水閘安全評價技術與實踐研究

金 澤

（北京市城市河湖管理處，北京 100089）

1 研究背景

水閘是一種低水頭水工建筑物，主要修建在河道、灌渠，水閘可以啟閉，從而擋水、泄水控制水流，在城鎮灌溉、發電、航運、水產、環保、工業和生活用水等方面發揮著重要作用。北京市現有水閘工程1000余座，早期這些水閘工程在防洪、排澇、引水等方面發揮了重要作用，隨著北京經濟社會的快速發展，水閘工程運行服務年限加長，致使許多水閘存在安全隱患。為消除水閘工程病害，保證水閘安全穩定運行，應全面開展水閘加固、修補工作，而安全評價正是水閘消隱工作的重要一環。

《水閘安全鑒定管理辦法》要求，水閘工程要進行定期的安全評價，以保證水閘工程安全運行。第一次安全評價必須在竣工驗收五年內進行，以后應每隔10年均需進行1次安全評價。如果水閘在運行過程中出現影響安全的異常現象，如較強地震、超標準洪水、重大事故等，也應及時組織安全評價。

2 水閘安全評價現行的主要內容

根據水利部現行SL214-2015《水閘安全評價導則》規定，水閘的安全評價工作主要包括：工程現狀調查、現場安全檢測、復核計算、安全評價四個方面。

2.1 現狀調查

工程現狀調查是水閘安全評價工作重要的一環，主要包括工程技術資料收集整理、現場調查及工程現狀分析。工程技術資料的收集應參照圖1。

圖1 工程技術資料收集體系圖

工程技術資料收集齊備后，應對工程薄弱部位、隱蔽部位進行現場檢查，對發現的問題要根據實際分析其影響，結合工程技術資料對工程運行狀態進行初步分析。

最后，需針對以下三個方面進行安全管理評價：①工程管理范圍是否明確，技術人員定崗定編是否明確，是否滿足當下運行管理要求；②規章、制度是否齊全，控制運用是否合理；③工程設施是否有效維護，安全監測、管理設施等是否滿足運行要求等。

2.2 安全檢測

現場安全檢測的項目需要根據現狀調查報告，結合工程運行實際情況等綜合研究確定，一般包括以下內容：①地基土、回填土的工程性質。②消能防沖、防滲、導滲等相關設施的完整性、有效性。③混凝土和鋼筋混凝土的耐久性。④金屬結構的安全性。⑤機電設備的可靠性。⑥監測設施的有效性。⑦其他有關設施的檢測。

2.3 安全復核計算

安全復核計算是對水閘的安全運行狀況的計算論證工作，它是結合現狀調查、安全檢測等資料進行的接近于最終結論總結的一項工作，根據SL214-2015《水閘安全評價導則》，復核計算應包括防洪標準、滲流安全、結構安全、抗震安全、金屬結構安全、機電設備安全等內容。

2.4 安全評價

安全復核計算完成后，應按照工程概況、現狀調查情況、安全檢測、復核計算成果分析等內容進行水閘安全評價報告的編寫，并根據《水閘安全評價導則》規定對水閘進行初步評定分類，共四類。其中，一類閘情況最優，只需要常規養護；四類閘情況最差，需要降低運用標準或報廢重建；二類閘需要進行大修；三類閘需要及時進行除險加固。

水閘安全評價的最終結論需要由水閘安全評價專家組給出，專家組主要針對現狀調查情況、安全檢測、復核計算成果所列數據的真實性、可靠性；檢測和計算方法是否符合現行相關標準等方面論證分析評價是否準確，并給出水閘安全評價的最終結論。

3 水閘安全檢測技術分析

由以上章節可知，水閘現場安全檢測主要包括七個方面，其中混凝土結構的現場檢測最為重要，以下主要針對混凝土結構檢測技術進行具體分析。

混凝土結構的檢測一般包括：外觀缺陷、強度、鋼筋保護層厚度、碳化深度、內部質量、等檢查檢測。

3.1 混凝土外觀缺陷檢查及內部質量檢測

混凝土結構外觀質量缺陷主要包括表面裂縫、剝蝕、露筋、表面侵蝕、凍融破壞、蜂窩麻面等；內部缺陷主要包括內部裂縫、孔洞等。

目前，混凝土外觀缺陷檢查主要是人工目視檢查，配合測量工具測定缺陷的特征數值及發展趨勢。內部缺陷檢測中常使用超聲波法，探地雷達法、沖擊回波法。

（1）超聲波法。超聲波法亦是應用最廣泛的檢測方法之一，超聲波法原理是當聲波在超波路徑上遇到缺陷時，聲波會產生反射、繞射作用，會使波的幅度和傳播時間產生變化，根據這些變化可探知混凝土內部質量情況。通常應用于測量裂縫深度、內部孔洞等。

（2）電磁波法。電磁波法主要原理是發射和接收電磁波，然后把接收的電磁反射波形成圖像，不同介質間的電性差異會產生強烈的反射波，通過圖像中的反射波圖像判斷介質中的異常情況。在水閘安全評價中，電磁波法常用于混凝土內部缺陷檢測、混凝土內部鋼筋數量及保護層厚度。

