韩良凯

(辽宁省丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

除险加固是恢复拦河节制闸下游流量控制和水位调节功能，提高防洪标准保证水闸安全运行，充分发挥工程效益以及促进区域经济发展的重要技术手段[1-4]。老河身闸建于20世纪70年代，由于建成年限较长、建设标准低、老化坏损严重，加之长期运行缺少有效的维修管理，老河身闸长期处于低效“带病运行”状态。2019年安全鉴定及核查认定老河身闸为三类闸，主要存在电气设备老化失修、抗渗稳定不满足要求、混凝土结构腐蚀严重、河道严重淤积等问题，加之拦蓄灌溉及安全泄洪条件恶化亟需实施除险加固整治。文章详细论证老河身闸除险加固方案，并进一步探讨了闸基防渗排水体系及其抗渗稳定性。

1 工程概况

1.1 基本情况

老河身闸位于大洋河红旗沟段右岸，桩号5+955。防洪标准20a一遇，排涝标准5a一遇，设计排涝流量为4.39m3/s，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。当大洋河发生较大洪水时，关闭穿堤涵闸闸门挡水，小河沿及稻田水通过闸上泵站强排至穿堤涵闸外侧。

1.2 病险现状

截至目前，在防洪排涝、拦蓄灌溉等方面老河身闸发挥着重要作用，但由于施工质量差、建设标准低、服役时间长等因素，老河身闸存在许多病险问题，具体如下：①水闸碳化严重，强度整体偏低，混凝土多处开裂致使内部钢筋锈蚀，对水闸安全运行构成潜在威胁；②由于存在裂缝和混凝土碳化，排架柱及机架桥的承载力大大下降，排架、部分双向的受力面板及主梁无法满足规范要求；③受两侧边墩绕渗和基础不均匀沉陷作用，刺墙、桥头堡已经出现错位丧失止水功能；④闸进口翼墙倾斜，闸框砂化，浆层脱落，露石、露筋，闸后冲刷严重，无消能工程；⑤启闭机锈蚀难以正常启动，电气设备老化失修，贯彻设施简陋废弃。经安全鉴定，涵闸已运行多年，其中老河身闸年久失修，进口翼墙断裂损坏严重，涵洞严重变形，无法发挥正常的作用，各项指标不满足设计要求亟需进行除险加固处理，以恢复防洪排涝、拦蓄灌溉等功能。

2 除险加固方案比选

2.1 方案比较

现状生产桥、机架桥、排架柱、节制闸闸墩露筋锈蚀、裂缝、麻面、混凝土碳化严重，整体耐久性明显下降；闸室大小底板出现不均匀沉降裂缝，配筋达不到现行设计标准，需要拆除重建。综合考虑水闸运维条件、施工组织、构筑物布置、闸址处地形条件等因素，初步设计3种不同方案，如表1所示。其中，方案1：闸室改建为倒π型结构、地基改建为复合地基；方案2：闸室改建为倒π型结构、加固灌注桩基础；方案3：维持闸室的大小底板结构、保留灌注桩基础。

表1 老河身闸除险加固拟定方案

由表1可以看出，拆除改建闸室(方案3)能够有效解决闸室配筋不足、强度低、混凝土老化等问题，从而达到规范要求，水平承载力也可满足设计要求，但原灌注桩埋入地下近50a无法准确计算其承载力，因此安全冗余系数较小；对于补桩增强桩基承载力并拆除改建闸室的方案2，其采用混凝土灌注桩基础可能会存在地基土与闸底板“脱空”的情况；针对地基采用水泥土搅拌桩复合地基、上部结构与方案2相同的方案1，其闸室协调变形能力好且有效解决了地基土与闸底板可能“脱空”的问题，复合地基在提高地基与底板摩擦系数的同时还增大了地基竖向承载力，能够更好地实现闸室抗滑稳定。从成本控制上，方案3最小、方案2最大、方案1居中。

综上分析，3个方案的桩基承载力及闸室稳定性均能满足设计要求，但现阶段无法精准检测原状基承载力，所以原桩基承载力具有较大不确定性。此外，原混凝土灌注桩可能存在地基土与闸底板“脱空”的情况，为了实现除险加固后水闸的长效安全稳定运行，优选考虑技术经济性更优、工程匹配性更高的方案1。

2.2 防渗排水措施

水闸的安全运行与渗流问题存在密切联系，水体渗流会导致挡墙、闸墩发生渗透变形及水闸整体质量的破坏，甚至会导致水闸垮塌等安全事故的出现[5-8]。因此，必须科学分析水闸的防渗排水措施，并对加固整治后水闸的抗渗稳定性进行整体评价[9]。

