南四湖二級壩除險加固工程關鍵技術實踐應用

周守朋

（沂沭泗水利管理局防汛機動搶險隊 徐州 221018）

1958年興建的二級壩樞紐將南四湖分為上、下級湖，并與多年陸續建設成的湖東、湖西大堤連接，分別形成上、下級湖防洪圈圍。二級壩樞紐工程屬大（1）型工程，設計洪水標準為50年一遇，其主要建筑物攔湖土壩、穿壩建筑物等均為1 級建筑物，壩頂公路為二級公路標準，溢流壩交通橋和一閘交通橋荷載設計標準采用公路-Ⅰ級。

1 工程除險加固設計

1.1 工程存在的問題

南四湖二級壩攔湖土壩始建于20 世紀50年代末，由于受條件限制，雖經多次加固，至今仍存在許多質量問題，長期以來土壩一直帶病運行。主要存在以下問題：現有壩頂高程不滿足規范要求；大壩工程簡陋，老化失修嚴重，上、下游大部分無護坡，局部護坡已遭損壞，局部壩段上游坡較陡；溢流壩堰頂因兼作交通道路，面層混凝土開裂、露石、下沉等現象嚴重，護坡、下游漿砌石消力池破損嚴重，溢流壩泄洪時存在嚴重安全隱患；樞紐工程的管理范圍未經確權劃界，運行管理狀況較差，壩體大量被違建房、碼頭等占用；缺少安全監測設施，屬三類壩。

1.2 工程加固內容

根據工程實際，南四湖二級壩除險加固工程的建設內容：（1）結合壩頂加高的道路翻修整治，新建瀝青混凝土道路；（2）對原8 條上壩道路進行改建；（3）對壩坡采用混凝土砌塊及框格草皮護砌進行防護；（4）維持原溢流壩規模，拆除重建溢流壩堰頂、護坡及消力池，同時，在堰頂上方新建公路橋，使溢流和壩頂交通分開；（5）拆除重建一閘交通橋板；（6）對一閘自動化系統和電氣設備、管理局監控系統和供配電系統、通信系統進行更新改造，增設攔湖土壩安全監測設施。

2 工程加固關鍵技術實踐

2.1 施工交通導行

二級壩壩頂道路為國道518 公路的一段，是連接南四湖湖東、湖西的唯一通道和蘇魯兩省的重要交通要道，交通繁忙，工程附近煤碼頭眾多，超載重型車輛多，施工中難以中斷交通，交通車輛對施工干擾大，交通管理任務重，因此工程施工交通導行是本工程實施的難點和關鍵。初步設計提出根據各壩段地形條件布置臨時交通道路：溢流壩段結合上游圍堰在堰頂修建臨時道路，土壩段緊靠大壩上下游湖側壩腳布置臨時交通道路。以上臨時道路布置方案主要存在以下問題：溢流壩段采用上游圍堰堰頂兼作臨時道路，圍堰填筑量大，需要土方多，本工程土方奇缺，代價高，超載重型車輛多，水下填土不密實，后期維護量大；同時更為重要的是臨時交通要穿過當地濕地公園，補償費用高、協調難度大，嚴重影響臨時道路開通時間；其他壩段在壩腳布置臨時交通道路，地面附著物多，地下水位高，路基難以處理。

根據工程實際情況，本工程對臨時施工道路進行了優化。一是溢流壩段利用原下游漿砌石護坡較緩，基礎較好，兩側可以直接銜接壩頂道路特點，在下游護坡上作臨時交通道路，待溢流壩交通橋通車后再對溢流壩護坡進行拆除重建；此方案不但可解決路基問題，減少了后期臨時道路的維護，更為重要的是大大提前了臨時道路的通車時間，為后續工程實施提供了有利條件。二是壩頂加高段，根據工程進展和現場條件合理安排工期，分段施工，分段導行，保證未實施段道路暢通，實施壩段將臨時導行道路設在原壩頂道路兩側，地面附著物少，基礎較好，易于實施，兩側均單向能行，可以保證道路基本暢通；同時和公安交警部門加強溝通，對施工導行路段加強交通疏導，必要時采取限行、禁行措施。

