橡胶坝安全检测与质量评价分析
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摘要：为顺利开展承德市滦河流域橡胶坝工程的安全评价工作、确保武烈河梯级橡胶坝运行安全，以旅游桥橡胶坝为例，开展橡胶坝安全检测工作，并结合工程资料和实际运行性态，提出橡胶坝安全检测质量评价意见，为橡胶坝技术改造和除险加固提供可靠的技术支撑，为类似橡胶坝安全检测提供参考。
关键词：橡胶坝；安全；检测；评价
1工程概况
武烈河是滦河一条较大的支流，属典型山区多泥沙河流，自北向南贯穿整个承德市城区。1989—2007年，历经3次大规模河道防洪及水环境治理，武烈河建成12道梯级橡胶坝工程，在防洪排涝、改善水生态环境、城区供水和避暑山庄湖区补水等方面发挥了重要作用[1]。旅游桥橡胶坝是承德地区建设的首座橡胶坝工程，由橡胶坝袋、坝底板、上下游消能防冲结构及充排水系统等组成。橡胶坝设计坝高2.5m，共分2跨，每跨长83m，内外压比值1.40，坝袋为枕式直墙坝，锚固系统采用楔块挤压双锚固结构，井泵充坝，自流塌坝。旅游桥橡胶坝自1989年建设完成投入运行，自2004年更换橡胶坝袋后，坝袋使用年限已超过15a，橡胶坝工程建设年限超过30a，多年来连续高水位运行，部分坝体基础结构存在质量缺陷，坝袋表面多处受损，坝袋老化严重，机电设备出现不同程度的水蚀、锈蚀，均未达到橡胶坝安全运行标准，橡胶坝带病运行，存在安全隐患。为确保武烈河橡胶坝工程的运行安全、橡胶坝群联合调度安全、全面掌握武烈河梯级橡胶坝工程运行性态，根据现状调查分析工程存在安全问题、隐患和疑点，查找共性和亟待解决的问题，为橡胶坝安全评价提供技术数据支撑，以旅游桥橡胶坝为例，对其水工结构进行了系统的安全检测和评价[2]。
2橡胶坝安全检测
旅游桥橡胶坝安全检测在对工程资料综合分析的基础上进行，考虑到武烈河上游来水流量较小，且未到河水冰冻期，环境条件有利于检测工作，也不会对橡胶坝的运行造成较大干扰，安全检测工作安排在2020年10月10—25日与现场检查衔接进行。现场检查主要采取观察、量测工程实体结构，检查设施运行状况，结合资料综合分析结果，对坝基结构、橡胶坝、设备及安全监测设施等进行检查。安全检测根据橡胶坝基础结构的重要性、病害程度与现场实际条件，优先采取对橡胶坝建筑物破坏较小的无损检测方法进行。
2.1坝基结构安全检测
坝基结构外观检查对象主要为混凝土坝底板、中边墩，上游防渗铺盖及防渗墙，下游护坦及消力池消能防冲结构。检查发现坝底板局部表层钢筋混凝土受损；中边墩墙体与坝袋堵头接触区域表层混凝土风化、受侵蚀严重。上游铺盖大部分被淤积物覆盖，下游消力池浆砌石墙体受损，池内有砂石、淤积物堆积现象，下游浆砌石笼海漫受冲击严重变形，遭到大面积破坏；上游河床淤积较为严重，下游有冲刷现象。经过总结和综合分析，提出对橡胶坝基础结构进行变形检测和混凝土性能检测。采用全站仪和人工量测方式，对橡胶坝基础结构进行了垂直和水平位移观测，其精度基本符合要求。采用水准仪，在橡胶坝右边墩顶和左、右底板采集高程测量点，高程采用相对高程对照原施工设计高程，实测数据偏差分别为-0.002、-0.01、-0.008m，坝基础结构基本未产生沉降。采用混凝土自动回弹仪、混凝土保护层测定仪等仪器，对橡胶坝坝底板及中墩混凝土进行了强度检测，回弹法实测强度为27.7～37.6MPa，大于原设计混凝土标号200（相当于C18）的设计强度。但相关规范[3]规定，混凝土结构除应满足强度和限裂要求外，还应根据其所在部位的工作条件、地区气候条件和环境情况，分别满足抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷等耐久性要求，需要进一步进行耐久性性能的相关检测。工程实测中边墩混凝土碳化深度最大23mm，最小5mm，平均14mm；实测钢筋保护层厚度最大71mm，最小37mm，平均66.5mm，经综合分析认为混凝土结构不会出现碳化引起的老化病害[4]。
