淺談拼裝式鋁合金防水墻試驗(yàn)

劉佳佳，張 倩

(1.武漢市城市防洪勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430014;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010)

淺談拼裝式鋁合金防水墻試驗(yàn)

劉佳佳1，張 倩2

(1.武漢市城市防洪勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430014;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010)

介紹了拼裝式防水墻的拼裝原理、選材、試驗(yàn)效果以及在國(guó)外運(yùn)用情況和國(guó)內(nèi)對(duì)新技術(shù)的研究和關(guān)注。文章最后論述了拼裝式防水墻在城市河道防汛工程中的應(yīng)用前景，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員參考。

拼裝式;鋁合金防水墻;試水試驗(yàn);應(yīng)用前景

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，城市越來(lái)越重視生態(tài)建設(shè)，現(xiàn)代防洪工程的建設(shè)要在滿(mǎn)足防洪安全的前提下，既要符合城市發(fā)展規(guī)劃的需要，又要滿(mǎn)足親水性的要求，使人與自然能和諧相處。傳統(tǒng)的以填土筑堤和修建鋼筋混凝土防洪堤來(lái)提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式，將河道與城市分隔，城市的土地資源沒(méi)有得到充分利用，已逐漸滿(mǎn)足不了城市發(fā)展和市民親水性的需求。為此，對(duì)可根據(jù)需要隨時(shí)裝卸、操作便捷、安裝時(shí)間短的新型防洪設(shè)施—拼裝式鋁合金防水墻的拼裝形式、選材進(jìn)行了研發(fā)和試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，判別在擋水情況下，各型材變形及止水效果。

1 拼裝基本原理

打破傳統(tǒng)的擋水形式，采用輕型拼裝結(jié)構(gòu)，能在需要擋水時(shí)，只需采用人工操作情況下，方便、快捷拼裝完成擋水結(jié)構(gòu)，并通過(guò)壓緊裝置，將止水膠條壓緊后，達(dá)到止水效果。

2 材料選擇

(1)鋁材選材

根據(jù)鋁合金材料力學(xué)性能，采用6061T6鋁合金材質(zhì)。6061-T6是6061合金的主要合金，是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，其鎂、硅合金特性多，具有加工性能極佳、優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無(wú)缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)。6061鋁合金廣泛應(yīng)用于裝飾、包裝、建筑、運(yùn)輸、電子、航空、航天、兵器等各行各業(yè)。

(2)止水膠條選材

止水膠條采用了三元乙丙橡膠。三元乙丙(EPDM)橡膠是乙烯、丙烯以及非共軛二烯烴的三元共聚物。三元乙丙橡膠擁有優(yōu)越的耐氧化性能、抗臭氧和抗侵蝕能力、耐老化性能、耐腐蝕性能、耐過(guò)熱水性能、在低溫下仍具有優(yōu)秀的彈性、耐候性。三元乙丙橡膠主要應(yīng)用于汽車(chē)密封條、船舶密封條、列車(chē)密封條、集裝箱密封條。

(3)緊固件選材

所有螺栓及其它配件采用304不銹鋼件。

(4)支撐件選材

需要斜撐結(jié)構(gòu)時(shí)，斜撐及橫撐等采用304不銹鋼件。

3 擋水試驗(yàn)

本次試驗(yàn)共試水7次，試驗(yàn)共2跨，每跨寬2 m，高2 m，鋁材模具數(shù)量2套，膠條模具數(shù)量11套。

(1)鋁合金型材確定

試驗(yàn)立柱及擋板材料采用6061-T6鋁合金型材，首次型材標(biāo)準(zhǔn)按GB/T14846-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高精度進(jìn)行制作，產(chǎn)品出廠(chǎng)后，進(jìn)行檢驗(yàn)，精度滿(mǎn)足不了試驗(yàn)要求，進(jìn)行二次型材制作，精度要求達(dá)到GB/T14846-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)超高精度，能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。立柱定型型材尺寸為180 mm×180 mm;擋板定型型材尺寸為60 cm×200 cm，壁厚6 mm，中部設(shè)加強(qiáng)筋。單根高度2.3 m的立柱總重109 kg，單塊2 m長(zhǎng)的擋板總重21.7 kg，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 立柱結(jié)構(gòu)

