水闸工程老化病害检测评估及基于 BIM 的加固方案设计

一、引言

水闸在水利活动中至关重要，是维护区域水安全和经济社会发展的基础设施。但许多水闸因长期使用和环境影响出现老化问题，这不仅影响效率，还可能造成安全事故。因此，检测评估水闸老化并制定加固方案非常重要。建筑信息模型（BIM）技术的引入，以其三维可视化和信息集成的优势，为水闸加固设计提供了新方法，提高了设计的精准度和效率。

二、水闸工程常见老化病害类型

2.1 混凝土结构病害

水闸的闸室、闸墩、翼墙等多为混凝土结构，常见的老化病害包括混凝土裂缝、剥落、破损、碳化等。混凝土裂缝可能因温度变化、基础不均匀沉降、结构受力不均等因素产生；剥落和破损多由水流冲刷、冻融循环、化学侵蚀引起；碳化会降低混凝土的碱性，削弱钢筋的保护作用，加速钢筋锈蚀 。

2.2 金属结构病害

水闸的闸门、启闭机等金属结构容易出现锈蚀、磨损、变形等问题。长期处于潮湿的水环境中，金属构件表面发生氧化反应，导致锈蚀；频繁的启闭操作会造成闸门轨道、滚轮等部件磨损；外力作用或制造安装缺陷可能引起金属结构变形，影响闸门的正常启闭和止水效果。

2.3 地基与基础病害

地基沉降、渗透破坏是水闸地基与基础常见的老化病害。地基土的压缩性、承载力不足，或受水流渗透影响，可能导致地基不均匀沉降，使闸室倾斜、开裂；渗透破坏包括管涌、流土等，会削弱地基的稳定性，严重时可能引发水闸整体失稳。

2.4 止水设施病害

止水设施老化、失效会导致闸室漏水，降低水闸的挡水性能。止水橡皮老化变硬、撕裂，止水铜片锈蚀、变形，以及止水缝填充材料脱落等问题，均会使止水效果下降，增加工程安全隐患。

三、水闸工程老化病害检测评估方法

3.1 外观检查

外观检查是最基本的检测方法，通过目视、工具量测等方式，对水闸的混凝土结构、金属结构、止水设施等进行全面检查，记录裂缝、剥落、锈蚀、变形等病害的位置、形态、尺寸等信息。外观检查简单直观，但对于隐蔽部位的病害难以发现。

3.2 无损检测技术

混凝土强度检测：采用回弹法、超声回弹综合法、钻芯法等检测混凝土强度。回弹法通过测量混凝土表面回弹值推算强度；超声回弹综合法结合超声声速和回弹值，提高检测准确性；钻芯法直接取芯样进行抗压试验，结果最为准确，但属于局部破损检测。

钢筋锈蚀检测：利用钢筋锈蚀检测仪，通过测量钢筋的电位、电阻等参数，判断钢筋的锈蚀程度和范围。

内部缺陷检测：运用超声波探伤、地质雷达等技术，检测混凝土结构内部的空洞、疏松、裂缝延伸等缺陷。超声波探伤通过分析超声波在混凝土中的传播速度、波形等参数判断缺陷；地质雷达利用电磁波反射原理，探测结构内部的异常情况。

3.3 结构安全监测

在水闸关键部位安装位移传感器、应力应变传感器、渗压计等监测设备，实时监测水闸在运行过程中的位移、应力、渗流等数据。通过对监测数据的分析，评估水闸结构的安全状态，预测病害发展趋势，为加固决策提供依据。

3.4 老化病害评估

根据检测结果，依据相关规范和标准，对水闸老化病害的严重程度进行评估。综合考虑病害类型、数量、发展趋势、对结构安全和功能的影响等因素，将水闸老化病害分为不同等级，如轻微、中等、严重，为制定合理的加固方案提供参考。

四、基于 BIM 的水闸加固方案设计

4.1 BIM 技术概述

BIM 技术是一种基于数字化三维模型的集成化管理技术，它将建筑工

程的各种信息集成到三维模型中，实现对工程全生命周期的可视化管理。在水闸加固方案设计中，BIM 技术能够整合水闸的几何信息、材料信息、结构信息、施工信息等，为设计人员提供全面、准确的数据支持。

4.2 应用流程

数据采集与模型建立：通过现场测量、无损检测、图纸资料收集等方式获取水闸的相关数据，利用 BIM 软件建立水闸的三维模型。模型应准确反映水闸的现状，包括老化病害部位和程度。

方案设计与优化：设计人员基于 BIM 模型，进行加固方案的初步设计，如混凝土补强、金属结构更换、地基处理等。利用 BIM 的可视化功能，对加固方案进行模拟分析，检查加固措施的可行性和合理性，优化设计方案，避免设计冲突和错误。

施工模拟与进度管理：利用 BIM 技术对加固施工过程进行模拟，制定合理的施工顺序和进度计划。通过施工模拟，提前发现施工中可能出现的问题，如施工空间冲突、工序不合理等，及时调整施工方案，确保施工顺利进行。

信息集成与协同管理：在加固设计和施工过程中，各参与方通过 BIM平台实现信息共享和协同工作。设计人员、施工人员、监理人员等可以随时查看水闸模型和相关信息，及时沟通交流，提高工作效率和质量。

4.3 应用优势

可视化设计：BIM 技术的三维可视化功能使设计人员能够直观地展示水闸的现状和加固方案，便于与业主、施工单位等进行沟通和交流，提高决策效率。

精准性与高效性：BIM 模型集成了水闸的详细信息，设计人员可以准确地进行结构分析和计算，避免因信息不准确导致的设计错误。同时，利用 BIM 软件的自动化功能，能够快速生成施工图纸和工程量清单，提高设计效率。

全生命周期管理：基于 BIM 的水闸加固方案设计，实现了从设计、施工到运营维护的全生命周期信息管理。在水闸运营阶段，可利用 BIM 模型进行病害监测和维护管理，为水闸的长期安全运行提供保障。

五、实际案例分析

5.1 工程概况

该水闸建于80 年代，现出现老化病害。混凝土裂缝剥落，钢筋锈蚀；金属结构严重锈蚀，启闭困难；地基沉降，闸室倾斜；止水设施失效，漏水严重。

5.2 检测评估与加固设计

通过外观检查、无损检测、结构安全监测等方法评估水闸，确定病害等级。利用BIM 技术建立三维模型，设计加固方案。对混凝土结构病害进行喷射混凝土、粘贴碳纤维布补强；金属结构除锈防腐，更换磨损部件；地基注浆加固；更换止水设施，确保止水效果。使用BIM 技术模拟加固施工，优化方案和进度。

5.3 应用效果

通过基于 BIM 的加固方案设计与实施，该水闸的老化病害得到有效治理，结构安全性能显著提升，运行效率恢复正常BIM 技术的应用提升了设计与施工的沟通效率，减少了变更和错误，缩短了工期，降低了成本，实现了良好的经济和社会效益。

六、结论

水闸工程老化病害检测评估是制定合理加固方案的前提，基于 BIM的加固方案设计为水闸老化病害治理提供了先进的技术手段。在未来水闸工程维护与改造中，应进一步推广 BIM 技术的应用，不断完善检测评估方法和加固技术，保障水闸工程长期安全稳定运行。

参考文献

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