现状水闸底板的水平长度14.0m、上游铺盖钢筋混凝土段长18.0m。将上游铺盖进行拆除改建，翼墙底板、闸室底板与普高之间设止水，将遇水膨胀止水条填塞至原铺盖与改建段铺盖之间的施工缝内，采用沥青砂浆对临水面进行勾缝，铺盖下砂壤土挖出后利用水泥土回填。下游护坦上设置3排排水孔，排水孔下布设反滤层且保持底板距离第1排1.0m。

将下游翼墙及闸室底板进行拆除改建，改建段长4.0m，将下游消力池底板受影响范围进行拆除改建，翼墙底板、闸室底板与底板之间设止水，将遇水膨胀止水条填塞至原底板与改建段底板之间的施工缝内，采用沥青砂浆对临水面进行勾缝；同时，采用中砂回填消力池底板，改建段底板布设3排PVC排水管，直径为5cm，按照梅花形、每排间距1m的形式布置。

采用扶壁式翼墙连接水闸两岸，前、后端翼墙为圆弧形和直线形，顺水流方向钢筋混凝土铺盖衔接段的投影长度为10m，后翼墙长8.0m，最大高程21.50m；顺水流方向闸室边墩长度14.0m，最大高程21.50m；边墩与翼墙间、翼墙间设止水，边墩与翼墙后填筑壤土，渗透系数设计值8.0×10-5cm/s、压密度0.95。将孔径50mm的PVC排水管沿下游挡墙布设3排，并以粗砂及土工布设于排水管墙内侧端头以发挥反滤作用。

2.3 抗渗稳定分析

2.3.1 闸基渗流稳定

1)地质条件。总体上，可将水闸闸址区勘探深度范围内土层划分成黏土层(Q3alp)、壤土层(Q3alp)、黏土层(Q3alp)、壤土层(Q4alp)、黏土层(Q4alp)、砂壤土层(Q4alp)、壤土层(Q5)。老河身闸现状闸基土体依次为黏土、壤土和黏土，所对应的渗透系数为2.7×10-6、6.4×10-6、4.8×10-6cm/s。黏土层渗透变形形式按照《水利水电工程地质勘察规范》可以判定为流土，闸基黏土层渗漏为水闸面临着主要问题，出口段和水平段允许渗流坡降值为0.60、0.30。

2)计算模型。设计正常挡水和加大挡水两种工况进行，即下游水位平闸底板条件下闸前正常蓄水位为17.30m、17.80m两种条件，如图1。通过网格划分和水闸渗流计算利用有限元软件建立模型，为简化计算模型仅展示闸门、水闸底板和水闸铺盖等关键部位。将上游水位总水头定义为水闸上部，下游水位总水头为水闸下部平地板[10-13]。

(a)正常挡水工况

(b)加大挡水工况

3)成果分析。经数值模拟，确定不同计算工况下闸基渗流稳定计算结果，如表2。从表2可以看出，闸后出溢点的最小渗透比降(0.305)以及基础与闸底板基础面的最小渗透比降(0.128)均小于允许值0.30、0.60，并且具有较大的安全冗余，能够保证水闸的安全稳定。

表2 闸室渗透比降模拟计算

2.3.2 侧向绕流分析

翼墙两侧及闸室边墩回填土壤的渗透系数9.2×10-5cm2小于地基土，参照闸基渗流计算方法和《水闸设计规范》确定防渗长度，其计算式为：

L=C·△H

(1)

式中：C、△H为墙后回填壤土的允许渗透系数值和上下游水位差，文中C取5.0，△H为5.5m。采用以上公式确定老河深闸的防渗长度L不应低于28m，而除险加固方案中边墩顺水流向及上游翼墙总设计长度为35m，因此能够达到防渗要求。

3 结 语

除险加固是恢复病险水闸生态环境供水、防洪排涝和蓄水灌溉等功能的重要手段。文章通过论证分析除险加固方案的经济性、可行性，得出的结论如下：

1)经安全鉴定符合和现场检测，老河身闸存在安全隐患，各项指标难以满足运行要求，长期处于带病运行状态，被鉴定为三类闸，为保证其功能效益的发挥亟需实施除险加固整治。

2)考虑构筑物布置、主体结构性能、水闸病险现状等因素，确定有利于闸基渗流稳定、闸室沉降变形适应能力好的水泥土搅拌桩符合地基拆除重建方案为最优方案。

3)侧向绕渗和闸基渗流计算表明，除险加固方案中渗流长度和渗透比降符合规范要求，防渗排水措施科学合理能够保证整体安全稳定。