水闸安全监测及可靠性评价研究

水闸是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，具有挡水和泄（引）水的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面有着十分广泛的应用。

由于水闸自身的特点，决定了水闸既需要满足安全性要求，同时也需要满足适用性和耐久性要求，即可靠性要求。

由于水闸在结构、荷载和运行条件等方面相对于一般的混凝土大坝而言具有明显的区别，因此《混凝土坝安全监测技术规范》［１］对水闸的可靠性监测缺乏针对性，而《水闸设计规范》［２］中虽然对观测设计设置了专门的章节，但内容比较简单，缺乏可操作性。

此外有关水闸可靠性评价的文献也比较缺乏，因此有必要针对水闸的特点，充分运用相关专业的科研成果对水闸的安全监测和可靠性评价进行系统研究，从而为水闸低风险运行奠定基础。

１水闸特点
１．１结构与材料
一般水闸由闸室和上、下游连接段等三部分组成，是以钢筋混凝土材料和钢结构闸门为主体的梁板薄壁结构。

与一般的大体积混凝土大坝相比，水闸钢筋用量大、金属结构多、体形更加“单薄”，同时存在大量的启闭机等活动部件和机电设备，振动、锈蚀、冲刷、老化、磨损、短（断）路等可能性比较大。

１．２荷载及作用１．２．１基本荷载
水闸基本荷载包括正常或设计水位下的水重、静水压力、扬压力、土压力、淤沙压力、风压力、浪压力、冰压力、土冻胀力，以及其他出现机会较多的荷载［２］。

在考虑基本荷载时应注意如下几个问题：（１）水重与水中含沙量等有关；（２）排水闸和挡潮闸等需要双向挡水；（３）土压力对于水闸的岸（翼）墙稳定影响比较大，其大小和分布与土体性质、固结情况以及地下水位等相关；（４）淤沙压力是随着水闸运行时间和方式而变化的；（５）风压力和浪压力对水闸的动力作用不可忽视；（６）冰推力大小与冰厚度及温度变幅有关，而且与结构临水处几何形状有关，在环状结构内部还存在局部冰胀。

另外，结冰将影响闸门的顺利开启，从而影响水闸的可靠性；（７）影响岸（翼）墙稳定性的土冻胀力与温度、土体力学性质和土壤含水量等因素有关。

１．２．２特殊荷载
根据文献［２］，特殊荷载包括校核洪水位下的水重、静水压力、扬压力、浪压力、地震以及其他出现机会较少的荷载。

１．２．３环境因素作用
除上述荷载作用外，空气或水中的侵蚀性气体或成份对水闸结构的老化（特别是碳化和锈蚀）作用不可忽视，而风浪的作用往往与上述作用相互促进，从而更加加速水闸结构的老化［３］。

水闸安全监测及可靠性评价研究
方卫华
（南京水利水文自动化研究所，江苏南京２１００１２）
摘要：为提高水闸安全监测和可靠性评价水平，确保水闸低风险运行，本文在分析水闸特点和影响水闸可靠性因素的基础上，结合风险分析对监测项目设置等进行了研究，从安全性、适用性和耐久性三个方面给出了水闸可靠性评价的具体方法、步骤和计算公式，指出了需要注意的问题并提出有关建议，为进一步做好水闸安全监测和可靠性评价工作奠定了基础。

关键词：水闸；安全监测；可靠性评价；风险分析；安全性；适用性；耐久性
Ｔｉｔｌｅ：Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｌｕｉｃｅｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎ／／ｂｙＦＡＮＧＷｅｉ－ｈｕａ／／ＮａｎｊｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＷａ－ｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅ＆Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ
Ａｂｓｔｒｃａｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｌｕｉｃｅｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｋｏｆｓｌｕｉｃｅｒｕｎ－ｎｉｎｇ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｔｕｄｙｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｌｕｉｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｎ，ｒｅｌｉ－ａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｆｏｒｍｕｌａａｒｅｇｉｖｅｎｏｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｓｕｃｈａｓｓａｆｅｔｙ，ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙａｎｄｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｉｃｅNｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇNｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎNｒｉｓｋａｎａｌｙｓｉｓNｓａｆｅｔｙNａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙNｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ
中图分类号：ＴＶ６９８．２２文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－１０９２（２００６）０２－００５４－０５
１．３地基及处理
当地基不能满足稳定验算和沉降校核时，必须采取相应的处理措施，如换土垫层、桩基础、振冲砂（碎石）桩等。

