杭甬運(yùn)河新壩船閘下閘首底板加固改造技術(shù)

石進(jìn)，張公略，肖駿，李浙江

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，中國(guó) 杭州 310012）

1 工程概況

杭甬運(yùn)河新壩船閘位于杭州市蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)南側(cè)，按500 噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，閘室有效尺度為200m×12m×2.5m，設(shè)計(jì)船型吃水深度為1.85m，設(shè)計(jì)年過(guò)閘貨運(yùn)量通過(guò)能力為1020 萬(wàn)噸（雙向），于2009年1月建成運(yùn)營(yíng)，是杭甬運(yùn)河杭州段溝通浦陽(yáng)江和西小江的咽喉要道。

新壩船閘下閘首為現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，平面尺度為16.0m×22.1m（順?biāo)飨颉链怪绷飨颍?，閘門型式為平面提升門，輸水系統(tǒng)為短廊道集中輸水系統(tǒng)，基礎(chǔ)為水泥攪拌樁復(fù)合地基+擴(kuò)大基礎(chǔ)。

圖1 新壩船閘航拍圖

圖2 下閘首平面圖

近年來(lái)，在下游季節(jié)性低水位期間，新壩下閘首區(qū)域經(jīng)常發(fā)生船舶觸底碰撞事件，造成下游漿砌塊石護(hù)坦、鋼筋混凝土護(hù)坦及下閘首底板破損。漿砌塊石護(hù)坦中的塊石被帶入下閘首區(qū)域，卡在閘門門槽附近，造成平面提升門門底變形，閘門漏水。新壩船閘運(yùn)營(yíng)中心多次安排潛水員進(jìn)行水下清障，發(fā)現(xiàn)下閘首門檻破損日益嚴(yán)重，且有加速趨勢(shì)，更嚴(yán)重的是船舶撞擊導(dǎo)致新壩船閘下閘首底板頂層主筋被拉斷，嚴(yán)重威脅下閘首結(jié)構(gòu)安全和過(guò)往船舶的通航安全。

2020年7月，新壩船閘運(yùn)營(yíng)中心對(duì)新壩船閘下閘首門檻等結(jié)構(gòu)進(jìn)行水下探摸檢查，并對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行檢查和評(píng)估。

檢查結(jié)果表明：下閘首門檻頂面中部4m 范圍內(nèi)有明顯碰撞破損，門檻側(cè)面中部4m×0.3m（長(zhǎng)×高）范圍內(nèi)保護(hù)層全部剝落，鋼筋外露，翹起礙航部分已被割除；門檻頂面破損變形上翹壓條已割除。下閘首中部消力檻頂面有明顯碰撞破損，1 處開裂，側(cè)面有砼剝落，鋼筋外露。根據(jù)《水運(yùn)工程水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》（JTS 304-2019），經(jīng)檢測(cè)評(píng)估，下閘首結(jié)構(gòu)安全性和耐久性已不滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)破損已顯著影響結(jié)構(gòu)承載能力，結(jié)構(gòu)安全性評(píng)級(jí)為C 級(jí)，結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)級(jí)為C 級(jí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，補(bǔ)強(qiáng)。

圖3 新壩船閘下閘首底板損壞范圍

2 破損原因及影響分析

新壩船閘自2009年建成通航以來(lái)過(guò)閘船舶數(shù)量和過(guò)閘貨運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，2019年過(guò)閘貨運(yùn)量達(dá)到了1915萬(wàn)噸（雙向），已經(jīng)遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)通過(guò)能力（1020 萬(wàn)噸），處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，水工建筑物老化嚴(yán)重。新壩船閘設(shè)計(jì)船型的吃水深度為1.85m。近年來(lái)船舶大型化趨勢(shì)明顯，目前實(shí)際過(guò)閘船舶的吃水為2.1～2.6m，少數(shù)吃水達(dá)2.8 米，超標(biāo)嚴(yán)重，特別是近年來(lái)船舶為了保護(hù)螺旋槳普遍加設(shè)了拖泥設(shè)施，船舶實(shí)際吃水進(jìn)一步加大，在下游低水位期間大型船舶極易觸底碰撞。超負(fù)荷運(yùn)行和船舶大型化是導(dǎo)致下閘首底板破損的主要原因。

