水利工程中泵站水闸洪涝排水与止水问题分析

2021-04-02邹连鑫

中国水能及电气化 2021年8期

邹连鑫

(本溪市水务事务服务中心，辽宁本溪 117000)

在现代水利工程中，水闸的应用范围十分广泛。大量数据研究表明，我国大部分的水利工程泵站水闸修建在河床上，由于河床本身的压缩性较大，承载力较低，因此在结构上易出现闸室倾斜或止水破坏等故障。而当泵站水闸面临洪涝问题时，虽然水流整体的流速不高，但具有较大的冲击力，导致河床容易被水流冲刷，可能导致水闸沉降、断裂等问题，对水闸本身和周围建筑物产生严重影响[1]。在水闸工程中，排水设施和止水设施不同程度地影响着水闸的实际应用效果，因此加强对水闸排水和止水问题的研究，具有非常重要的实际意义。本文深入分析泵站水闸洪涝排水与止水问题，针对泵站水闸排水设施的结构和易出现的排水问题作出详细的总结，分析泵站水闸洪涝止水伸缩缝渗漏问题及产生原因，并提出预防措施，对于加强泵站水闸的稳定性、确保发挥工程效益具有重要意义。

1 泵站水闸洪涝排水问题

从结构上看，泵站水闸大致分为上游连接段、闸室以及下游连接段等三部。其中上游连接段由铺盖、护底、护坡及翼墙等建筑组成，下游连接段由护坦、海漫、防冲槽和翼墙等消力建筑组成，闸室是水闸的核心部分，是泵站水闸调节水流和挡水的关键，一般由底板、室墩、室门、胸墙、桥等部分构成[2-3]。

大量数据分析表明，泵站水闸洪涝排水问题多发生在防冲槽、闸基防渗面层、消力池底板排水孔和翼墙排水孔等部位，因此本文对此四个部位的结构、功能和常出现的问题和原因进行深入分析。

1.1 防冲槽问题

海漫是防止下游河床被冲刷的设施。当水流经过海漫时，海漫通过物理阻拦消除水流一定的动能，但在海漫的末端，其水流仍具有较强的冲刷能力，易使河床受到破坏，不利于工程的稳定，因此常在水漫末端设置防冲槽加强海漫的抗冲击能力，其基本原理是通过足够的石块填补因水流冲刷造成的河床冲坑的侧表面，保护海漫不被冲刷。根据防冲槽的结构特征，可以分为抛石型防冲槽和齿墙型防冲槽两种，其中应用最为广泛的是抛石防冲槽，其设置方式是在海漫的末端处挖出槽位，并预留足够的石块，当水流冲刷力较大并在河床上留下冲坑时，预留在防冲槽内的抛石沿着水流冲刷方向滚下，最终附着在河床冲坑的上游斜坡上，能够有效防止冲坑的进一步扩大和向上游发展，从而保护海漫的安全。但有些单位为减少建设成本，采用砌石设计的防冲槽，其在结构上不具备牢固的物理性能，面对较大的水流冲击时，不能有效保护河床，影响泵站水闸的洪涝排水效果，给工程的施工带来不便。

1.2 闸基防渗面层排水问题

由于水闸上游和下游水位存在较大落差，上游水从河床渗入泵站水闸，经过水闸上游连接段的防渗铺盖、护底等设施，最后由排水孔从下游连接段渗出[4]。为保证水闸对水流的控制效果，通常采用高防底排的地下轮廓线布局原则，即在高水位一侧安置防渗设施，减小上游水流作用在水闸底板上的渗透压力，而在低水位一侧设置排渗设施，即加快渗水的排出速度[5]。

一般情况下，泵站水闸采用平铺式排水，即在水闸底板和护坦的下方平铺渗水性较好的材料，如粗砂、卵石等，形成一定的排水体，通过这些材料联通渗流，不仅能够降低水闸闸底的渗透压力，还能消除水闸后方建筑物的渗透压力。但由于有些水闸只在消力池底板处设置防水体，在水平整流段和陡坡段缺少平铺式防水体的设计，增加了水闸闸底的渗水压力，不利于水闸的稳定性。

1.3 消力池底板排水孔问题

消力池能够削弱水流的冲刷力，对河床和岸坡起到保护作用。消力池的底板需承受较大的水流冲击力和压力，因此通常采用密度较大、强度较大且抗冲耐磨的材料。为降低消力池底板受到的水流渗透压力，常在水平护坦的后侧安排垂直呈梅花形布置的排水孔，并在消力池底板排水孔铺设反滤层，以有效降低消力池底板受到的压力，延长底板的使用寿命，减少意外情况发生。但是有些水闸设计不够专业，为最大程度地减少消力池底板的渗透压力，在水平护坦开始位置到尾部位置均设置排水孔，但由于水流进入陡坡地段时，在重力势能的作用下，具有较大的动能，使水流的流速加快，在急速水流的压力下排水孔内部的细粒结构可能被吸出，长期运行后，消力池的底板将被彻底破坏，使水闸失去对水流的控制能力，造成严重的危害[6]。