2.2 壩頂道路結構層設計

由于二級壩壩頂道路為國道518 公路的一段，交通繁忙，超載重型車輛多，路面結構設計基本原則為：（1）具有一定的高溫穩定性；（2）具有一定的低溫抗裂性；（3）具有一定的水穩定性；（4）具有一定的抗疲勞性能；（5）具有一定的抗老化性能；（6）具有一定的適應路基變形能力。結合以往工程經驗和二級壩壩頂交通的實際狀況，考慮維修方便和整體環境美觀，南四湖二級壩攔湖土壩壩頂公路采用瀝青混凝土路面結構，特點是：（1）表面平整、無接縫、行車舒適、耐磨、震動小、噪音低；（2）施工工期短、養護維修簡便、適宜于分期修建?？紤]到二級壩攔湖土壩現狀壩頂路面路基厚度為0.6m左右，壩頂公路下土層：第0 層人工填土，為粘土、粉質粘土，可塑狀態為主，局部軟塑或硬塑狀態，中等壓縮性土，含水率為31.2%；第①層粘土，軟塑至可塑狀態，為中、高壓縮性土，含水率40.5%。路基下土層含水率高，采用沖擊碾壓技術對原有道路進行處理時易導致土層成為“橡皮土”，新修建道路后期運行時容易損毀。因此本工程采用挖除現狀壩頂路面、回填石灰土做路床的方式。通過路床結構采用水泥土回填、路面結構采用水泥穩定碎石基層和瀝青混凝土結構，較好地解決了水利工程壩頂道路兼作交通公路標準低、已損壞等問題。

2.3 商品混凝土應用

本工程位于南四湖保護核心區，又是南水北調輸水干線所在地，現場建設混凝土攪拌系統，生態和環境保護都不允許，本工程所需混凝土約3.7 萬m3，須采用商品混凝土。二級壩樞紐周邊廠家生產的商品混凝土多用于房屋建筑工程，和水工混凝土有一定區別，為此建設各方通過多方案比較，決定采用生產廠家代加工工程所需混凝土；通過多方考察，選用規模滿足需求、信譽良好、質量保證體系完善、距離工地現場較近的廠家為工程提供所需混凝土。為保證本工程所需混凝土質量滿足規范和設計要求，采取以下措施：一是單獨一條生產線專供二級壩工地，以保證生產的混凝土數量和質量滿足要求；二是混凝土配合比由具有水利工程檢測資質的機構提供；三是生產混凝土所需的原材料如砂、石子、水泥以及外加劑單獨采購、分開存放，確保使用的原材料滿足要求；四是監理工程師駐廠現場監理，對混凝土生產全過程進行控制。通過對混凝土配合比、原材料嚴格把關，對混凝土生產進行了全過程控制，保證了混凝土的質量，混凝土質量合格率100%。本工程雖然名義上為購買的商品混凝土，實際上對混凝土生產進行了全過程控制，不但保證了水工混凝土的質量和工程的進度，而且對生態、環境的影響降到最小。

2.4 一閘交通橋板拆除安裝

南四湖二級壩樞紐第一節制閘交通橋建于二十世紀五十年代，閘墩（橋墩）為漿砌石結構，橋板為整體現澆，交通橋下為閘室和消力池，水深約3m。橋下沒有通道和工作場地，拆除、安裝交通橋板工作面狹??；另外交通橋上游緊臨啟閉機房排架柱，架橋機無法安裝，施工難度很大。通過多方案論證咨詢，充分研討，優化施工組織，攻克了一閘交通橋板更換工程施工難題。主要采取了以下措施：一是因橋板下是漿砌石閘墩，為防止擾動閘墩，橋板不能采用機械破碎，只能吊裝拆除，原交通橋面寬僅為6.7m，橋面不能布置大型吊裝設備，因此采用對原交通橋板分割后吊裝拆除，分割采用繩鋸和圓盤鋸相結合方式進行，拆除吊裝在原交通橋上從一側邊退邊拆依次進行；二是橋板拆除后在橋墩上搭設鋼便橋施工通道，鋼便橋寬度、高度既要滿足施工通行的需要，又不能影響下部蓋梁的施工；三是在原閘墩上澆筑蓋梁兩側模板架設、固定困難，如順著閘墩從下往上架設腳手架，在近3m 深的水中搭設約8m 高的腳手架，不但成本高，工期長，安全也難以保證，通過不斷試驗和摸索，利用鋼筋加工扁擔梁，在下部支撐蓋梁兩側模板，同時采用對拉螺栓固定，不但節約了成本還加快了施工進度；四是在墊石施工中引進新型砂漿材料（RD-GM342）支座灌漿料，在滿足設計強度的前提下，大大加快了施工進度；五是橋板預制摒棄了傳統的氣囊作胎模，采用了PC 管作胎模，解決了氣囊上浮混凝土保護層不好控制，原氣囊胎模拆模時間不好掌控，拆模早了對混凝土有擾動影響等問題；同時橋板可以一次成型不用二次封端，保證了一二期混凝土的結合，縮短了工期。

