U形鋼圍堰及水下環(huán)氧混凝土快速修復(fù)閘門門槽的創(chuàng)新應(yīng)用

陳 華 繆慧麗 田磊磊

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 引 言

水閘工程經(jīng)長(zhǎng)期頻繁使用，水下基礎(chǔ)工程特別是閘門門槽部位易出現(xiàn)不同程度的損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響工程的運(yùn)行安全。傳統(tǒng)維修方法需要在河道打壩、排水，形成施工作業(yè)環(huán)境才能進(jìn)行水下基礎(chǔ)工程的維修。但這種方法投資大、周期長(zhǎng)，并不適合需頻繁運(yùn)用的節(jié)制閘、換水閘或停運(yùn)會(huì)造成較大影響的船閘。

針對(duì)此類水閘，如何高效、便捷又切實(shí)可行地解決問(wèn)題，刻不容緩。本文通過(guò)深入實(shí)踐研究，開(kāi)發(fā)出一套U形鋼圍堰施工工藝。鋼圍堰的作用主要是防水擋土，使基礎(chǔ)施工能在排水或靜水的環(huán)境中進(jìn)行。鋼圍堰施工相關(guān)費(fèi)用及施工停運(yùn)、停航造成的影響相比傳統(tǒng)方法也明顯減少，可短期、便捷、高效地解決閘門門槽水下修復(fù)問(wèn)題，已在上海多座水閘的門槽水下維修項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。

2 工程概況

上海大治河西閘位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)大治河口，西距黃浦江約800m，為中型水利工程，船閘通航等級(jí)為300t，閘室有效長(zhǎng)度300m，寬度20m，閘門寬12m，采用升臥式平面鋼閘門；工程于1977年12月動(dòng)工建設(shè)，1979年12月竣工投入運(yùn)行，是上海市浦東片區(qū)最主要的水利工程之一。

3 運(yùn)行中的問(wèn)題

大治河西閘船閘年累計(jì)通航噸位近3000萬(wàn)t，24小時(shí)不斷通航，除大量社會(huì)船只外，也是上海市每天近萬(wàn)噸生活垃圾環(huán)衛(wèi)船通航的唯一水上口門，運(yùn)行非常頻繁。運(yùn)行至今已40多年，船閘內(nèi)外閘首南北兩側(cè)門槽導(dǎo)軌和混凝土水下部分破損嚴(yán)重，導(dǎo)致閘門升降至距離底板250～300mm時(shí)有明顯卡阻，當(dāng)內(nèi)外河水位差較大時(shí)甚至無(wú)法啟閉。

4 問(wèn)題分析

大治河船閘外河緊鄰黃浦江，受潮汐影響，內(nèi)外河水位差不斷變化，通常在1m以上。因長(zhǎng)期運(yùn)用，啟閉次數(shù)頻繁，致使門槽鋼板腐蝕剝落，混凝土殘缺，門槽損壞嚴(yán)重。由于上游水壓力，當(dāng)閘門側(cè)滾輪運(yùn)行至損壞處時(shí)，就會(huì)發(fā)生閘門傾斜，甚至無(wú)法下行關(guān)閉。究其形成原因，除了門槽軌道銹蝕、混凝土本身老化松動(dòng)外，還存在以下問(wèn)題。

4.1 船舶撞擊

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，船閘通航量已遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)規(guī)模，大量社會(huì)船只超載、進(jìn)出閘室搶檔，船舶行進(jìn)時(shí)對(duì)閘室的頻繁撞擊加速了門槽損壞。

4.2 設(shè)計(jì)及運(yùn)行缺陷

上海很多早期船閘設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，采用套閘結(jié)構(gòu)，沒(méi)有排水孔和輸水廊道，僅通過(guò)開(kāi)啟一側(cè)閘門進(jìn)行補(bǔ)放水來(lái)平衡水位差，初始開(kāi)啟高度值長(zhǎng)年相對(duì)固定，開(kāi)啟瞬間閘門沖擊易在局部位置形成疲勞損壞。