１．４渗流与防渗
为防止渗透变形和减小扬压力，针对不同基础往往采取了不同的防渗结构，如粘土地基采用水平铺盖防渗，砂土地基采用铺盖与板桩结合的方式防渗，粉砂地基采用板桩封闭式布置等。

１．５几点认识
（１）水闸结构应力分析中应考虑到温度应力的影响，在施工中也要求采取温控措施［２］。

实际上，温度对水闸变形和局部应力的影响不可忽视，内外温差是闸墩裂缝的主要成因之一［４］。

此外，由于各种材料之间线膨胀系数的差异，温度对水闸的可靠性的影响也不能不考虑。

（２）风、波浪以及水荷载在设计时候被看成是静荷载，实际上它们有明显的动力特征。

另外许多水闸还存在交通要求，因而不可避免地要受到汽车（船舶或漂浮物）等的冲（撞）击、振动和磨损，对这些作用也应该予以重视［２］。

（３）由于客观存在的大量不确定性，上述荷载、作用及其作用下结构性态反应需要通过监测加以了解。

２可靠性的影响因素分析
２．１荷载及环境因素
荷载的作用将影响结构的强度和稳定性。

超标准洪水是水闸不得不考虑的主要威胁，温度荷载也是水闸裂缝产生的主要原因之一。

近闸处上、下游河道的滑坡将对水闸安全造成相应的影响，其影响大小与滑坡体积、速度和距离水闸距离等有关。

另外同一干流上的上游水坝或水闸失事将增加下游水闸失事风险。

２．２地基和渗透变形
在渗流的作用下，特别是不稳定甚至双向渗流作用下，容易产生包括管涌、流土和接触冲刷等渗透变形，从而引起水闸沉降、倾斜甚至倒塌，此外绕闸渗流也增加了下游岸（翼）墙的不稳定因素。

经验证明，地基的承载力不够、不均匀沉降以及渗透变形是造成水闸失事的主要因素，尤其是对细砂和粉砂地基的水闸。

２．３结构和材料老化
结构和材料老化是随着时间的推移，结构和材料的性能下降或承载能力下降的过程。

主要表现有混凝土碳化、剥落以及开裂，金属结构锈蚀、大变形、失稳，防渗体止水破坏、排水孔堵塞，机电设备、电缆和绝缘材料老化、绝缘降低、接地电阻降低等。

结构和材料的老化速度与材料本身特性、施工质量、运行环境和运行方式等有关，是影响水闸耐久性的主要因素。

２．４冲刷与振动
冲刷和振动将加速结构和材料破坏、磨损、失稳和引起砂土地基的液化。

由于水闸上下游水位的变幅相对较大，过闸水流的流态往往多种多样，从孔流到堰流、从自由出流到淹没出流都可能出现。

闸门全开和上下游水位差很小时，容易产生波状水跃。

水闸宽度一般较河道窄，如果布置和运行不当，容易产生较大范围的回流区，甚至形成折冲水流，从而对下游河床及岸坡造成严重冲刷。

文献［５］总结分析国内外某些低水头弧形闸门的失事破坏情况，并根据弧形闸门的结构特点，指出在振动荷载作用下，弧形闸门的支臂丧失稳定性是大多数失事闸门因振动而破坏的主要原因。

２．５机电设备和设施可靠性
机电设备和设施的可靠性包括电源和电机备用情况、电缆线路的可靠性、机械和活动部件的灵活性等。

机电设施的可靠性对闸门正常启闭非常重要，如汛期闸门不能开启将导致严重后果。

３监测项目的设置及需要注意的问题
３．１风险分析
各种危及水闸可靠性的不确定因素作用下，水闸失事的总概率及其与失事损失的乘积即为工程风险［６－７］。

为简单起见，也可以参照国际大坝委员会第４１期会刊推荐的风险度方法［１］进行风险评估。

由总体风险确定监测系统工程的投资规模，再根据单项风险（如特大洪水风险、渗透变形风险、地基变形风险等）的概率大小、相关性分析和敏感性排序确定监测项目、测点布置和仪器选型，同时也可针对最大风险的性质、作用部位及特征反应量进行重点监测，如某水闸经过风险分析后发现最大单项风险
是特大洪水风险，那么它的重要监测项目应该是环境量监测，特别是上下游水文资料和及时准确的水文预报。