1.4 翼墙排水孔问题

泵站水闸投入使用时，除会发生正常的闸基渗流外，还会发生一定程度侧向渗流。所谓侧向渗流是指，渗水在力的作用下从上游连接段绕过翼墙等建筑物直接到达下游连接段的渗流方式。这种侧向渗流通常情况下会使水闸底板承受的渗透压力超过预想值，导致渗流出口长期承受较大的渗流压力，发生严重变形。因此为减少侧向渗流造成的危害，常在下游翼墙处设置多个翼墙排水孔，并且在挡土墙的另一侧孔口处设反滤层，使渗水正常流入下游，减少侧向渗流的发生。但某些水闸设计不够专业，只在翼墙进口侧设置排水孔，不仅徒劳无功，甚至起到反面效果，不但不能解决侧向渗流问题，反而降低翼墙的物理性能，降低翼墙的防渗、抗冲能力，使上游水流直接渗入翼墙后方，减少渗水的渗流路径，增加渗流压力，使翼墙发挥不了作用[7]。

2 泵站水闸洪涝止水问题

在泵站水闸的整体设计中，其洪涝止水问题能否得到解决显得尤为重要，因为水闸洪涝止水的情况直接影响着工程的整体安全性与寿命时长，止水更是一座水闸的灵魂，不同的止水设施及结构关系到闸室、岸墙的稳定，因此能否完美地解决该问题始终是该领域的相关工作者与专家关注的焦点之一，本文对泵站水闸洪涝止水伸缩缝渗透问题进行探究，分析具体原因以及相应的预防措施[8-9]。

2.1 泵站水闸洪涝止水伸缩缝渗漏问题及产生原因

我国水利工程大数据显示，泵站水闸洪涝止水问题往往出现在伸缩缝中，一般而言，我国水闸洪涝止水的设计与应用往往都有严格的要求与标准规范，但受到多种因素(如设计理念、施工环境与材料等)的影响，少数水闸洪涝止水的伸缩缝往往会出现不符合标准的情况，这与整体设计和施工过程中几种常见的问题有着密切的联系，其中与施工过程中出现的问题联系更为密切[10]。

为了实现水闸洪涝止水的目的，需要在伸缩缝中设置止水片。而设置止水片需要人工作业，就会出现止水片上的水泥渣、油渍等污染物没有彻底清理干净就进行混凝土浇筑的情况，出现这种情况往往会使止水片与混凝土的结合度不能达到要求标准，使得彼此之间不能很好地融合产生缝隙，进而出现渗漏的情况。此外，由于工艺要求与生产技术不同，部分止水片也会存在自身不合格的问题，如部分止水片自身就存在砂眼、接缝不可靠等情况，该类止水片的使用只会使洪涝止水伸缩缝问题变得更加严重。从上述问题可知，伸缩缝的问题主要出现在混凝土与止水片之间，因此，除上述两种情况外，止水片处与混凝土浇筑不严密，或浇筑虽较为密实，而混凝土泌水收缩，形成微间隙，也会出现渗漏问题。

2.2 泵站水闸洪涝止水伸缩缝渗漏的预防措施

针对上述止水伸缩缝渗透问题，本文从问题产生的原因出发，具体设计以下几种预防措施：

a.针对止水片上存在污染物的问题。在泵站水闸洪涝止水施工过程中，模板上的脱模剂可能会产生油渍并依附于止水片上，所以在该过程中板上脱模的流程工序可以安排在模板安装之前并且保持一定的施工间距，避免在施工过程中板和模板发生接触摩擦。

浇筑混凝土的过程中可能会出现混凝土掉落在止水片上产生水泥渣的情况，针对该类情况，需要人工作业的多次处理，在初次清除的基础上还需要进行定时的检查清除，直到混凝土浇筑完毕；此外，除了水泥渣外，如果遇到其他杂物或者污染物，也需要及时地进行处理，保证止水片与混凝土的完美结合。

b.针对止水片自身不合格问题。止水片在生产时可能存在砂眼、钉孔以及接缝不严密等问题，这些细小缺陷都可能造成水闸的重大安全隐患。因此相关采购部门在采购止水片材料时，对材料的质量需要进行严格的筛查，不但要对止水片材料的品种、规格与性能进行分析与比较，还需要对其外观进行仔细检查，以防出现砂眼或接缝松散不可靠的情况，若出现材料不合格的情况，需要及时更换。

施工人员对止水片进行安装时，出于高效或者便捷等目的，可能会用铁钉将止水片钉在模板上，这样往往会在止水片上出现钉孔，因此这种方法要避免使用。正确的固定止水片的方法为模板嵌固法，若条件允许，也可采用同材焊固法，为提升焊缝的可靠度，也可以采用铆接和焊固法结合的连接方式，在安装重要位置的止水片时，可以采用热压黏结接头的连接方法，在止水片安装完成后，还要对所有焊缝进行一系列检查和测试，保证焊缝的质量，待无异常问题后，才能投入到实际应用中。

c.针对止水片处混凝土浇筑不密实的问题。该类问题的解决主要取决于振捣人员的个人态度与工作修养，振捣人员不但要有较强的责任心，还要有熟练的操作技能，以及丰富的实践经验，在进行混凝土振捣时不仅要沉稳，还要控制振捣的频率，即不能过快也不能过慢，保证振捣器处于稳定速度，且在振捣过程中，振捣器不能接触到止水片，如此才可完成该项工作并解决该类问题。

d.针对混凝土的泌水收缩问题。主要的预防措施是对原材料严格把关，选择合适的水泥和骨料。由于矿渣水泥的保水性较差、收缩性大，易造成混凝土的大程度的泌水收缩，因此应避免选择矿渣水泥，而采用硅盐酸水泥等保水效果好、泌水性较强的水泥。除此之外，还要降低混凝土的坍落度，坍落度尽量控制在5～7cm，而对于坍落度较大的泵送混凝土应避免采用，尽量避免沉降差问题。