5 維修方案介紹

上海大治河西閘船閘是連接黃浦江的水上運(yùn)輸要道，交通運(yùn)輸繁忙，不具備打壩排水和檢修擋水施工條件，根據(jù)目前河道的運(yùn)輸狀況，管理部門要求盡可能減少對(duì)通航的影響，明確“封航3天搶修”的要求，利用枯水期小潮汛、低潮位期間在最短時(shí)間內(nèi)完成搶修施工。兩邊鋼圍堰同時(shí)就位，進(jìn)行堵漏強(qiáng)排水，查勘門槽損壞情況，制定具體現(xiàn)場(chǎng)施工措施細(xì)節(jié)，在3天完成門槽維修施工。

5.1 維修方案

如采取傳統(tǒng)方法，在上下游打壩，然后排水施工，不僅打、拆土方量大，費(fèi)用高，而且時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)上海市區(qū)環(huán)衛(wèi)垃圾的外運(yùn)影響太大，為此采用兩只鋼圍堰同時(shí)修補(bǔ)閘門兩側(cè)門槽的方法進(jìn)行施工。這種方法既便捷又節(jié)省，費(fèi)用遠(yuǎn)低于打壩排水施工，且鋼圍堰可多次使用、長(zhǎng)期使用和異地使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況和門槽損壞水下探摸數(shù)據(jù)，用鋼圍堰對(duì)門槽水下垂直面部位進(jìn)行檢修，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損壞處采用補(bǔ)強(qiáng)處理，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)預(yù)埋件損壞處進(jìn)行焊補(bǔ)處理。

鋼圍堰吊裝就位前，首先將上臥式閘門升至啟門上限并鎖定，在沒(méi)有水位差的情況下，利用吊裝設(shè)備，將鋼圍堰U形口正對(duì)著門槽一側(cè)閘墻放下至閘底板放平。在鋼圍堰上邊吊耳處用手拉葫蘆和鋼絲繩與閘室排架固定收緊以進(jìn)一步定位。此時(shí)由于鋼圍堰沿口止水不可能與閘墻緊密貼合，因此鋼圍堰內(nèi)外水位相平，沒(méi)有水位差。隨即采用潛水泵強(qiáng)排水，在鋼圍堰內(nèi)外逐步形成水位差，隨著水位差增大，鋼圍堰與閘墻的接觸在內(nèi)外水位差形成的壓力作用下越來(lái)越緊密。這時(shí)在鋼圍堰內(nèi)可看到明顯的滲漏位置，再派潛水員下水用棉胎在鋼圍堰的底邊及豎直邊進(jìn)行堵漏，終可使鋼圍堰內(nèi)積水基本排除，形成無(wú)水或少水的作業(yè)空間。積水一經(jīng)排除，施工人員便可沿著鋼圍堰內(nèi)的支撐鋼梁，進(jìn)入施工位置，鑿除殘破混凝土并割除變形的門槽軌道鋼板、護(hù)角鋼等金屬結(jié)構(gòu)，焊上新的門槽鋼板，再用環(huán)氧樹(shù)混凝土，添加早強(qiáng)劑，進(jìn)行填補(bǔ)密實(shí)，12h后混凝土強(qiáng)度滿足要求，即可完工，施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 鋼圍堰吊裝就位