2.2橡胶坝体安全检测
主要对坝袋和锚固构件进行橡胶坝袋外观检测。检查发现坝袋端头与直墙接触部位出现表层胶膜撕裂，外露胶布有明显磨损痕迹；由于长期受潮湿、氧化作用，在上、下游锚固线上约0.5m范围内出现大面积起泡现象，撕开后内部外层胶完好，有水流出；坝袋表面老化严重，大面积出现粉化、龟裂等现象；坝袋充水后袋片出现变形、起包现象。坝体锚固系统密封较好，无松动，局部楔块存在轻微上拔现象。按正常工作时间和有限工作时间2种工况进行坝袋充、塌状况检测。经过运行测试，在正常工况下，充排动力系统能够在常规时间内达到坝袋充胀要求；在梯级橡胶坝联合调度和拟遇到突发事件的情况下，充排动力系统能够采取强排等紧急措施，在有限工作时间内达到塌坝的要求。橡胶坝体挡水运行状况检查，主要为上游单侧挡水，在非溢流情况下，坝袋不能完全达到设计高度，坝两侧与墩墙接触部位出现塌肩现象，从塌肩处褶皱溢水，充水后坝袋出现径向变形；在溢流情况下，坝袋存在振动现象。
2.3设备及监测设施安全检测
设备检测主要对管路系统、机泵设备、电气设备和应急设备进行检查。检查发现充排水及溢流管道完好畅通，但锈蚀严重；机泵及电气设备运行正常，个别阀门体存在浸水现象；控制设备（含自动化监控设备）和辅助设备的运行整体稳定。监测设施主要对坝基、坝袋监测工作进行检查，发现水位尺、安全防护设施及信号标识基本完好，坝袋上的排气阀、测压管路等基本畅通。
3橡胶坝安全检测质量评价
橡胶坝安全检测质量评价参照相关标准[5，6]，对橡胶坝地基基础、防渗和消能防冲设施、橡胶坝坝袋、混凝土结构、坝体运行设备设施和安全监测的性能质量进行评价。质量评价按其对运行安全影响力进行，检测结果均满足标准要求，运行中未发现质量缺陷，且现状满足运行要求的，评定为A级；检测结果基本满足标准要求，运行中发现质量缺陷尚不影响工程安全的，评定为B级；检测结果大部分不满足标准要求或工程运行中已发现质量问题、影响工程安全的，评定为C级。
3.1地基基础状态质量评价
通过查阅地质资料，对坝体基础结构及上下游水流性态进行量测、观察，未发现橡胶坝墩墙和底板、铺盖和消力池存在整体沉降、倾斜、位移、变形的现象，坝体地基基础状态稳定，不会对工程运行安全产生影响。经综合检测结果分析，认为地基基础质量应评定为A级。
3.2防渗和消能防冲设施质量评价
经过开挖检查，发现上游防渗铺盖和防渗墙连接完整，由于常年被淤泥覆盖，上游防渗整体结构未受到扰动，防渗效果较好。下游消力池整体结构不完整，池内淤积降低了消能效果，造成橡胶坝坝体出现共振现象，进一步加据了橡胶坝袋的磨蚀。下游海漫遭到破坏，不能发挥防冲作用，导致坝体下游淘刷严重，直接威胁坝体基础稳定性。建议加强泥沙淤积监测，科学进行橡胶坝上游淤积清理；对下游消能防冲设施进行维修改造，充分发挥其防冲效能，确保橡胶坝安全运行。经综合检测结果分析，认为橡胶坝消能防冲设施结构完整性和有效性存在质量缺陷，质量应评定为C级。
3.3橡胶坝袋质量评价
通过对橡胶坝袋外观和坝体运行状况测试，发现受山区河流陡涨陡落和携带大量泥沙的影响，坝体充、塌频次增加，加速磨损缩短了坝袋使用寿命。检测发现坝袋表面大面积老化，普遍存在细小龟裂和粉化现象，在泥沙作用下老化区域出现帆布磨损和拔丝现象。受长期潮湿、氧化作用，坝袋表面呈现出带状气泡，局部频繁受力致使胶布撕裂。坝袋运行时出现塌肩、共振现象，坝体已形成径向变形，坝袋运行状况已接近安全临界点，存在运行安全隐患。为进一步检验橡胶坝坝袋完整性和安全性，从坝袋外观存在缺陷和运行状况分析，对坝袋强度进行了安全复核。