探讨沿海水闸病害特征及监测技术

摘要：沿海水闸因为受到海洋环境、水力作用以及长期服役的影响，典型病害表现出多源性与复杂性的特点，结构病害主要有混凝土氯盐侵蚀、钢筋锈胀开裂、基础不均匀沉降以及接缝止水失效等情况，对结构整体稳定性造成威胁，水力与环境病害包含潮汐冲刷淘空、海生物附着腐蚀、风暴潮超载破坏以及泥沙淤积阻水等问题，加剧了水闸功能的退化，运行管理病害体现为设备老化失修、维护滞后以及超期服役所引发的性能衰减现象，针对这些病害特征，监测技术体系包含传统检测（例如裂缝测量、应变监测）、智能感知（例如分布式光纤、无人机巡检、声发射诊断）以及新兴技术融合（例如物联网+AI预警、数字孪生模拟）等内容，通过多尺度数据融合与智能分析，能够实现病害精准识别与全周期风险管控，为沿海工程安全运行提供技术方面的支撑。

关键词：沿海水闸；病害特征；监测技术

沿海水闸是沿海防洪（潮）体系核心枢纽，承担抵御风暴潮侵袭等多重功能，是保障沿海经济社会稳定发展关键基础设施，但在全球气候变化背景下，极端气候事件频发、海平面加速上升等多物理场耦合作用加剧，致使水闸结构出现混凝土劣化等隐蔽性病害，累积效应或引发结构失稳甚至溃决风险，开展病害动态监测与预防性维护研究，是突破传统“事后抢修”被动模式、实现水闸全寿命周期健康管理必然选择，对保障沿海城市群防洪安全、维护海洋经济带可持续发展有重大战略价值。

1沿海水闸典型病害特征分析

1.1结构病害

沿海水闸结构病害有着多源耦合、渐进累积的特性，核心表现为混凝土材料劣化、基础失稳和接缝密封体系失效，混凝土劣化是沿海水闸结构退化的首要诱因，氯离子经混凝土孔隙渗透到钢筋表面，破坏钝化膜引发电化学锈蚀反应，锈胀产物体积膨胀致使混凝土保护层开裂、剥离，裂缝扩展进一步加速氯盐侵蚀速率，形成“腐蚀-开裂”恶性循环，同时大气二氧化碳扩散引发的混凝土碳化使pH值降低，加剧钢筋锈蚀风险，潮汐区干湿交替与冻融循环产生的温度应力，导致混凝土内部微裂纹扩展、骨料-浆体界面黏结失效，形成宏观可见贯通裂缝显著降低结构承载力，基础沉降与不均匀变形是威胁水闸整体稳定性的关键因素，软土地基在长期波浪荷载、自重压力及渗流作用下孔隙水压力消散，易引发固结沉降，极端潮汐导致的局部冲刷淘空或地震液化，可能造成基础悬空、桩基倾斜，诱发闸室结构整体偏移或错台严重破坏水闸受力平衡体系，接缝与止水系统失效表现为伸缩缝止水结构退化，橡胶止水带因长期紫外线老化、机械磨损及海水腐蚀发生硬化脆裂，混凝土接缝面因温差变形、地基不均匀沉降产生错位，导致渗漏通道形成加剧内部钢筋锈蚀与基础淘蚀，形成结构耐久性劣化的次生诱因，这三类病害相互关联共同加速水闸结构性能退化[1]。

1.2水力与环境病害

沿海水闸水力与环境病害具备多尺度高动态交互特征，核心机制包含水力冲淤失衡、环境腐蚀-生物协同侵蚀以及极端荷载冲击效应，冲刷和淤积作为水闸水力病害的直接表现，潮流与波浪于闸室及上下游引河区域形成复杂紊流场，强紊动剪切力致使闸底板表面粗骨料暴露、保护层剥落，长期冲刷会形成局部深坑或掏空区破坏结构抗浮稳定性，闸前海域因流速降低、泥沙沉降产生淤积，造成过流断面缩减、壅水高度增加，加剧上下游水位差引发闸门启闭力超限或结构偏心受压，盐碱化与生物侵蚀体现为海水环境对金属结构的复合作用，高浓度氯离子经电化学迁移穿透防腐涂层，在金属基体表面形成微电池反应导致不锈钢钝化膜破坏、碳钢锈蚀产物堆积，海洋微生物（如硫酸盐还原菌）通过代谢活动加速腐蚀进程，其分泌胞外聚合物与腐蚀产物形成生物膜进一步阻碍涂层附着力并加剧局部腐蚀，藤壶、牡蛎等硬壳生物附着增加结构表面粗糙度诱发涡激振动与局部应力集中[2]。海啸和风暴潮冲击属于极端环境荷载情况，其瞬时超压能达到数十kPa至百kPa量级，浪涌冲击力会引发结构超载问题，致使胸墙出现开裂、闸墩发生倾斜或者消力池底板被掀起，同时水体裹挟着像树木、集装箱这类漂浮物，会对门叶、拍门等过流部件造成撞击损伤，造成塑性变形甚至导致构件脱落现象，这三类病害在时空尺度方面相互耦合起来，共同构成对水闸安全运行的重大威胁。

