葛洲壩船閘水工建筑物運行維護管理實踐

劉振嘉

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩工程是長江上修建的第一個大型水利樞紐，是上游三峽水利樞紐的反調(diào)節(jié)水庫和航運梯級。葛洲壩水利樞紐在左、右岸分別布設(shè)兩條航道，左岸為三江航道，設(shè)置了2#、3#船閘；右岸為大江航道，設(shè)置了1#船閘。3座船閘均為單級船閘，設(shè)計最大工作水頭27 m，通航凈空18 m，1#、2#船閘閘室有效尺寸分別為280 m×34 m×5.5 m(長×寬×門檻水深，下同)、280 m×34 m×5.0 m，可通過1萬噸級大型船隊和大型客貨輪；3#船閘閘室有效尺寸為120 m×18 m×4.0 m，可供小型船隊和單船過壩，是船舶過壩的快速通道。

水工建筑物是船閘的基礎(chǔ)建筑物，是保證船閘正常運行的前提條件，對船閘的使用壽命有直接影響。葛洲壩1#、2#、3#船閘的水工建筑物均由上下閘首、閘室、上下游導(dǎo)航墻、上下游靠船墩等鋼筋混凝土設(shè)施組成。船閘的橋墩段、上下閘首、閘室及與輸水系統(tǒng)等部位為Ⅰ級建筑物，導(dǎo)墻、靠船墩和導(dǎo)航墻為Ⅱ級建筑物，其余為Ⅲ級建筑物。葛洲壩水利樞紐通航建筑物平面布置見圖1。

圖1 葛洲壩樞紐通航建筑物布置(單位：m)

葛洲壩2#、3#船閘，于1981年6月通航。大江1#船閘，于1988年9月開始試通航，1990年5月正式通航。

隨著沿江經(jīng)濟和長江航運的快速發(fā)展，船舶大型化、標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高，葛洲壩船閘年貨運量快速增長，從1982年的347萬t到2011年的1億t，2018年更達(dá)到1.49億t，增長近43倍。葛洲壩船閘自1981年通航以來共安全運行53.69萬閘次，通過船舶247.77萬艘次，通過貨物16.12億t，通過加大科研投入、深入創(chuàng)新挖潛等措施，船閘的通航效益、安全監(jiān)管及科研開發(fā)能力、服務(wù)水平等日益提升，為流域經(jīng)濟發(fā)展提供了安全暢通的水運通道，樹立起樞紐通航管理的成功范例，極大地促進(jìn)了國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施以及長江經(jīng)濟帶的發(fā)展。

1 堅持日常檢查監(jiān)測，加強水工建筑物規(guī)范管理

1.1 水工建筑物運行維護

隨著運行時間的增加，受運行環(huán)境等各方面因素影響，葛洲壩船閘水工建筑物不可避免地出現(xiàn)裂縫、滲漏、剝蝕等現(xiàn)象，影響船閘的運行效率和安全使用年限[1]。

遵循《通航建筑物運行管理辦法》《通航建筑物維護技術(shù)規(guī)范》等管理規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)工作程序和方法，設(shè)置專門機構(gòu)對葛洲壩船閘水工建筑物進(jìn)行維護管理。采取日常檢查、年度檢查、應(yīng)急檢查、定期檢查等方式開展定期和不定期巡檢，及時發(fā)現(xiàn)水工建筑物的異?，F(xiàn)象及存在的隱患和缺陷，提出補救措施或改善意見，作為水工建筑物維護、加固或修復(fù)的依據(jù)[2]。

在日常檢查方面，每月完成對葛洲壩3座船閘的水工建筑物及附屬設(shè)施巡查工作，同時完成裂縫、滲漏量監(jiān)測等重點監(jiān)測及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，形成可查的記錄表格，建立臺賬；在年度檢查方面，完成汛前、汛后葛洲壩船閘水工建筑物的巡視檢查，并形成專門的巡視現(xiàn)場檢查報告，分析水工建筑物年度觀測資料，全面反映和評價水工建筑物的安全狀況；在應(yīng)急檢查方面，針對性地開展汛前、汛后、有感地震等特殊情況下的專項巡視檢查；在定期檢查方面，結(jié)合《水電站大壩安全定期檢查辦法》，組織專家組對水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全性和運行狀態(tài)開展定期檢查(每5年1次)，評價安全等級，提交檢查報告。