如果是渗透变形风险最大，那么它的监测重点应该是渗流监测，特别是渗流压力、水力坡降和接触土压力等。

当然，最简单确定监测项目的方法是直接根据规范中［２］确定工程等级进行，具体操作可参照文献［１］附录Ａ。

３．２监测项目
一般性观测项目包括水位、流量、沉降、水平位移、扬压力、闸下流态、冲刷、淤积等。

专门性观测项目主要有永久缝、结构应力、地基反力、墙后土压力、冰凌等。

对沿海地区或附近有污染源的水闸，还应该经常检查混凝土碳化和钢结构锈蚀情况［２］。

本文将水闸可靠性监测分成人工巡视检查和仪器监测两个部分。

３．２．１人工巡视检查
所有水闸都应该进行人工巡视检查，特别是在汛期和特殊工况的情况下。

水闸人工巡视检查应该注重如下几个方面［８－１１］：（１）流态和冲刷；（２）混凝土老化与钢筋锈蚀；（３）裂缝形态与分布；（４）闸门等金属结构变形与锈蚀；；（５）过流部位的冲磨与空蚀；（６）止水、防渗与排水结构老化；（７）门槽磨损与漏水；（８）闸门启闭运行平稳性与限位精度；（９）电机、电源设施及供电线路可靠性及备用；（１０）监测、照明与交通设施的有效性和保护等；（１１）针对寒冷、高温和地震等特殊情况下保证机电设备和闸门正常启闭的有关设施及有效性。

３．２．２仪器监测
３．２．２．１环境量
环境量监测主要包括上下游水位、流态、气（水）温、流量、风向风速、降雨、淤积、冰凌等监测。

水闸上下游水深包括静水深、动水位、消能水深和岸（翼）墙前水深，因此对水深监测需要设置多个测点。

实际上，对重要水闸的水位测量应该为上游、下游的水面测量，这样更能全面掌握水流和水位状况，为流量、流速、流态等相关监测收集相关资料。

如在空气或水中存在严重侵蚀混凝土和钢结构的相关成份，应该进行大气质量和水质监测。

对于承受风荷载比较大的水闸应该设置风向风速监测项目。

３．２．２．２变形
变形监测包括沉降、水平位移、倾斜、裂（接）缝和特殊结构的变位监测。

其中沉降主要是底板、闸墩和岸（导）墙的沉降监测，水平位移主要是闸墩顺河向位移监测，横、纵向倾斜监测可以和沉降、水平位移监测相互校核。

接缝主要是指闸墩和底板分缝。

变位监测主要是指关键受力部位的变形和活动部件与闸室之间的相对变位。

变形监测要注意如下几个问题：（１）闸门和支撑受力及活动部件的结构变形和复位监测，如支座牛腿变形、钢闸门复位、闸面板变形、梁弯曲变形等监测应该得到重视；（２）岸（翼）墙的变形监测常被忽视，实际上对于高岸（翼）墙，特别是下游岸（翼）墙，在绕闸渗流和土压力的作用下，经常容易出现变形，因此对其进行监测非常必要。

３．２．２．３渗流
渗流监测主要包括闸底板扬压力、渗透压力和绕闸渗流（地下水位）监测。

考虑到滞后因素，对于闸底板、消能防冲底板和挡土墙后渗透水压力监测推荐采用埋设渗压计的方式进行监测，而且最好渗压计与土压力计配套使用，以监测接触冲刷、底板脱空以及接触土压力等物理量，同时也便于资料分析。

另外，对于底板渗压不仅要监测其静压力，同时也要监测其（脉）动压力［１２］。

粘土地基监测重点是铺盖和排水效果，砂土地基监测重点是监测板桩前后渗压变化、计算水力坡降和监测板桩变形，粉砂地基监测重点是地基液化情况。

３．２．２．４（应）力和温度
应力监测主要包括关键部位应力（包括钢筋应力、混凝土应力、闸门转轴支撑位应力和启闭（应）力）、地基反力、岸（翼）墙后土压力、冰压力、淤泥压力等。