圖2 鋼圍堰內(nèi)門槽施工

5.2 主要工藝介紹

5.2.1 鋼圍堰

此次施工所用鋼圍堰為整體式U形鋼圍堰，根據(jù)閘首門槽寬度、門槽埋件布置、工作環(huán)境及施工期間潮位影響、吊裝等因素，設(shè)計(jì)兩只鋼圍堰，水平斷面尺寸為2.0m×1.9m，高度為5.5m，自重2.5t，左右岸兩側(cè)門槽同時(shí)施工。在臨時(shí)斷航的條件下，首先關(guān)閉內(nèi)河側(cè)工作閘門擋水。在閘墩側(cè)標(biāo)出圍堰安放位置，開(kāi)啟外閘首工作閘門至最高位置，鎖定工作閘門，由臺(tái)吊將鋼圍堰吊裝至運(yùn)輸船，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后由浮吊工作船扒桿將圍堰安裝就位至檢修門槽處，施工完成后用浮吊船將鋼圍堰吊裝至運(yùn)輸船離開(kāi)。就位后，首先進(jìn)行臨時(shí)支撐，以防止沖擊錯(cuò)位。在堰頂搭設(shè)施工腳手架，布置潛水泵。一只鋼圍堰內(nèi)水的體積約為18m3,考慮到滲水量，每孔以30m3計(jì)，布置3臺(tái)5.5kW和2臺(tái)0.75kW的潛水泵，其性能見(jiàn)表1。水泵安裝完畢后，接通電源，立即進(jìn)行強(qiáng)抽水，使圍堰內(nèi)外產(chǎn)生水頭差，潛水員水下將堵漏材料緊貼在鋼圍堰與閘墩、底板間的縫隙內(nèi)，隔斷滲水通道，從而逐步形成圍堰內(nèi)施工部位的無(wú)水作業(yè)環(huán)境。局部漏水處由潛水員在圍堰外側(cè)堵漏，根據(jù)縫隙大小用長(zhǎng)度不等的棉絮卷堵塞，邊抽水，邊堵漏，直至不漏水為止。

表1 潛水泵性能

5.2.2 門槽埋件修補(bǔ)

在鋼圍堰內(nèi)具備作業(yè)條件后，施工人員搭設(shè)施工腳手架，先對(duì)門槽表面進(jìn)行清理，去除污泥及黏著物，用水清洗干凈后，檢查門槽主軌埋件、側(cè)軌埋件、混凝土等部位的損壞情況，做好記錄。施工時(shí)根據(jù)閘門門槽軌道鐵、角鋼實(shí)際損壞情況，按設(shè)計(jì)尺寸對(duì)磨損軌道鐵在表面覆蓋鋼板，更換角鋼、鋼板與原埋件。角鋼連接采用貼角焊和表面塞焊，連接牢固，保證門槽凈寬在615～625mm，確保滾輪行走自如，其材質(zhì)為Q235；對(duì)原工字鋼腹板加強(qiáng)，使軌道預(yù)埋件形成鋼箱梁整體結(jié)構(gòu)，利用搭接材料與原門槽鋼筋和工字鋼焊接，提高埋件的整體強(qiáng)度和剛度。鋼板之間的連接采用對(duì)接焊，焊后對(duì)過(guò)水?dāng)嗝娴暮缚p進(jìn)行磨平；處理完成后，對(duì)修補(bǔ)埋件進(jìn)行防腐處理。補(bǔ)缺、更換的埋件與混凝土接觸面刷水泥砂漿。變形埋件應(yīng)進(jìn)行矯正、錨固，且必須與原門槽結(jié)構(gòu)中的鋼筋焊牢。

5.2.3 門槽混凝土修補(bǔ)

門槽部位在無(wú)水狀態(tài)下，采用機(jī)械結(jié)合人工鑿除混凝土損壞處表面，露出石子和原門槽鋼筋，以增加新老混凝土的結(jié)合面，用高壓水沖洗表面浮渣，要求鑿除面層粗糙，邊緣呈八字形，接觸面表面清理徹底，無(wú)松動(dòng)碎石。門槽埋件修補(bǔ)完成和修補(bǔ)混凝土表面鑿除后，用高壓水沖洗干凈，在作業(yè)面上用毛刷均勻涂刷一層水泥凈漿，用C30細(xì)石混凝土修補(bǔ)填實(shí)，門槽混凝土立模時(shí)，采用拔管法澆筑，為滿足流動(dòng)度要求，水下混凝土強(qiáng)度需提高一個(gè)等級(jí)。邊澆筑混凝土邊振搗密實(shí)。為提高修補(bǔ)混凝土質(zhì)量，本次混凝土采用新型水下環(huán)氧混凝土，該混凝土可在水下澆筑，固化快，混凝土有早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快、終期強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