通過對水工建筑物的巡視檢查，有效掌握水工建筑物運行的基本情況，對于發(fā)現(xiàn)的問題，根據(jù)問題的輕、重、緩、急研究制定相應(yīng)的處理措施或方案，安排年度工程修理項目對常見的缺陷及時進(jìn)行處理，以消除設(shè)施缺陷、恢復(fù)使用性能為目的，確保水工建筑物的正常運行[3]。

1.2 監(jiān)測設(shè)施運行維護

葛洲壩船閘觀測項目多、測點分散，造成人工觀測強度大，特別是受閘室頻繁充泄水的影響，船閘水工建筑物在短時間內(nèi)承受反復(fù)水壓力荷載，變形比較復(fù)雜。

為了解和掌握各船閘的運行性態(tài)，葛洲壩船閘設(shè)置了數(shù)量眾多的內(nèi)、外部變形監(jiān)測點，其中外部變形監(jiān)測主要包括垂直位移、水平位移、撓度以及各監(jiān)測基點的控制測量項目等；內(nèi)部監(jiān)測包括基巖變形，結(jié)構(gòu)縫、裂縫、閘體和基巖接觸縫開合度，鋼筋應(yīng)力，混凝土應(yīng)力、應(yīng)變，閘體溫度等。

船閘安全監(jiān)測設(shè)備維護范圍為葛洲壩1#、2#、3#船閘水工安全監(jiān)測設(shè)施和安全監(jiān)測儀器。其中安全監(jiān)測設(shè)施包括：各類觀測室、引張線系統(tǒng)、垂線系統(tǒng)、精密量距系統(tǒng)、垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)、內(nèi)部觀測電纜、交通通道及觀測豎井、自動化觀測系統(tǒng)、觀測照明系統(tǒng)等。安全監(jiān)測儀器包括各類專用儀器及其附件。觀測儀器定期檢驗，觀測設(shè)施或儀器在維護周期內(nèi)出現(xiàn)故障影響正常觀測時，及時進(jìn)行維護修理，不合格儀器嚴(yán)禁使用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，葛洲壩1#、2#、3#船閘水工建筑物監(jiān)測設(shè)施逐步實施了自動化改造，改造后系統(tǒng)運行正常，采集了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和觀測精度，減少系統(tǒng)維護的工作量，實現(xiàn)了自動化實時監(jiān)測的目的。

2 實施專項技術(shù)改造，確保水工建筑物安全運行

葛洲壩船閘長期超負(fù)荷運行，同時受船閘大型化、閘室頻繁充泄水、輸水系統(tǒng)高速水流等因素影響，在運行過程中也表現(xiàn)出一些缺陷和隱患。對檢查發(fā)現(xiàn)的水工建筑物設(shè)備設(shè)施的常規(guī)缺陷，采取日常巡檢、維護保養(yǎng)、專項技術(shù)改造和計劃性大修等設(shè)備管理方式，及時進(jìn)行消除或改善，保證船閘的安全運行。

2.1 裂縫預(yù)應(yīng)力錨索加固

在1989年大江船閘竣工驗收和1996年葛洲壩大江工程鑒定預(yù)備會上，與會專家明確指出：“葛洲壩1#船閘下右2裂縫位于要害部位，應(yīng)由設(shè)計單位提出處理措施和方案”“及早對該裂縫采取補強措施，對裂縫進(jìn)行必要的監(jiān)測”。為達(dá)到改善下右2裂縫端部應(yīng)力狀況，防止裂縫繼續(xù)發(fā)展的目的，采用預(yù)應(yīng)力錨固和灌漿相結(jié)合的綜合處理措施，并以預(yù)應(yīng)力錨固為主。

在1999年的1#船閘計劃性大修中，對下右2裂縫進(jìn)行了補強處理施工。以對穿錨索為主，共布置3 000～4 000 kN錨索28束，其中膠結(jié)錨3束。根據(jù)目前觀測資料和巡視檢查情況，從1999年至今所有測點測縫計的年平均變幅在-0.35～0.16 mm，表明裂縫變形已趨于穩(wěn)定，沒有發(fā)展跡象。

2.2 結(jié)構(gòu)縫滲漏處理

葛洲壩船閘結(jié)構(gòu)縫滲漏主要體現(xiàn)在葛洲壩1#、3#船閘基礎(chǔ)排水廊道，如1#船閘基礎(chǔ)排水廊道滲漏水早在施工期就已出現(xiàn)，并進(jìn)行了相應(yīng)的工程處理。在船閘投入運行后，利用歷次船閘大修均進(jìn)行了不同規(guī)模程度的工程處理，處理后漏水情況有所減輕。但在船閘運行過程中，由于閘室頻繁充、泄水導(dǎo)致閘墻受力交替變化，結(jié)構(gòu)縫開合頻繁，結(jié)構(gòu)縫內(nèi)止水容易失效，導(dǎo)致計劃性大修后船閘基礎(chǔ)排水廊道滲漏狀況發(fā)展較快，呈逐年遞增趨勢。