圖2 擋板結(jié)構(gòu)

圖3 最下端首層擋板底部膠條

(2)試水試驗(yàn)

首先對(duì)立柱進(jìn)行安裝，通過(guò)螺栓對(duì)底座基礎(chǔ)進(jìn)行固定，然后進(jìn)入擋板拼裝，最后在上部利用壓板對(duì)擋板進(jìn)行壓緊，并注水試驗(yàn)。通過(guò)試水試驗(yàn)，底部橫檔、基座接口處、立柱側(cè)邊、擋板與擋板之間均出現(xiàn)漏水，采用的型材和止水膠條均需改進(jìn)，見(jiàn)圖3、圖4。

圖4 擋板間膠條

(3)第二次試水試驗(yàn)

根據(jù)前期試水試驗(yàn)，本次對(duì)底部采用原子灰找平，然后進(jìn)入擋板拼裝，并在擋板上部?jī)蓚?cè)貼3M膠條，最后在上部利用壓板對(duì)擋板進(jìn)行壓緊，并注水試驗(yàn)。水位達(dá)到0.25 m高度時(shí)，底角有水流出后迅速滲水，為求證其它可能存在問(wèn)題，繼續(xù)注水加高進(jìn)行試驗(yàn)，直至1.35 m高度。隨著注水量增加，立柱柱腳迅速滲水，出水量較大，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 柱腳試水現(xiàn)狀

圖6 擋板試水現(xiàn)狀

(4)第三次試水試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在前期基礎(chǔ)上，將擋板膠條改為端部伸出羊角，拼裝后進(jìn)行注水試驗(yàn)，注水高度約1.35 m。注水后，還是存在擋板層間滲水、立柱腳部滲水以及最下層擋板底部直接安裝羊角膠條，效果較之前好，但仍舊滲水。通過(guò)分析，建議后期增加擋板層數(shù)以增強(qiáng)擋板頂部壓力;考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的條件，改進(jìn)底部膠條形式，以應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)面不平的狀況;由于立柱腳部止水一直存在滲水的問(wèn)題，故設(shè)想將豎向膠條沉入底面結(jié)構(gòu)內(nèi)，讓擋板及擋板膠條直接與豎向膠條碰接，尋求能否解決此問(wèn)題。

(5)第四次試水試驗(yàn)

通過(guò)底部膠條改進(jìn)，增加厚度計(jì)齒條，以便應(yīng)對(duì)底部結(jié)構(gòu)面不平的狀況，由于原豎向膠條太厚，安裝困難，將豎向膠條改薄后安裝，并進(jìn)行試水試驗(yàn)。注水至0.1 m時(shí)，底部膠條就滲水，水位繼續(xù)加高，最終底部膠條在擋板和水壓力下扭曲變形，喪失止水作用。個(gè)別擋板層間滲水，水從擋板層的中部滲出，說(shuō)明擋板層間的膠條并沒(méi)有完全壓緊變形，導(dǎo)致水從羊角與膠條底部橢圓面間的間隙溢出。

(6)第五次試水試驗(yàn)

擋板層間膠條將原實(shí)心羊角改為中空形式，并增加高度以提高彈性變形。由于立柱空腔進(jìn)水，立柱膠條上齒條過(guò)多，對(duì)止水沒(méi)有起到作用，因此，將立柱豎向膠條改為空心平面增強(qiáng)止水。改進(jìn)后拼裝注水，立柱膠條受壓變形，擋板層間滲水情況沒(méi)有明顯改觀(guān)，說(shuō)明膠條在某些位置變形量不夠，或者沒(méi)有變形。拆卸后，發(fā)現(xiàn)立柱膠條在擋板向下安裝的過(guò)程中局部方向反向變形，影響止水效果。

(7)第六次試水試驗(yàn)