5.3 特殊情況處理

5.3.1 閘底板結(jié)構(gòu)有起伏

在修補(bǔ)門槽前，要詳細(xì)了解水下結(jié)構(gòu)，有門坎和底板呈斜坡形時(shí)，鋼圍堰底部就不能放平，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重滲漏，影響施工。水下探察發(fā)現(xiàn)門槽底板與船閘閘室內(nèi)壁有高5～6cm、寬8～10cm底板混凝土護(hù)角，對(duì)門槽維修施工造成嚴(yán)重影響，鋼圍堰無(wú)法與閘室內(nèi)壁緊貼，大大增加了堵漏施工難度。因此根據(jù)水下地形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)鋼圍堰堰底進(jìn)行切割改造，并在堵漏材料(棉胎條)內(nèi)加裹不同外徑鋼管以適應(yīng)鋼圍堰就位及大缺口堵漏需要。

5.3.2 小角度起吊限高承重要求

因閘門為上臥式平面鋼閘門結(jié)構(gòu)，且臨近黃浦江邊，潮汐影響明顯，對(duì)鋼圍堰在閘室內(nèi)進(jìn)行吊裝就位的施工浮吊船小角度起吊限高承重要求較高，見(jiàn)表2、表3。

a.施工船舶作業(yè)要求。

門槽維修施工作業(yè)船舶作業(yè)要求見(jiàn)表2。

表2 門槽維修施工作業(yè)船舶一覽表

b.浮吊船起吊參數(shù)

浮吊船起吊參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 80t浮吊的起吊性能

經(jīng)測(cè)算調(diào)試，吊裝時(shí)固定20m吊桿，水平夾角最小5°，亦能滿足起重要求。

5.3.3 閘室岸墻護(hù)鋼板影響堵漏止水

因閘室岸墻普遍安裝防撞鋼板，而鋼板是后期安裝，未到閘底板，造成鋼板下沿口與岸墻不能緊密結(jié)合，隨著潮位變化，水從下沿口汲入門槽中，造成圍堰內(nèi)噴水。經(jīng)研究，將鋼板沿門槽附近前后各開(kāi)一道通長(zhǎng)的豎直剖口，使鋼圍堰直立邊正好插入豎直剖口中，解決了漏水問(wèn)題。

5.3.4 HK-UW-1水下環(huán)氧混凝土

選用合適的材料，是確保修補(bǔ)效果的必要條件。HK-UW-1 水下環(huán)氧混凝土(砂漿)是一種強(qiáng)度高、可在水下固化,具有優(yōu)良的抗沖磨、耐腐蝕性能，耐久性好的高分子復(fù)合材料，可在水下澆筑，固化快，混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，終期強(qiáng)度高，收縮小，黏結(jié)力強(qiáng)，在水下不分散、自流平、自密實(shí)，低溫仍具有良好的流動(dòng)性能。低稠度使其在低溫下仍具有良好的流動(dòng)性能，可采用手工、電動(dòng)或混凝土強(qiáng)力攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，并在水下直接進(jìn)行澆筑。該材料在水下固化后具有很高的抗壓和抗折強(qiáng)度，可用于大壩、港口、碼頭、橋墩等水下建筑物的水下及水位變化區(qū)部位的混凝土缺陷修復(fù)處理，止封、加固和補(bǔ)強(qiáng)處理。實(shí)際操作時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

a.要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁?、砂石料的粒徑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以確定合適的樹(shù)脂用量，調(diào)整好各組分的配合比，見(jiàn)表4、表5。

表4 HK-UW-1水下澆筑混凝土主要性能指標(biāo)

