武烈河橡膠壩安全檢測與質(zhì)量評價分析

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。橡膠壩設計壩高2.5 m，共分2跨，每跨長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 年建設完成投入運行，自2004年更換橡膠壩袋后，壩袋使用年限已超過15 a，橡膠壩工程建設年限超過30 a，多年來連續(xù)高水位運行，部分壩體基礎結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量缺陷，壩袋表面多處受損，壩袋老化嚴重，機電設備出現(xiàn)不同程度的水蝕、銹蝕，均未達到橡膠壩安全運行標準，橡膠壩帶病運行，存在安全隱患。為確保武烈河橡膠壩工程的運行安全、橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度安全、全面掌握武烈河梯級橡膠壩工程運行性態(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，查找共性和亟待解決的問題，為橡膠壩安全評價提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐，以旅游橋橡膠壩為例，對其水工結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的安全檢測和評價[2]。

2 橡膠壩安全檢測

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

2.1 壩基結(jié)構(gòu)安全檢測

壩基結(jié)構(gòu)外觀檢查對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)域表層混凝土風化、受侵蝕嚴重。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重變形，遭到大面積破壞；上游河床淤積較為嚴重，下游有沖刷現(xiàn)象。經(jīng)過總結(jié)和綜合分析，提出對橡膠壩基礎結(jié)構(gòu)進行變形檢測和混凝土性能檢測。

采用全站儀和人工量測方式，對橡膠壩基礎結(jié)構(gòu)進行了垂直和水平位移觀測，其精度基本符合要求。采用水準儀，在橡膠壩右邊墩頂和左、右底板采集高程測量點，高程采用相對高程對照原施工設計高程，實測數(shù)據(jù)偏差分別為-0.002、-0.01、-0.008 m，壩基礎結(jié)構(gòu)基本未產(chǎn)生沉降。

采用混凝土自動回彈儀、混凝土保護層測定儀等儀器，對橡膠壩壩底板及中墩混凝土進行了強度檢測，回彈法實測強度為27.7～37.6 MPa，大于原設計混凝土標號200（相當于C18）的設計強度。但相關(guān)規(guī)范[3]規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)除應滿足強度和限裂要求外，還應根據(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，需要進一步進行耐久性性能的相關(guān)檢測。工程實測中邊墩混凝土碳化深度最大23 mm，最小5 mm，平均14 mm；實測鋼筋保護層厚度最大71 mm，最小37 mm，平均66.5 mm，經(jīng)綜合分析認為混凝土結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)碳化引起的老化病害[4]。

2.2 橡膠壩體安全檢測

主要對壩袋和錨固構(gòu)件進行橡膠壩袋外觀檢測。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，局部楔塊存在輕微上拔現(xiàn)象。

按正常工作時間和有限工作時間2 種工況進行壩袋充、塌狀況檢測。經(jīng)過運行測試，在正常工況下，充排動力系統(tǒng)能夠在常規(guī)時間內(nèi)達到壩袋充脹要求；在梯級橡膠壩聯(lián)合調(diào)度和擬遇到突發(fā)事件的情況下，充排動力系統(tǒng)能夠采取強排等緊急措施，在有限工作時間內(nèi)達到塌壩的要求。橡膠壩體擋水運行狀況檢查，主要為上游單側(cè)擋水，在非溢流情況下，壩袋不能完全達到設計高度，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，壩袋存在振動現(xiàn)象。

2.3 設備及監(jiān)測設施安全檢測

設備檢測主要對管路系統(tǒng)、機泵設備、電氣設備和應急設備進行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)充排水及溢流管道完好暢通，但銹蝕嚴重；機泵及電氣設備運行正常，個別閥門體存在浸水現(xiàn)象；控制設備（含自動化監(jiān)控設備）和輔助設備的運行整體穩(wěn)定。監(jiān)測設施主要對壩基、壩袋監(jiān)測工作進行檢查，發(fā)現(xiàn)水位尺、安全防護設施及信號標識基本完好，壩袋上的排氣閥、測壓管路等基本暢通。

3 橡膠壩安全檢測質(zhì)量評價

橡膠壩安全檢測質(zhì)量評價參照相關(guān)標準[5，6]，對橡膠壩地基基礎、防滲和消能防沖設施、橡膠壩壩袋、混凝土結(jié)構(gòu)、壩體運行設備設施和安全監(jiān)測的性能質(zhì)量進行評價。質(zhì)量評價按其對運行安全影響力進行，檢測結(jié)果均滿足標準要求，運行中未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，且現(xiàn)狀滿足運行要求的，評定為A 級；檢測結(jié)果基本滿足標準要求，運行中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷尚不影響工程安全的，評定為B級；檢測結(jié)果大部分不滿足標準要求或工程運行中已發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題、影響工程安全的，評定為C級。

3.1 地基基礎狀態(tài)質(zhì)量評價

通過查閱地質(zhì)資料，對壩體基礎結(jié)構(gòu)及上下游水流性態(tài)進行量測、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，壩體地基基礎狀態(tài)穩(wěn)定，不會對工程運行安全產(chǎn)生影響。經(jīng)綜合檢測結(jié)果分析，認為地基基礎質(zhì)量應評定為A級。