1.3运行管理病害

沿海水闸运行管理病害有着系统性和累积性退化特征，其核心矛盾主要集中在设备性能衰减与运维资源错配，设备老化以及功能退化是机械-电气系统失效的直接表现，启闭机由于长期高频率启闭和潮湿盐雾侵蚀，使得齿轮磨损、钢丝绳锈蚀疲劳、液压系统油液乳化，其传动精度和可靠性显著下降，容易引发闸门启闭卡阻、同步偏差超限等故障，电气控制系统受电磁干扰、线路老化以及元器件过载影响，频繁出现接触器粘连、PLC模块误动作、传感器信号漂移等问题，造成自动化控制失效或者误启闭事故，同时监测设备如渗压计、位移计因标定失效或数据漂移，导致安全监测数据失真进而掩盖结构真实病害，维护不足与超期服役体现为运维投入和工程风险不匹配，日常巡检因人力不足或检测手段落后依赖目视与简单工具，难以发现混凝土内部微裂缝、金属结构局部锈坑等隐蔽缺陷，维修资金短缺使得关键部件如止水橡胶、防腐涂层无法按期更换，设备超期带病运行形成小病不治、大病难医的恶性循环，此外管理档案缺失、技术资料断层导致维修决策缺乏科学依据，抢修过程易出现备件型号不匹配、施工工艺不规范等问题，进一步加剧设备性能劣化，这两类病害在管理链条中交织传导，最终削弱水闸运行效能并放大安全风险[3]。

2沿海水闸病害监测技术体系

2.1传统监测技术

沿海水闸传统监测技术主要以人工经验和单参数测量作为核心内容，其技术体系有着点状采样和离散化分析的显著特征，表面检测依靠目视检查来识别混凝土剥落以及钢筋锈胀等宏观病害情况，同时结合裂缝宽度测量仪（例如刻度放大镜、千分表）对裂缝扩展进行量化分析，回弹仪通过锤击回弹值反演混凝土表层强度，不过受到碳化层干扰以及操作手法的影响，测量结果存在一定离散性，变形监测采用水准仪（精密几何水准）与全站仪（极坐标法）来获取结构沉降和水平位移数据，倾角仪（电解液式/MEMS传感器）用于监测闸墩和胸墙倾斜角，然而传统方法需要布设基准点并且依赖人工周期性观测，很难捕捉到瞬态变形和微小偏移现象，渗漏监测利用流量计（电磁/涡轮）对总渗水量进行量化统计，电导率仪通过水质盐度突变来定位渗漏通道，示踪剂法（荧光素/放射性同位素）用于追踪渗流路径，但是受到多孔介质复杂渗流场的影响，渗漏源定位精度有限且存在滞后问题，这三类技术虽然成熟可靠，但存在监测频次低、数据连续性差以及无法反映病害演化动态等固有局限，需要与智能监测技术进行互补应用[4]。

2.2智能监测技术

智能监测技术能为水利工程结构健康诊断提供多维度且高精度的数据支撑，分布式光纤传感（BOTDR/BOTDA）技术借助布里渊频移解析达成结构应变与温度场的连续分布式监测，其空间分辨率可达10cm，配合压电陶瓷传感器阵列能够精准捕获微裂缝（≥0.1mm）的萌生与扩展情况，无人机搭载三维激光扫描仪（精度0.1mm）与红外热像仪（热灵敏度0.03℃）可构建毫米级实景模型并识别表面剥离、渗漏等缺陷，检测效率相比人工可提升20倍，声学监测体系当中，声发射（AE）技术利用时差定位法（精度±5cm）追踪混凝土内部裂缝动态扩展过程，结合参数分析（RA值、平均频率）判别损伤模式，超声波脉冲速度（UPV）检测基于波速衰减（精度±0.1μs）评估材料劣化程度，两者协同可实现结构损伤从微观到宏观的全尺度诊断，该技术体系通过多源数据融合形成覆盖“点-线-面-体”的立体化监测网络，能为工程结构安全评估提供可靠依据[5]。

2.3新兴技术融合应用

新兴技术融合应用给水利工程安全管理提供了创新解决办法，物联网（IoT）传感器网络能实时采集水闸结构变形、渗流、应力等多元数据，这些数据通过5G传输到云平台构建起大数据仓库，再结合时间序列分析与机器学习算法建立动态预警模型，进而实现结构异常状态的早期识别，人工智能（AI）辅助诊断系统采用ResNet50、YOLOv5等深度学习架构，对裂缝、剥蚀等病害图像进行像素级分割与分类，借助迁移学习提升小样本数据的特征提取能力，结合LSTM网络构建结构性能退化预测模型且准确率可达92%以上，数字孪生技术集成BIM参数化建模与有限元仿真来构建高保真虚拟水闸模型，通过多物理场耦合分析模拟混凝土碳化、钢筋锈蚀等病害演化过程，采用强化学习算法优化维修方案决策，在使维护成本降低30%的同时延长结构寿命15%-20%，三种技术的协同应用形成了“感知-诊断-决策”的闭环管理范式，显著提升水利基础设施的智能化运维水平。

三、结论

沿海水闸病害特征存在多因素耦合情况结构退化水力冲蚀海洋腐蚀与极端荷载叠加且隐蔽性强内部钢筋锈蚀微裂缝扩展及基础淘空难以肉眼观测，传统经验式巡检难以满足风险防控需求，亟需构建监测诊断预警修复全周期管理体系以智能监测技术如光纤传感AI图像识别无人机多光谱扫描与传统方法定期探伤局部取样深度融合为突破口提升病害识别精度与预警时效性。

参考文献：

[1]华丽,杜娟.结构健康监测技术在水闸运行中的应用研究[J].工程技术研究,2025,10(05):173-175.

[2]李志军.智能监测技术在水闸施工过程中的实时监控与优化策略[J].中国水能及电气化,2024,(11):48-54.

[3]陈伟,刘怀利,李松.临淮岗水闸群安全监测系统设计与应用[J].江淮水利科技,2024,(05):37-40+48.

[4]刘祥祥.水利施工技术在水闸工程中的优化与应用[J].水上安全,2024,(16):160-162.

[5]卢斌强,郑江才,姜丽君,等.基于光纤光栅的水闸基坑支护结构变形自动化监测与分析[J].水道港口,2023,44(04):625-631.