壩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)基本未產(chǎn)生沉降。

采用混凝土自動(dòng)回彈儀、混凝土保護(hù)層測(cè)定儀等儀器，對(duì)橡膠壩壩底板及中墩混凝土進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè)，回彈法實(shí)測(cè)強(qiáng)度為27.7～37.6 MPa，大于原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)200（相當(dāng)于C18）的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。但相關(guān)規(guī)范[3]規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足強(qiáng)度和限裂要求外，還應(yīng)根據(jù)其所在部位的工作條件、地區(qū)氣候條件和環(huán)境情況，分別滿足抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗沖刷等耐久性要求，需要進(jìn)一步進(jìn)行耐久性性能的相關(guān)檢測(cè)。工程實(shí)測(cè)中邊墩混凝土碳化深度最大23 mm，最小5 mm，平均14 mm；實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度最大71 mm，最小37 mm，平均66.5 mm，經(jīng)綜合分析認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)碳化引起的老化病害[4]。

2.2 橡膠壩體安全檢測(cè)

主要對(duì)壩袋和錨固構(gòu)件進(jìn)行橡膠壩袋外觀檢測(cè)。檢查發(fā)現(xiàn)壩袋端頭與直墻接觸部位出現(xiàn)表層膠膜撕裂，外露膠布有明顯磨損痕跡；由于長(zhǎng)期受潮濕、氧化作用，在上、下游錨固線上約0.5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積起泡現(xiàn)象，撕開后內(nèi)部外層膠完好，有水流出；壩袋表面老化嚴(yán)重，大面積出現(xiàn)粉化、龜裂等現(xiàn)象；壩袋充水后袋片出現(xiàn)變形、起包現(xiàn)象。壩體錨固系統(tǒng)密封較好，無松動(dòng)，局部楔塊存在輕微上拔現(xiàn)象。

按正常工作時(shí)間和有限工作時(shí)間2 種工況進(jìn)行壩袋充、塌狀況檢測(cè)。經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試，在正常工況下，充排動(dòng)力系統(tǒng)能夠在常規(guī)時(shí)間內(nèi)達(dá)到壩袋充脹要求；在梯級(jí)橡膠壩聯(lián)合調(diào)度和擬遇到突發(fā)事件的情況下，充排動(dòng)力系統(tǒng)能夠采取強(qiáng)排等緊急措施，在有限工作時(shí)間內(nèi)達(dá)到塌壩的要求。橡膠壩體擋水運(yùn)行狀況檢查，主要為上游單側(cè)擋水，在非溢流情況下，壩袋不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)高度，壩兩側(cè)與墩墻接觸部位出現(xiàn)塌肩現(xiàn)象，從塌肩處褶皺溢水，充水后壩袋出現(xiàn)徑向變形；在溢流情況下，壩袋存在振動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 設(shè)備及監(jiān)測(cè)設(shè)施安全檢測(cè)

設(shè)備檢測(cè)主要對(duì)管路系統(tǒng)、機(jī)泵設(shè)備、電氣設(shè)備和應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)充排水及溢流管道完好暢通，但銹蝕嚴(yán)重；機(jī)泵及電氣設(shè)備運(yùn)行正常，個(gè)別閥門體存在浸水現(xiàn)象；控制設(shè)備（含自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備）和輔助設(shè)備的運(yùn)行整體穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)設(shè)施主要對(duì)壩基、壩袋監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水位尺、安全防護(hù)設(shè)施及信號(hào)標(biāo)識(shí)基本完好，壩袋上的排氣閥、測(cè)壓管路等基本暢通。

3 橡膠壩安全檢測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)