3.2 防滲和消能防沖設施質(zhì)量評價

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，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，導致壩體下游淘刷嚴重，直接威脅壩體基礎穩(wěn)定性。建議加強泥沙淤積監(jiān)測，科學進行橡膠壩上游淤積清理；對下游消能防沖設施進行維修改造，充分發(fā)揮其防沖效能，確保橡膠壩安全運行。經(jīng)綜合檢測結(jié)果分析，認為橡膠壩消能防沖設施結(jié)構(gòu)完整性和有效性存在質(zhì)量缺陷，質(zhì)量應評定為C級。

3.3 橡膠壩袋質(zhì)量評價

通過對橡膠壩袋外觀和壩體運行狀況測試，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。檢測發(fā)現(xiàn)壩袋表面大面積老化，普遍存在細小龜裂和粉化現(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。壩袋運行時出現(xiàn)塌肩、共振現(xiàn)象，壩體已形成徑向變形，壩袋運行狀況已接近安全臨界點，存在運行安全隱患。

為進一步檢驗橡膠壩壩袋完整性和安全性，從壩袋外觀存在缺陷和運行狀況分析，對壩袋強度進行了安全復核。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算公式為：

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

經(jīng)計算，壩袋袋壁拉力為28.13 kN∕m。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[6，7]計算壩袋強度安全系數(shù)時，若采用壩袋膠布名義強度計算，應根據(jù)帆布層數(shù)進行折減，對一布兩膠、兩布三膠、三布四膠可按15%、20%、25% 的比例扣除強度損失。同時，考慮壩袋材料老化，強度需折減20%～25%。旅游橋橡膠壩為兩布三膠，壩袋膠布厚度8 mm，膠布強度280 kN∕m，在考慮膠布強度損失和壩袋材料變形老化折減后，經(jīng)計算壩袋強度安全系數(shù)為5.47，不滿足國家標準《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》（GB∕T50979-2014）中規(guī)定的“充水式壩袋的強度設計安全系數(shù)不應小于6.0”的要求。

經(jīng)綜合檢測結(jié)果分析，認為壩袋外觀質(zhì)量存在缺陷，壩體運行狀況存在安全隱患，理論計算壩袋安全系數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，壩袋完整性和安全性對工程運行安全造成一定影響，質(zhì)量應評定為C級。

3.4 壩基混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價

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，采取無損檢測方法對混凝土強度、保護層厚度、碳化深度等指標進行了檢測，發(fā)現(xiàn)壩基礎主要部位混凝土強度等級滿足規(guī)范[3]中關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性對混凝土最低強度等級的要求。工程實測碳化值未超出鋼筋保護層厚度，混凝土結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)碳化引起的老化病害。經(jīng)綜合檢測結(jié)果分析，混凝土耐久性和安全性存在一定質(zhì)量缺陷，但未對運行安全造成影響，質(zhì)量應評定為B級。

3.5 設備檢測質(zhì)量評價

橡膠壩壩體采用雙吸離心泵抽取大口井地下水對壩袋進行充水，通過外觀檢測，發(fā)現(xiàn)充排水及溢流管等管道銹蝕嚴重；個別機泵、閥門體存在浸水現(xiàn)象，設備維養(yǎng)不到位；取水用大口井淤積嚴重，需進行清理。壩袋現(xiàn)狀運行測試，發(fā)現(xiàn)充排水動力設備運行情況良好，控制設備（含自動化監(jiān)控設備）和輔助設備的運行整體穩(wěn)定。供電線路可靠性較好，儀表、指示燈完好。經(jīng)綜合檢測結(jié)果分析，認為橡膠壩設備維修養(yǎng)護不及時，設備外觀質(zhì)量存在缺陷，壩體供水水源存在隱患，但未對運行安全造成影響，質(zhì)量應評定為B級。

3.6 安全監(jiān)測設備質(zhì)量評價

橡膠壩測壓、自動化補水、自動化破冰、水尺等監(jiān)測、觀測設備設施完好，運行穩(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)測設備運行穩(wěn)定性、有效性能夠滿足運行安全的要求，未對工程運行安全造成影響。經(jīng)綜合檢測結(jié)果分析認為，質(zhì)量應評定為A級。

4 結(jié)語

承德市武烈河旅游橋橡膠壩安全檢測與質(zhì)量評價工作形成了結(jié)論性意見，為橡膠壩安全鑒定提供了詳實的數(shù)據(jù)支撐。筆者提出了針對山區(qū)多泥沙河流橡膠壩安全檢測的主要做法，認定參照《水閘安全評價導則》（SL214-2015）進行安全檢測質(zhì)量評價總體上是可行的。在此基礎上，建議深入開展橡膠壩安全評價技術(shù)研究工作，為橡膠壩的安全評價提交更多優(yōu)質(zhì)科研成果。