（3）沖擊回波法。沖擊回波的原理是利用低頻應力波（短時錘擊）傳播到結構內部，物體內部由于介質的不同會對機械波進行反射，反射波被接收裝置收集處理形成圖像，通過對圖像的處理分析，判別物體內部的情況。

3.2 混凝土強度及混凝土碳化深度檢測

水閘的混凝土強度檢測一般指對混凝土的抗壓強度進行檢測。混凝土結構受力性能主要是由于混凝土的抗壓強度影響，混凝土抗壓強度是其力學性能的綜合體現，是混凝土強度的最基礎指標。在水閘現場檢測中應用最廣泛的是回彈法、鉆芯法。

（1）回彈法。回彈法是利用回彈儀里的彈簧推動重錘，通過彈擊桿沖擊混凝土表面，由于混凝土表面的強度會使重錘被反彈，所以可以通過重錘被反彈的距離與彈簧原本長度的比例來推定混凝土的強度。由于回彈法簡單快捷、受環境影響較小，目前已成為混凝土強度檢測中最常見、應用最廣泛的一種無損檢測方法。

（2）鉆芯法。鉆芯法是混凝土抗壓強度檢測中最直接的一種方法，鉆芯法是利用專業混凝土鉆芯機器從被檢測混凝土中取樣，并進行混凝土壓力測試，是一種半破壞的檢測方法，常常與其他無損檢測方法一起使用。

4 水閘安全復核計算

水閘的安全復核計算是依據現狀調查和現場檢測等基本數據和資料，按照國家規范計算論證水閘的各部分指標，是水閘安全評價重要的一部分。安全復核計算主要包括：防洪標準復核、閘室穩定復核、抗滲穩定性復核、消能防沖復核、混凝土結構構件強度復核計算。

防洪標準復核是國家強制性內容，是水閘工程安全運行的最重要指標；由于在水的作用下，水閘常會發生滲透破壞，所以抗滲穩定性也是最典型的復核計算內容，以下針對這兩項復核計算進行研究分析。

4.1 防洪標準復核計算

防洪標準復核計算內容分為設防水位、閘門門頂高程確定兩個步驟。

設防水位是根據水閘過流能力擬定，屬于水閘設計時的重要運行指標；水閘閘頂高程確定以擋水、泄水兩種情況分別計算。在擋水情況下，水閘最高擋水位加波浪高度加安全超高應小于等于閘門門頂高程；在泄水情況下，設計（校核）洪水位加相應安全超高應小于閘門門頂高程。

4.2 抗滲穩定性復核計算

水閘的抗滑穩定計算常用直線比例法（又稱勃萊系數法）和改進阻力系數法。其中改進阻力系數法計算更加精確，以下僅討論改進阻力系數法。

改進阻力系數法的計算原理：用改進阻力系數法計算滲流問題，必須明確邊界條件，故閘址的地層巖性情況要明確。作為滲流的邊界條件，應要最先明確不透水層的埋深、滲流場有效深度兩者之間的關系，根據地下不透水部分的幾何形狀，將滲流場劃分為幾個分段，求出分段的阻力系數，最后算出各段的滲透水頭。

5 北京城市河道水閘安全評價成果研究

2020年北京市城市河道重點的12座水閘進行了安全評價工作，包括三家店攔河閘、三家店進水閘、高碑店節制閘、玉淵潭進水閘、玉淵潭泄水閘、二熱閘、西便門分水閘、龍潭閘、普濟閘、東直門閘、城龍進水閘、城龍新閘。其中高碑店節制閘、玉淵潭泄水閘、普濟閘、東直門閘、城龍進水閘、城龍新閘被評定為三類閘，其余水閘均被評為二類閘。具體分項評價如表1。

表1 12座水閘工程安全評價分項評價表

由此表可以看出，6座三類閘主要由于金屬結構安全評價為C類，故綜合安全評價被評定為三類閘，主要原因是由于閘門缺焊、銹蝕，啟閉機使用年限較長，已無法達到設計運行標準。

6 水閘安全評價的技術要點及思考

（1）安全評價實施單位應最大程度收集水閘勘測、設計、施工及竣工資料，同時結合管理單位相關資料，提取出水閘運行大事記，根據基礎資料和大事記指出水閘運行和管理中存在的主要問題，并計劃好現場安全檢測及復核計算的相關項目。

（2）現場安全檢測和復核計算成果數據應客觀詳實，方法、原理應明確，同時對水閘存在的問題提出相關處理措施和建議。

（3）水閘安全評價是要綜合現狀調查報告、現場安全檢測報告、復核計算報告得出最終結論，上述三部分內容應保持一致，不能出現相互沖突、矛盾的情況。

（4）北京城市河湖的水閘工程在日常運行管理中，應著重關注金屬結構安全穩定，對閘門要及時進行閘門防腐除銹和焊縫探傷等工作，對使用年限超長和非標的啟閉設備應及時更換或大修。

（5）管理單位應和實施單位協調配合，管理單位要加強水閘運行管理，做好日常設施設備維護保養，落實水閘安全監測任務，完善水閘運行大事記，為下一階段水閘安全評價工作做好充足資料、數據準備。