橡膠壩安全檢測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5，6]，對(duì)橡膠壩地基基礎(chǔ)、防滲和消能防沖設(shè)施、橡膠壩壩袋、混凝土結(jié)構(gòu)、壩體運(yùn)行設(shè)備設(shè)施和安全監(jiān)測(cè)的性能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。質(zhì)量評(píng)價(jià)按其對(duì)運(yùn)行安全影響力進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，且現(xiàn)狀滿足運(yùn)行要求的，評(píng)定為A 級(jí)；檢測(cè)結(jié)果基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷尚不影響工程安全的，評(píng)定為B級(jí)；檢測(cè)結(jié)果大部分不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求或工程運(yùn)行中已發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題、影響工程安全的，評(píng)定為C級(jí)。

3.1 地基基礎(chǔ)狀態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過查閱地質(zhì)資料，對(duì)壩體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及上下游水流性態(tài)進(jìn)行量測(cè)、觀察，未發(fā)現(xiàn)橡膠壩墩墻和底板、鋪蓋和消力池存在整體沉降、傾斜、位移、變形的現(xiàn)象，壩體地基基礎(chǔ)狀態(tài)穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)工程運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。經(jīng)綜合檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為地基基礎(chǔ)質(zhì)量應(yīng)評(píng)定為A級(jí)。

3.2 防滲和消能防沖設(shè)施質(zhì)量評(píng)價(jià)

經(jīng)過開挖檢查，發(fā)現(xiàn)上游防滲鋪蓋和防滲墻連接完整，由于常年被淤泥覆蓋，上游防滲整體結(jié)構(gòu)未受到擾動(dòng)，防滲效果較好。下游消力池整體結(jié)構(gòu)不完整，池內(nèi)淤積降低了消能效果，造成橡膠壩壩體出現(xiàn)共振現(xiàn)象，進(jìn)一步加據(jù)了橡膠壩袋的磨蝕。下游海漫遭到破壞，不能發(fā)揮防沖作用，導(dǎo)致壩體下游淘刷嚴(yán)重，直接威脅壩體基礎(chǔ)穩(wěn)定性。建議加強(qiáng)泥沙淤積監(jiān)測(cè)，科學(xué)進(jìn)行橡膠壩上游淤積清理；對(duì)下游消能防沖設(shè)施進(jìn)行維修改造，充分發(fā)揮其防沖效能，確保橡膠壩安全運(yùn)行。經(jīng)綜合檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為橡膠壩消能防沖設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性和有效性存在質(zhì)量缺陷，質(zhì)量應(yīng)評(píng)定為C級(jí)。

3.3 橡膠壩袋質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過對(duì)橡膠壩袋外觀和壩體運(yùn)行狀況測(cè)試，發(fā)現(xiàn)受山區(qū)河流陡漲陡落和攜帶大量泥沙的影響，壩體充、塌頻次增加，加速磨損縮短了壩袋使用壽命。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)壩袋表面大面積老化，普遍存在細(xì)小龜裂和粉化現(xiàn)象，在泥沙作用下老化區(qū)域出現(xiàn)帆布磨損和拔絲現(xiàn)象。受長(zhǎng)期潮濕、氧化作用，壩袋表面呈現(xiàn)出帶狀氣泡，局部頻繁受力致使膠布撕裂。壩袋運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)塌肩、共振現(xiàn)象，壩體已形成徑向變形，壩袋運(yùn)行狀況已接近安全臨界點(diǎn)，存在運(yùn)行安全隱患。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)橡膠壩壩袋完整性和安全性，從壩袋外觀存在缺陷和運(yùn)行狀況分析，對(duì)壩袋強(qiáng)度進(jìn)行了安全復(fù)核。根據(jù)有關(guān)規(guī)范[6]規(guī)定，充水橡膠壩壩袋袋壁最大拉力計(jì)算公式為：