温度监测主要针对闸墩和底板内比较厚实混凝土或基础进行，因为其内部温度与水位或气温存在差别，这样在进行水温和气温监测的情况下，混凝土温度监测可以为变形、应力和渗流分析提供资料。

３．２．２．５动态响应
结构振动固有频率与动态响应是结构的固有特征，当结构性态发生变化时，其动态响应也将发生相应变化。

由于损伤位置、程度对结构频率、位移模态、应变模态的影响具有一般规律，可将频率响应、应变模态和位移模态相结合用于结构的损伤诊断。

动态监测包括动水压力监测、波浪压力监测、结构振动频率、振幅与加速度监测、动位移（应变）和沙土液化监测等。

具体监测部位包括交通桥、闸门、支撑梁、导墙、开关站等易产生振动的部位和混凝土与沙土接触部位。

监测仪器和监测方法包括加
速度计、拾振器、测振仪和声发射监测等。

在该方面地震监测应根据风险分析结果或参照上文１．２．２说明进行，一般情况下对地震烈度６级以上地区的１级水闸应进行地震监测。

３．２．２．６其它
其他监测包括电源电压、电流和电阻等电力量的监测和液压压强等监测，它是分析电机等机械设备工作状况的重要物理量，尤其对闸门卡死、超过限位等十分有用。

另外空蚀、通气量和掺气浓度等也可根据实际情况加以设置。

汽车等特殊间断荷载的监测可以通过视频、测载重量等方法进行监测。

３．３监测中的几个问题
（１）流态监测问题目前主要是通过人工监测加以解决，表面流态可以通过视频摄影的方式加以解决。

对于渗流监测仪器和监测方法要充分考虑到不稳定渗流的影响，因此对于监测仪器要求其响应速度快、不能出现滞后。

（２）水闸的振动是水闸工作状态下的基本特征，振动将给变形、渗流和应力应变监测带来许多问题，特别是仪器的响应速度问题和资料分析方法问题。

例如振动变形监测可以选用ＣＣＤ监测仪器，ＣＣＤ仪器可以通过模糊理论的图像处理及中心值的获取技术消除振动的影响。

对于内部埋设仪器，其动态特征应该在允许范围内。

振动资料的分析技术目前可以借助于小波分析和频谱分析的方法进行。

由于结构特性的变化，其动态特性也会发生变化，小波分析能精细到任意细节，因此对发现问题比较有效。

（３）在大坝等大体积混凝土中应力监测主要采用应变计组的方式进行监测，由于应变计的几何尺寸加上无应力计之间的距离，如果要满足“点”应变平衡假设，需要混凝土具有一定的体积。

实际上在水闸结构中，大尺寸的混凝土比较少，因此只能选取一些应力方向明确的部位，按平面问题或单向问题处理。

空间应力的监测涉及仪器尺寸与骨料尺寸的匹配、弹性模量的匹配和应变平衡假设等问题，光纤应变计能否满足这一要求还需要模型加数值计算的校核。

（４）目前监测技术主要还是通过监测一些反映性态变化的物理量来分析结构性态是否发生变化，对于结构功能如排水孔、止水、反滤结构的实际效能、桩基的作用和效果等的直接监测尚缺乏有效手段。

（５）由于水闸结构的单薄，同时其所处的位置比较开阔，甚至面临台风等威胁，因此风浪潮水及其对结构和外部监测设施的影响在监测设计和施工中必须考虑，如在沿海水闸闸顶位移监测中，当采用引张线的方式时，引张线保护管就应该采取保护措施。