過(guò)閘船舶的觸底碰撞對(duì)船閘的影響如下：

（1）影響過(guò)閘船舶的通航安全。下閘首底板頂層被船舶刮起的鋼筋及下游漿砌石護(hù)坦被帶至下閘首底板區(qū)域的塊石極易造成過(guò)往船舶的擱淺和損壞，造成船閘的堵航，并可能會(huì)進(jìn)一步引起相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題。

（2）影響船閘的結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。下閘首門檻頂層混凝土受損剝蝕較深，范圍較大，且主受力鋼筋被切斷割除。主受力鋼筋的缺失會(huì)完全改變閘首底板的受力狀態(tài)，已嚴(yán)重影響下閘首的結(jié)構(gòu)安全，如不及時(shí)修復(fù)，很可能產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全事故。另一方面，對(duì)于主受力鋼筋尚未割除的底板頂面，因表面的混凝土破損，鋼筋出露導(dǎo)致的鋼筋銹蝕會(huì)進(jìn)一步引起混凝土面層結(jié)構(gòu)脹損剝落，如果不及時(shí)修繕處理，結(jié)構(gòu)的耐久性將進(jìn)一步降低進(jìn)而影響船閘的安全運(yùn)行。此外，在關(guān)閉閘門過(guò)程中被刮起的塊石、混凝土及鋼筋等對(duì)閘門門體也會(huì)造成一定損傷。同時(shí)，下閘首也是浦陽(yáng)江防洪墻的有效組成部分，閘首結(jié)構(gòu)的損壞可能還對(duì)防洪帶來(lái)不可預(yù)見的影響。如果水工結(jié)構(gòu)的破壞加劇，還會(huì)使未來(lái)的維修成本成倍攀升。

（3）影響船閘運(yùn)行的效率。由于底板的破損和閘門的變形，下閘首底板頂面和鋼閘門之間在關(guān)閉狀態(tài)下存在較大的漏洞，將增大船閘閘室內(nèi)水體的滲漏量，影響船閘的充泄水時(shí)間，進(jìn)而影響船閘的運(yùn)行效率。

3 下閘首底板加固改造技術(shù)

3.1 技術(shù)思路

為快速合理有效地修復(fù)閘首底板并解決船舶卡阻現(xiàn)象，在管理和工程措施中考慮了以下幾個(gè)方案：①將閘首底板恢復(fù)原狀，控制過(guò)閘船舶尺度或提高下游最低通航水位。②根據(jù)船舶底部形狀和拖泥設(shè)施的布置將閘首底板改成下凹的形狀，增加門檻水深。

按照方案①將降低船閘的通過(guò)能力，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生較大影響，且提高船閘設(shè)計(jì)水位涉及一系列審批程序。按照方案②基本可以解決方案①中的船閘通過(guò)能力問(wèn)題，但是底板結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)力重新分布，可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全，因此，該方案需要深入分析研究，做到技術(shù)可操作，施工快速便捷，結(jié)構(gòu)安全可靠。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們創(chuàng)新性地提出了一種船閘閘首底板下凹式加固改造技術(shù)。

3.2 改造技術(shù)

閘首底板下凹式加固改造包括下凹式底板改造和的下凸式閘門改造。改造的下凹式底板由原底板鑿除后的保留結(jié)構(gòu)加上預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)錨固構(gòu)件及固定鋼結(jié)構(gòu)的新澆部分底板組成；改造的下凸式閘門包括原閘門，新增門體和新增止水。