表5 HK-UW-1水下澆筑混凝土的參考配合比(重量比) 單位：%

b.無(wú)論在水下澆筑還是水上施工，石子和砂都要干燥，含水量宜小于1%，否則將影響強(qiáng)度。

c.要先將砂、石、粉料拌勻后再開(kāi)始配漿，以免產(chǎn)生樹(shù)脂快速固化的現(xiàn)象。

d.施工機(jī)具要及時(shí)用清洗劑清理，避免結(jié)硬。

e.嚴(yán)禁加入各類稀釋劑來(lái)調(diào)節(jié)稠度。

5.3.5 應(yīng)急措施

水下門槽維修受水下修補(bǔ)工作面和損壞程度、鋼圍堰就位、水位變化、堵漏等不確定性因素影響。在不能完全完成維修任務(wù)情況下，如果必須開(kāi)閘通航，可將設(shè)備臨時(shí)吊出閘室，不影響通航。在滿足斷航的條件下，重復(fù)就位、堵漏等工序，分兩次將剩余工作任務(wù)完成，減少長(zhǎng)時(shí)間斷航的不利影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

水閘水下門槽修復(fù)采用U形雙鋼圍堰及水下環(huán)氧混凝土的施工工藝，是一種新工藝。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

a.適合水利工程日常運(yùn)行管理中作為應(yīng)急保障、防汛搶險(xiǎn)、快速搶修的有效保障技術(shù)措施。

b.特別適合不能長(zhǎng)時(shí)間斷航的船閘、頻繁運(yùn)用的防汛排澇節(jié)制閘、承擔(dān)經(jīng)常性城市清水活水功能的換水閘的水下檢修。

c.采用U形鋼圍堰創(chuàng)造接近無(wú)水的施工作業(yè)環(huán)境，與傳統(tǒng)打壩排水的方法相比，形成作業(yè)環(huán)境速度快，止水效果好，工程投資少、工期短。

d.結(jié)合特殊配比的早強(qiáng)混凝土，維修效果好,適合病、險(xiǎn)、老閘水下結(jié)構(gòu)修復(fù)加強(qiáng),延長(zhǎng)工程使用期限。

這種新的工藝在水利行業(yè)嶄露頭角，為水閘運(yùn)行中類似故障排查分析與檢修提供了新思路，具有一定實(shí)用推廣價(jià)值。

7 未來(lái)研究展望

門槽水下部分損壞是水閘運(yùn)行一定年限后的通病，采用局部擋水修補(bǔ)的方式畢竟屬于補(bǔ)救，且維修前期措施繁雜。因此可在水閘設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下幾點(diǎn)。

7.1 雙側(cè)檢修門槽

在工作閘門上下游側(cè)設(shè)計(jì)兩套檢修門槽，為閘室內(nèi)水下檢修提供便利。這在江蘇省江陰市白屈港船閘門槽維修中已有成功實(shí)施案例，2018年該船閘進(jìn)行水下門槽檢修時(shí)即采用雙側(cè)檢修門堵水的方法進(jìn)行施工，但要注意這種方法在門槽設(shè)計(jì)制造時(shí)就要充分考慮大水位差情況下檢修門槽和檢修閘門的安全強(qiáng)度，在檢修施工時(shí)更要注意兩套檢修閘門之間的支撐加固措施。

7.2 活動(dòng)門槽

設(shè)計(jì)成可便捷拆卸組裝的門槽軌道結(jié)構(gòu)，可減少相關(guān)水下施工措施，便于更換。

7.3 整體U形鋼門槽

設(shè)計(jì)成整體式U形鋼門槽，兼顧工作閘門啟閉運(yùn)行軌道和門槽護(hù)鋼板之用，在建設(shè)施工時(shí)整體澆筑，提高整體剛度和壽命。

7.4 啟閉運(yùn)行方式改進(jìn)

檢修中發(fā)現(xiàn)，為通航需要，每次先小開(kāi)度開(kāi)啟閘門,待閘內(nèi)外水位相平后，閘門開(kāi)啟至最高位置，滿足通航和凈空要求。始流時(shí)，閘內(nèi)外水位差大，水壓力大，摩擦力作用導(dǎo)致埋件及局部混凝土損壞，并快速擴(kuò)大，這是門槽損壞的主要原因之一。建議改變閘室控制方式和閘門始流時(shí)啟門高度，并定期對(duì)主滾輪進(jìn)行保養(yǎng)。