2.5 橋梁動載健康診斷信息系統研發

新建的溢流壩交通橋是國道518 的組成部分，為了避免重載、超載車輛對交通橋造成結構性破壞，出現較大的安全事故，造成較大的經濟損失，本工程建設了一套完整的橋梁健康診斷體系，系統主要包括橋面通行車輛荷載、橋梁內部應力監測、外部撓度監測以及橋梁動載健康診斷軟件。通過智能動態監測，獲取實時監測數據并存儲，再通過軟件進行統計分析和發布預警，能夠便捷高效地展示橋梁健康成果。監測項目一是內部應力、應變監測：在第一跨5 片橋板中埋設4 只振弦式鋼筋應力傳感器，其中混凝土空心板底部受拉區埋設2 只，上部受壓區埋設2 只，監測橋板預制完成到通車運行后的內應力變化；在第一跨5 片梁上部混凝土鋪裝層跨中位置埋設振弦式鋼筋應力傳感器，監測橋梁二期恒載加載及通車運行后的內應力變化；二是表面應變監測：溢流壩交通橋通車運行后，在第一跨橋板下部跨中位置安裝電阻式表面式應變計，用于監測通車后加載動載荷后橋板表面應力變化，用于同內部應變對比分析；三是橋板撓度監測：在第一跨每片橋板下部安裝直線位移計，用于實時監測橋板撓度變化，在成橋狀態下監測橋板的形變，并通過靜態、動態荷載條件下橋板撓度值的變化，來反映運行狀態下橋梁的整體性能；四是荷載監測：溢流壩交通橋東端連接道路上布設固定式軸重稱來獲取整車重量，通過高精度合金鋼橋式稱重傳感器，把收集到的信號進行動態數據處理，顯示整車的重量，并向計算機上傳實時數據；五是數據讀取與分析：把應力應變、撓度、荷載數據通過遠程數據采集器傳輸至監控中心服務器上，再通過新開發的“橋梁動載健康診斷信息系統軟件”將采集的數據進行分類統計和分析展示，并設置預警閾值，達到設計閾值報警。

在溢流壩交通橋設置“車輛超載智能監測預警系統”，實時記錄超載車輛重量、通過時間和對應橋板撓度，對運行超警戒值及時預警，為保證工程安全運行實現了突破和創新。

2.6 自動化整合

二級壩水利樞紐工程包括四座大型水閘、一座溢流壩、兩座船閘、一座泵站以及其他配套設施。隨著新時期治水思路的轉變，對水利工程的管理和運維提出了更高的要求，水利信息化逐漸成為工程建設與管理過程中的短板，現有的工程管理信息化存在諸多問題：（1）業務支撐水平不高，新技術應用少；（2）管理手段較為傳統和粗放；（3）數據共享整合不足，防汛抗旱、工程管理、水行政執法和水資源管理數據各自獨立，信息共享困難，服務能力不足；（4）信息上傳下達途徑不暢，公文流轉還依靠紙質文件；（5）硬件優于軟件，軟件建設水平較低，制約了現有硬件水平充分發揮。

針對二級壩樞紐已有自動化系統和應用系統存在的問題，應對整個自動化進行整合。一是建設二級壩樞紐監控中心自動化系統，系統采用二級控制方式：監控中心遠程控制方式、閘站現地集中控制方式；二是建設二級壩樞紐視頻監視系統，將以前多期建設的視頻監視系統進行整合，并補充部分視頻監視設備，實現遠程/現地二級對閘站的上下游、控制室、設備運行狀況，以及堤防險情或涉水違法事項等進行全方位實時視頻監視。三是建設工程管理系統，本系統利用硬件、網絡、系統軟件以及OS等設施，采集工程的業務數據、基礎數據、事件數據、接口數據等，通過統一的信息資源平臺和應用系統建立工程建設管理、工程運維管理和協同辦公三個大的功能模塊，每個功能模塊又包含若干個小的功能模塊，解決用戶各單位業務橫向貫通難的問題。為項目法人、建管單位、設計單位、監理單位、施工單位、其他單位和管理單位等用戶服務，以權限服務控制，為不同的管理人員提供不同的服務。

本工程的自動化整合實現了“一個平臺、聯動共享、實時共享、科學管理”的目標，整合后的自動化系統支持多技術的兼容與擴展，支持多系統的無縫接入。

3 結語

南四湖二級壩除險加固工程參建單位踐行新時代水利精神，超前謀劃、攻堅克難、精心組織、勇于創新，克服了壩頂道路交通通行壓力大、商品混凝土質量把控難、施工組織安排復雜、施工方案變化因素多、電氣自動化整合難度高等困難，實現了多項關鍵技術的突破，確保了工程建設進展順利。本文淺述了南四湖二級壩除險加固工程關鍵技術實踐應用，以期為其他水利工程建設提供一定參考和借鑒■。