（６）水质和空气成分对水闸结构的影响，特别是对混凝土老化和金属结构的腐蚀尚缺乏明显的函数关系，因此这给资料分析和结构寿命预测带来了困难。

同时，混凝土碳化、钢筋锈蚀程度、沙土液化等也缺乏有效简洁的监测方法，尤其是自动监测方法，在这方面还有许多问题需要研究。

４可靠性指标与可靠性评价
４．１可靠性指标
水闸可靠性（Ｒ）包括安全性、适用性和耐久性三个方面。

由于水闸承受的荷载当中，如风荷载、波浪、汽车冲击等许多荷载都具有随机性，因此采用常规的基于确定性的时空分析、物理力学规律分析、监控指标和监控模型分析的安全评价方法近似性比较大，因此本文安全性指标（ＳＩ）采用结构体系可靠度（Ｐｒ）来表示，适用性指标（ＡＩ）采取能正常使用的功能占整个应该实现功能的比例（％）来表示，耐久性指标（ＤＩ）可以用采用寿命预测的方法来计算。

为便于评估指标之间的统一，本文定义耐久性指标为：结构体系的耐久性等于其剩余寿命（年）与设计基准期（年）的比值（％）。

即：
Ｒ＝Ｐｒ＋ＡＩ＋ＤＩ
４．２可靠性评价
水闸的可靠性包括建筑结构的可靠性和机电设备及相关设施的可靠性。

虽然两者的物理本质存在明显区别，但是数学分析方法基本相同。

４．２．１安全性评价
安全性评价主要指水闸结构及其地基在环境和荷载作用下的安全性。

水闸安全性评价实际上是一个结构体系的动力疲劳可靠性问题，在这方面已经有专门的论述［１３－１７］。

在评价过程中，安全监测可以发挥如下作用：
（１）通过监测系统，特别是自动监测系统，可以高频次获取更多荷载样本和（或反演）抗力（及材料参数）样本，在此基础上应用数理统计即可获得荷载和抗力的随机分布及其特征变量，分析变量之间的相关性。

（２）通过不同的监测项目和测点掌握结构的薄弱环节和机构出现的主要形式，为结构体系的可靠度分析奠定基础。

４．２．２适用性评价
适用性评价主要根据结构设计、地基处理和防渗设计检查各部分的功能，依据文献［８－１１］检查了解机电设备等的功能和技术指标，在此基础上：
（１）列出水闸主要功能结构（如防渗、抗滑、排水等）和机械电器设备（启动、关闭、定位、绝缘、漏电保护、电机备用等）的主要电器功能。

（２）逐项考核每一个功能的实现情况。

（３）计算能正常实现的功能与应该实现功能项数之比，即可得到结构适用性指标。

当然对于主要功能可以通过给予较大权重以体现其重要性。

４．２．３耐久性评价
耐久性评价主要利用监测资料建立如下模型［１７－１９］：
（１）在建立混凝土抗渗、抗冻、抗冲磨、抗汽蚀、抗碳化、抗氯离子和抗化学侵蚀及其预测模型的基础上，综合得出混凝土老化预测模型。

（２）混凝土中钢筋锈蚀预测模型，分析钢筋锈蚀对钢筋混凝土力学性能的影响，在此基础上得出钢筋混凝土损伤预测模型。

（３）钢结构或其他材料闸门的老化预测模型。

（４）模型相关性分析和最终模型选择。

（５）监测效应量中不可逆成分预测模型。

在上述模型的基础上，通过分析结构体系的抗力逐步衰减、损伤逐步增大的情况下的疲劳损伤可靠度，当整体可靠度低于某指标时，即可得到水闸寿命预测模型。

５结论和建议
水闸可靠性包括安全性、适用性和耐久性，安全是前提，适用性是目的，耐久性是要求。

当然对水闸可靠性做出客观实际的评价还离不开检测（包括回弹、超声波、ＣＴ、碳化深度、钢筋锈蚀等）资料和对管理方面的评价，这方面需要借助风险分析的理论和方法。

由于影响水闸可靠性的不确定性因素较多，因此还有许多工作要做，为此提出如下建议：（１）尽快编制《水闸安全监测技术规范》，按风险大小或工程等级确定监测项目、测点布置和监测方法。

（２）尽快编制《水闸监测资料整编和可靠性评价规程》，按风险大小，采取不同的资料分析和评价方法。

（３）开展新型监测方法研究和水闸风险分析研究，提高水闸风险管理水平。

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收稿日期：２００５－１２－０８
作者简介：方卫华（１９７２－），男，安徽安庆人，工程师，从事水工建筑物安全监测与评价工作。