式中：α 為壩袋內(nèi)外壓比；H1為設(shè)計(jì)壩高（m）；γ 為水容重（kN∕m3）。

經(jīng)計(jì)算，壩袋袋壁拉力為28.13 kN∕m。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[6，7]計(jì)算壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)時(shí)，若采用壩袋膠布名義強(qiáng)度計(jì)算，應(yīng)根據(jù)帆布層數(shù)進(jìn)行折減，對(duì)一布兩膠、兩布三膠、三布四膠可按15%、20%、25% 的比例扣除強(qiáng)度損失。同時(shí)，考慮壩袋材料老化，強(qiáng)度需折減20%～25%。旅游橋橡膠壩為兩布三膠，壩袋膠布厚度8 mm，膠布強(qiáng)度280 kN∕m，在考慮膠布強(qiáng)度損失和壩袋材料變形老化折減后，經(jīng)計(jì)算壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)為5.47，不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》（GB∕T50979-2014）中規(guī)定的“充水式壩袋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于6.0”的要求。

經(jīng)綜合檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為壩袋外觀質(zhì)量存在缺陷，壩體運(yùn)行狀況存在安全隱患，理論計(jì)算壩袋安全系數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，壩袋完整性和安全性對(duì)工程運(yùn)行安全造成一定影響，質(zhì)量應(yīng)評(píng)定為C級(jí)。

3.4 壩基混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)價(jià)

橡膠壩壩底板和中邊墩的外觀有一定質(zhì)量缺陷，但不影響工程安全，采取無損檢測(cè)方法對(duì)混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、碳化深度等指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)壩基礎(chǔ)主要部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)滿足規(guī)范[3]中關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性對(duì)混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)的要求。工程實(shí)測(cè)碳化值未超出鋼筋保護(hù)層厚度，混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)碳化引起的老化病害。經(jīng)綜合檢測(cè)結(jié)果分析，混凝土耐久性和安全性存在一定質(zhì)量缺陷，但未對(duì)運(yùn)行安全造成影響，質(zhì)量應(yīng)評(píng)定為B級(jí)。

3.5 設(shè)備檢測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)

橡膠壩壩體采用雙吸離心泵抽取大口井地下水對(duì)壩袋進(jìn)行充水，通過外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)充排水及溢流管等管道銹蝕嚴(yán)重；個(gè)別機(jī)泵、閥門體存在浸水現(xiàn)象，設(shè)備維養(yǎng)不到位；取水用大口井淤積嚴(yán)重，需進(jìn)行清理。壩袋現(xiàn)狀運(yùn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)充排水動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行情況良好，控制設(shè)備（含自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備）和輔助設(shè)備的運(yùn)行整體穩(wěn)定。供電線路可靠性較好，儀表、指示燈完好。經(jīng)綜合檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為橡膠壩設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，設(shè)備外觀質(zhì)量存在缺陷，壩體供水水源存在隱患，但未對(duì)運(yùn)行安全造成影響，質(zhì)量應(yīng)評(píng)定為B級(jí)。

3.6 安全監(jiān)測(cè)設(shè)備質(zhì)量評(píng)價(jià)

橡膠壩測(cè)壓、自動(dòng)化補(bǔ)水、自動(dòng)化破冰、水尺等監(jiān)測(cè)、觀測(cè)設(shè)備設(shè)施完好，運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足《水閘技術(shù)管理規(guī)程》[8]（SL75-2014）、《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》[6]（GB∕T50979-2014）等有關(guān)規(guī)定要求。目前，橡膠壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、有效性能夠滿足運(yùn)行安全的要求，未對(duì)工程運(yùn)行安全造成影響。經(jīng)綜合檢測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為，質(zhì)量應(yīng)評(píng)定為A級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

承德市武烈河旅游橋橡膠壩安全檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)價(jià)工作形成了結(jié)論性意見，為橡膠壩安全鑒定提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。筆者提出了針對(duì)山區(qū)多泥沙河流橡膠壩安全檢測(cè)的主要做法，認(rèn)定參照《水閘安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL214-2015）進(jìn)行安全檢測(cè)質(zhì)量評(píng)價(jià)總體上是可行的。在此基礎(chǔ)上，建議深入開展橡膠壩安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究工作，為橡膠壩的安全評(píng)價(jià)提交更多優(yōu)質(zhì)科研成果。