針對葛洲壩船閘基礎(chǔ)排水廊道的滲漏問題，在計劃性大修期間均采取工程措施進(jìn)行了處理，其中2011年對結(jié)構(gòu)縫滲漏處理方案進(jìn)行重新設(shè)計，在閘室底板縱縫表面增設(shè)敞開型表止水，對其他部位采用局部化學(xué)灌漿的方式進(jìn)行處理，在2012年1#船閘計劃性大修期間實施。處理完成后，在基礎(chǔ)觀測廊道結(jié)構(gòu)縫、左上樓梯井結(jié)構(gòu)縫基本無滲漏，觀測廊道滲漏量小于10 Lmin；基礎(chǔ)排水廊道下右2縱縫處滲漏量明顯減小，整體滲漏量約為100 Lmin，處理效果較為明顯。

2.3 水下設(shè)施破損處理

受高速水流沖刷、磨蝕作用，船閘水下設(shè)施特別是輸水系統(tǒng)混凝土破損現(xiàn)象長期存在，其破損程度與輸水系統(tǒng)布置形式、充泄水方式(閥門啟閉方式與速率)、水流含沙量(如三峽蓄水后水流含沙量變化)等因素的不同而有所差異。主要表現(xiàn)為表面混凝土蝕損、結(jié)構(gòu)縫面混凝土破損以及局部沖坑等，其中蝕損破壞主要體現(xiàn)在閥門井段反弧門下游側(cè)墻、分流口段等水流條件較為復(fù)雜的過流部位；廊道結(jié)構(gòu)縫混凝土破損分布較分散，破損程度不一，分流口處縱縫破損較為嚴(yán)重；混凝土沖坑主要集中在檢修門槽等過流面突變部位，破損程度較輕。

基于不同修補材料的性能特點，做好現(xiàn)場試驗，針對不同蝕損部位采用不同的復(fù)合施工方法，滿足一次性澆注成型和不同材料多層復(fù)合修補的需要，有效保證修補材料與基面的黏結(jié)強度，減少流掛，達(dá)到內(nèi)部密實、表面平整光滑，滿足廊道高速過流面抗沖耐磨要求。

2.4 浮式系船柱改造工程

船舶大型化后，船舶干舷高度增加，空船系纜樁高度遠(yuǎn)高于浮式系船柱高度，船閘水工建筑物、系纜設(shè)備設(shè)施使用條件也發(fā)生相應(yīng)變化，出現(xiàn)浮式系船柱磨損加劇、變形甚至斷裂損壞等現(xiàn)象。

2012年1#船閘計劃性大修中，完成了浮式系船柱改造和導(dǎo)槽加高。新浮式系船柱共2層系船架，以適應(yīng)不同船舶的系纜需求，同時提高浮式系船柱設(shè)計允許受力。改造后浮筒高5.6 m，浮筒上的系船柱頂距水面1.8 m，系船架上的系船柱頂距水面4.4 m。設(shè)計拉力為縱向150 kN，橫向100 kN，合力值約為180 kN。加高后的浮式系船柱能較好地適應(yīng)不同船型系纜靠泊需要，系船柱后期維護量大幅減少，提高了閘室靠泊的安全可靠性，保證了船舶在閘室內(nèi)的良好停泊條件。

2.5 門楣補氣改造

葛洲壩船閘設(shè)計水頭27 m。根據(jù)葛洲壩船閘初期運行資料表明，門楣、面板、導(dǎo)軌及混凝土等部位均發(fā)生不同程度的空化與氣蝕現(xiàn)象，充泄水過程中伴有不同程度的振動轟鳴聲，影響金屬結(jié)構(gòu)與水工建筑安全運行。

為降低輸水閥門段的空化與聲振，改善閥門運行工藝，葛洲壩1#、2#、3#船閘充、泄水閥門分別實施了門楣補氣工程(表1)，增加了門楣通氣裝置，在輸水閥門門楣處加設(shè)負(fù)壓板和通氣系統(tǒng)，利用負(fù)壓自動補氣。通過一系列工程措施，有效避免了門楣等部位空化、聲振現(xiàn)象，改善了輸水閥門的運行工況，為船閘的安全運行創(chuàng)造了條件。