圖4 下閘首加固改造示意圖

（1）閘底板下凹改造技術(shù)。下凹式底板改造需要首先鑿除下閘首中軸線兩側(cè)3.5m 范圍內(nèi)的底檻表層混凝土0.34m，開設(shè)凹槽。凹槽兩側(cè)局部加深，作為錨固構(gòu)件安裝槽。外露的下閘首底板鋼筋留出一定長(zhǎng)度，其余部分割除。錨固構(gòu)件有一系列的鋼板焊接而成，放置于開設(shè)的底板凹槽兩側(cè)的安裝槽內(nèi)，斷開的下閘首底板鋼筋焊接于格型預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)肋板之上。然后在開設(shè)的底板凹槽表面粘貼鋼板，鋼板與預(yù)先植入在底板凹槽底部的鋼筋穿孔塞焊，同時(shí)兩側(cè)與鋼結(jié)構(gòu)錨固構(gòu)件焊接，形成一個(gè)穩(wěn)定的錨固體系。最后在所有縫隙及格型預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)錨固件隔倉(cāng)內(nèi)灌填環(huán)氧砂漿，形成最后的下凹式底板結(jié)構(gòu)。通過(guò)此種方法，凹槽底部的鋼板代替了原底板頂層鋼筋，并通過(guò)格型預(yù)制錨固鋼結(jié)構(gòu)件與原底板形成一個(gè)牢固的整體。

圖5 下閘首錨固體系示意圖

（2）下凸式閘門改造技術(shù)。由于底板改造，下閘首工作門門檻中部5m 范圍內(nèi)高程降低0.3m，為滿足擋水要求，需要對(duì)下閘首工作閘門同步進(jìn)行局部改造，在閘門的下緣新增門體。閘門改造前，對(duì)門體進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)損壞部分進(jìn)行修繕。新增門體由面板、筋板、止水壓板等組成，用六角螺栓固定在原閘門底部，形狀與底板凹入部分一致。由于閘門下緣形狀改變，需要更換折線形底止水，為保證止水連接質(zhì)量，需要在工廠內(nèi)提前應(yīng)用熱膠對(duì)止水進(jìn)行粘接并預(yù)留足夠的修正余量。閘門改造后，由于底部存在凸起部分，可能導(dǎo)致門體無(wú)法下放到位，為解決此問(wèn)題，在側(cè)軌底部30cm 范圍內(nèi)兩側(cè)各焊接一塊不銹鋼導(dǎo)向貼板輔助閘門入位，貼板厚度門體調(diào)中后確定，貼板與門體側(cè)向滑塊間隙為3mm。

圖6 閘門改造示意圖

（3）結(jié)構(gòu)安全分析。由于下閘首底板部分區(qū)域變薄，底板鋼筋被表面粘貼的鋼板替代，底板受力發(fā)生了變化，為驗(yàn)證下閘首在加固改造施工期和之后的運(yùn)行期的結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)用有限元軟件對(duì)下閘首底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，本次驗(yàn)算考慮擴(kuò)大基礎(chǔ)對(duì)閘首結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)算工況包括原船閘的運(yùn)行工況及本次搶修的施工工況。結(jié)果見圖7～圖10。各工況下的下閘首底板水平向拉應(yīng)力均未超過(guò)C25 混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，閘首底板改造修復(fù)后滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖7 正向水頭工況下閘首底板水平向應(yīng)力分布

圖8 反向水頭工況下閘首底板水平向應(yīng)力分布

圖9 施工工況下閘首底板水平向應(yīng)力分布

圖10 校核洪水工況下閘首底板水平向應(yīng)力分布

4 下閘首底板加固改造效果

經(jīng)過(guò)本次改造，新壩船閘恢復(fù)通航后，未出現(xiàn)船舶在下閘首區(qū)域的擱淺的情況，過(guò)閘效率有所提高；施工期和使用期的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，閘首結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)正常，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。該底板加固改造方案在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下解決了既有老舊船閘門檻水深不足的問(wèn)題。閘首底板改造和閘門改造工期約14 天，可以利用船閘歲修期完成施工，將船閘斷航的社會(huì)影響減至最低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)既有老舊船閘門檻水深不足的問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了船閘閘首的下凹式底板加固改造技術(shù)及其相應(yīng)的工程措施，可以在保證閘首結(jié)構(gòu)安全的前提下，保障過(guò)閘船舶的通航安全，消除了閘首底板在長(zhǎng)期碰撞下發(fā)生損壞的隱患。該套技術(shù)方案可為類似工程的加固修復(fù)設(shè)計(jì)提供借鑒。