根据有关规范[6]规定，充水橡胶坝坝袋袋壁最大拉力计算公式为：T=12γ(α-12)H21（1）式中：α为坝袋内外压比；H1为设计坝高（m）；γ为水容重（kN/m3）。经计算，坝袋袋壁拉力为28.13kN/m。根据相关规定[6，7]计算坝袋强度安全系数时，若采用坝袋胶布名义强度计算，应根据帆布层数进行折减，对一布两胶、两布三胶、三布四胶可按15%、20%、25%的比例扣除强度损失。同时，考虑坝袋材料老化，强度需折减20%～25%。旅游桥橡胶坝为两布三胶，坝袋胶布厚度8mm，胶布强度280kN/m，在考虑胶布强度损失和坝袋材料变形老化折减后，经计算坝袋强度安全系数为5.47，不满足国家标准《橡胶坝工程技术规范》（GB/T50979-2014）中规定的“充水式坝袋的强度设计安全系数不应小于6.0”的要求。经综合检测结果分析，认为坝袋外观质量存在缺陷，坝体运行状况存在安全隐患，理论计算坝袋安全系数不满足现行规范要求，坝袋完整性和安全性对工程运行安全造成一定影响，质量应评定为C级。
3.4坝基混凝土结构质量评价
橡胶坝坝底板和中边墩的外观有一定质量缺陷，但不影响工程安全，采取无损检测方法对混凝土强度、保护层厚度、碳化深度等指标进行了检测，发现坝基础主要部位混凝土强度等级满足规范[3]中关于混凝土结构的耐久性对混凝土最低强度等级的要求。工程实测碳化值未超出钢筋保护层厚度，混凝土结构不会出现碳化引起的老化病害。经综合检测结果分析，混凝土耐久性和安全性存在一定质量缺陷，但未对运行安全造成影响，质量应评定为B级。
3.5设备检测质量评价
橡胶坝坝体采用双吸离心泵抽取大口井地下水对坝袋进行充水，通过外观检测，发现充排水及溢流管等管道锈蚀严重；个别机泵、阀门体存在浸水现象，设备维养不到位；取水用大口井淤积严重，需进行清理。坝袋现状运行测试，发现充排水动力设备运行情况良好，控制设备（含自动化监控设备）和辅助设备的运行整体稳定。供电线路可靠性较好，仪表、指示灯完好。经综合检测结果分析，认为橡胶坝设备维修养护不及时，设备外观质量存在缺陷，坝体供水水源存在隐患，但未对运行安全造成影响，质量应评定为B级。3.6安全监测设备质量评价橡胶坝测压、自动化补水、自动化破冰、水尺等监测、观测设备设施完好，运行稳定，可以满足《水闸技术管理规程》[8]（SL75-2014）、《橡胶坝工程技术规范》[6]（GB/T50979-2014）等有关规定要求。目前，橡胶坝安全监测设备运行稳定性、有效性能够满足运行安全的要求，未对工程运行安全造成影响。经综合检测结果分析认为，质量应评定为A级。
4结语
承德市武烈河旅游桥橡胶坝安全检测与质量评价工作形成了结论性意见，为橡胶坝安全鉴定提供了详实的数据支撑。笔者提出了针对山区多泥沙河流橡胶坝安全检测的主要做法，认定参照《水闸安全评价导则》（SL214-2015）进行安全检测质量评价总体上是可行的。在此基础上，建议深入开展橡胶坝安全评价技术研究工作，为橡胶坝的安全评价提交更多优质科研成果。
参考文献
[1]杨春伟.武烈河橡胶坝工程特性及科学管理[J].资源环境与工程，2015（10）：731-732.
[2]冯靖，冯飒.万福桥橡胶坝水工结构安全检测与评价分析[J].水利与建筑工程学报，2020（6）：146-149.
[3]SL191-2008，水工混凝土结构设计规范[S].
[4]杨佳栋.承德市武烈河第二道橡胶坝维修改造分析[J].水科学与工程技术，2021（1）：14-16.
[5]SL214-2015，水闸安全评价导则[S].
[6]GB/T50979-2014，橡胶坝工程技术规范[S].
[7]高本虎.橡胶坝工程技术指南[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
[8]SL75-2014，水闸技术管理规程[S].
作者：杨佳栋 单位：承德市武烈河河道与橡胶坝管理中心