表1 葛洲壩船閘增加反弧門門楣通氣裝置情況

2.6 自動化監(jiān)測設(shè)施改造

1996年對2#船閘水平位移監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了自動化改造，2001、2003年分別進(jìn)行了技術(shù)升級、設(shè)備更新。2004年對3#船閘安全監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行了自動化改造。目前這兩套系統(tǒng)運行正常。

2011—2012年對葛洲壩1#船閘左右管線廊道6條引張線及4個量距測點進(jìn)行自動化改造。其中引張線改造項目包括新建6條無浮托引張線，無浮托引張線系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的精度、可靠性及穩(wěn)定性。

3 打造創(chuàng)新科技隊伍，做好水工建筑物檢修保障

通過不斷總結(jié)管理經(jīng)驗，探索體制機制創(chuàng)新，圍繞影響船閘大修工期、質(zhì)量和安全等問題，在檢修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工組織、工藝和裝備等方面開展相關(guān)研究，逐步形成了一套獨特的船閘計劃性大修管理模式和辦法，構(gòu)建船閘快速檢修體系，組建一支專業(yè)齊全、技術(shù)過硬、經(jīng)驗豐富的船閘檢修隊伍。檢修隊伍除承擔(dān)三峽、葛洲壩船閘10余次計劃性大修外，也對外承接并圓滿完成了廣西長洲和桂平船閘、江蘇藺家壩船閘、漢江王甫洲船閘、廣西左江電站等大修任務(wù)。

在總結(jié)船閘檢修組織、成套技術(shù)與裝備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，編制了交通行業(yè)強制性標(biāo)準(zhǔn)《船閘檢修技術(shù)規(guī)程》[4]，于2014年1月施行。該規(guī)程主要技術(shù)內(nèi)容包括船閘閘閥門、啟閉機械、電氣設(shè)備、水工建筑物、附屬設(shè)施檢修和調(diào)試等。規(guī)程的發(fā)布實施，使船閘檢修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有據(jù)可依，質(zhì)量得到有效保證，國內(nèi)船閘水工建筑物檢修的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均按此規(guī)程執(zhí)行。

隨著長江黃金水道的蓬勃發(fā)展，船舶過閘通航壓力日益增大，對船閘檢修提出了“快速檢修”的需求，葛洲壩船閘水工建筑物檢修在施工方法、工藝和技術(shù)等方面取得了多項成果：

1)輸水廊道施工展布裝備。根據(jù)輸水廊道環(huán)境特點，設(shè)計、制作了分流口快速交通梯、閥門井段等斜坡梯和檢修平臺，實現(xiàn)了檢修裝備快速展布，將交通梯搭設(shè)等施工前期工作從原來的2～3 d搭設(shè)時間縮短至0.5 d，裝備的模塊化、輕便化程度大幅提升，安全性也進(jìn)一步提升[5]。

2)高速過流面破損修補技術(shù)。根據(jù)高速過流面破損的面積、深度、位置，針對各種不同情況，研究制定了包括修補材料和工藝等內(nèi)容的修補技術(shù)，保證修補質(zhì)量，實現(xiàn)快速修補，縮短檢修工期。

3)結(jié)構(gòu)縫滲漏灌漿處理方法。對各種結(jié)構(gòu)縫滲漏灌漿處理方法進(jìn)行研究比較，設(shè)計一種風(fēng)引化學(xué)灌漿裝置及灌漿方法，應(yīng)用該方法提高了漿液在縫內(nèi)的擴散距離和填充效果，保證滲漏處理質(zhì)量，實現(xiàn)快速處理。該方法獲得國家發(fā)明專利[6]，并已在多個船閘及大壩結(jié)構(gòu)縫滲漏的處理中成功應(yīng)用，取得良好效果。

4 結(jié)語

1)規(guī)范船閘水工建筑物運行管理，加強日常檢查、監(jiān)測工作，是掌握船閘水工建筑物結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的有效手段之一。

2)船閘水工建筑物檢查發(fā)現(xiàn)的設(shè)備設(shè)施缺陷，通過常規(guī)性修理及專項工程、計劃性大修等不同層級檢修方式的實施，及時進(jìn)行了消除或改善，保證了船閘的安全運行。

3)通過檢修管理方式創(chuàng)新、技術(shù)工藝創(chuàng)新、工裝及材料創(chuàng)新，積極探索BIM技術(shù)在船閘運行和維護中的應(yīng)用等創(chuàng)新檢修方式，錘煉形成專業(yè)化檢修隊伍，適應(yīng)了船閘“快速檢修”需要，確保水工建筑物檢修“安全、質(zhì)量、效率”三者的有機統(tǒng)一。