擋板層間膠條羊角改為實(shí)心，羊角厚度增加，為增強(qiáng)立柱膠條的潤(rùn)滑，采用潤(rùn)滑油進(jìn)行潤(rùn)滑試驗(yàn)。擋板在安裝過(guò)程中，可以看到立柱膠條已經(jīng)擠壓變形，水位到0.8 m之前，完全無(wú)滲水，水位高于0.8 m時(shí)，逐漸滲水，但通過(guò)調(diào)整增大頂部壓桿壓力，可以繼續(xù)止水。水位達(dá)到1.81 m時(shí)，除最下端擋板層底部膠條由于在不斷的壓力下，向內(nèi)收縮，導(dǎo)致局部滲水，其它部位無(wú)滲水現(xiàn)象，止水效果較好，還是存在底部止水效果差，以及潤(rùn)滑劑效果不好，安裝困難，見(jiàn)圖7。

圖7 第六次試水試驗(yàn)

(8)第七次試水試驗(yàn)

更換底部膠條，提高止水效果，更換潤(rùn)滑劑以及更改頂部壓桿結(jié)構(gòu)，降低側(cè)摩擦力及增加壓緊效果。通過(guò)改進(jìn)，注水高度達(dá)到1.83m后，除極個(gè)別滲漏點(diǎn)，呈緩慢淚珠狀，其它部位均無(wú)滲水，試驗(yàn)成功。

4 試水試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)，拼裝結(jié)構(gòu)的加工工藝、整體穩(wěn)定、細(xì)部止水及各部件結(jié)合處理均達(dá)到防水要求。并且在試驗(yàn)過(guò)程中不斷改進(jìn)，降低擋板層間膠條與立柱豎向膠條粘合出現(xiàn)滲水間隙的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)立柱底部止水結(jié)構(gòu)分析出有效的解決方案。結(jié)合國(guó)內(nèi)鋁材加工工藝，從安全角度考慮，本次試驗(yàn)結(jié)構(gòu)型材壁厚較厚，可以在后期研發(fā)中，根據(jù)不同工況，適當(dāng)調(diào)整型材結(jié)構(gòu)尺寸，以達(dá)到最安全、經(jīng)濟(jì)擋水效果。

5 拼裝式鋁合金防水墻在國(guó)外應(yīng)用的介紹

鋁合金防汛墻在歐洲使用較多，在捷克、奧地利、德國(guó)、斯洛伐克、荷蘭等國(guó)家都有廣泛使用，見(jiàn)圖8。據(jù)德國(guó)媒體報(bào)道，移動(dòng)防洪擋板最早于1984年被科隆市購(gòu)買(mǎi)并投入使用，總長(zhǎng)度超過(guò)10 km。自1997年開(kāi)始，捷克首都布拉格市實(shí)施防洪系統(tǒng)建設(shè)，項(xiàng)目主要措施是建設(shè)一個(gè)能夠承受3 700 m3/s的洪水并且留有40～60 cm超高的堤壩。在2002年洪災(zāi)之后，又加高30 cm，承受洪水能力達(dá)到5 000 m3/s。

圖8 2013年奧地利北部小鎮(zhèn)Grein使用裝配式鋁合金防洪墻阻擋多瑙河洪水

6 拼裝式鋁合金防水墻在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用前景

一般城市河道洪水期歷時(shí)較短，為保證防洪安全，傳統(tǒng)堤防大多為永久性防洪擋水結(jié)構(gòu)，將河道與城市隔裂開(kāi)，單調(diào)高聳的堤防阻礙市民觀(guān)江，造成市民臨水不見(jiàn)水。隨著城市發(fā)展，市民對(duì)觀(guān)江親水需求強(qiáng)烈，傳統(tǒng)堤防形式己不能滿(mǎn)足城市發(fā)展的要求。國(guó)外已將城市防洪設(shè)計(jì)作為一門(mén)新興的水利學(xué)科進(jìn)行研究，其中涉及到水力學(xué)、水生態(tài)學(xué)、景觀(guān)設(shè)計(jì)、美學(xué)、環(huán)境心里學(xué)等諸多學(xué)科。在此方面，我國(guó)的起步較晚，但隨著發(fā)展的需要，也已迫切需要進(jìn)一步深化研究。通過(guò)試驗(yàn)，拼裝式鋁合金防水墻既能確保防洪安全又能滿(mǎn)足城市環(huán)境景觀(guān)需求，將在今后城市防洪和沿江景觀(guān)帶工程建設(shè)中得到廣泛的使用。

TV41

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1009-7716(2015)11-0111-03

2015-07-13

劉佳佳(1981-)，男，湖北武漢人，工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作。