大孔口通航水閘設(shè)計建造關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

祝 勝，程雪辰，張志建，董 建

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.浙江省圍海建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315040)

姚江上游余姚西分工程位于浙江省寧波市余姚市，是浙江省重點(diǎn)建設(shè)工程。工程通過在姚江上游瑤街弄興建調(diào)控樞紐，新增姚江分洪出路，減輕余姚城區(qū)及姚江干流的防洪壓力。工程主要由瑤街弄調(diào)控樞紐、新開姚江至“北排”排澇通道及沿途泵閘站等建筑物組成。其中瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘，孔口寬度45.3m，為大孔口通航水閘，其設(shè)計建造具有顯著特點(diǎn)和難點(diǎn)。本文提出了該大孔口通航水閘地基處理、混凝土性能提升、大體積混凝土溫控防裂和超大跨度閘門建造等關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用情況。

1 工程概況

余姚西分工程主要由瑤街弄調(diào)控樞紐(含擋洪閘、削峰調(diào)控閘、應(yīng)急船閘，上下游連接堤防等)、斗門閘、管理用房及附屬配套工程等組成；工程概算投資5.51億元。工程于2017年8月25日開工，2023年6月28日完工。

瑤街弄調(diào)控樞紐按“三閘聯(lián)建”方案布置，擋洪閘位于姚江河道正中間，南側(cè)布置削峰調(diào)控閘，北側(cè)布置應(yīng)急船閘。為滿足通航要求，擋洪閘上下游正對姚江Ⅲ級限制性航道(航道底寬45m)，設(shè)1孔x45m平面直升門，主要功能是在汛期下閘擋洪，平時常開過流通航。擋洪閘設(shè)計簡介如下。

1.1 閘室設(shè)計

閘室底檻高程-3.67m，孔口結(jié)構(gòu)寬45.3m，兩側(cè)閘墩寬3.5m，閘室底板垂直水流方向總寬52.3m；順?biāo)鞣较蜷L20m。擋洪閘兼做通航孔，兩側(cè)閘墩設(shè)置鋼護(hù)舷(單側(cè)高0.15m)，通航孔凈寬45.0m。對分離式底板閘室結(jié)構(gòu)與整體式底板閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，在投資相差不大的情況下，因整體式底板在抗超標(biāo)準(zhǔn)荷載的安全儲備及運(yùn)行期變形方面具有明顯優(yōu)勢，故采用整體式底板結(jié)構(gòu)方案；閘室整體式底板厚2.5m。閘室兩側(cè)閘墩上設(shè)閘門啟閉排架，設(shè)鎖定層、檢修層、啟閉層、連廊層，總高度42.17m。擋洪閘縱剖面如圖1所示。

圖1 擋洪閘縱剖面

1.2 地基處理

瑤街弄調(diào)控樞紐地基土層為Ⅲ1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，為高壓縮性、高含水量、低強(qiáng)度的軟土，性質(zhì)差，厚度大，允許承載力特征值fk=55kPa。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，擋洪閘閘室下部地基處理采用鉆孔灌注嵌巖樁，樁徑1.0m，樁端進(jìn)入弱風(fēng)化凝灰?guī)r層不小于0.5m；上、下游鋼筋混凝土護(hù)坦采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理。

1.3 防滲排水及消能防沖設(shè)計

擋洪閘樁基采用嵌巖樁，存在閘室底板與地基土脫離的可能性，在閘室底板上游端設(shè)置長4m的防滲板樁，以防止底板與土體脫空引起接觸沖刷。經(jīng)計算擋洪閘下游側(cè)無遠(yuǎn)離水躍產(chǎn)生，無需修建消能工。下游側(cè)設(shè)置長15m鋼筋混凝土護(hù)坦及25m混凝土海漫進(jìn)行防護(hù)。

2 大孔口通航水閘設(shè)計建造主要特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)閘室結(jié)構(gòu)剛度差異大，荷載分布不均，不均勻沉降問題突出。閘室底板凈跨45.3m，厚2.5m，兩側(cè)閘墩單寬3.5m，頂部高程11.0m，兩側(cè)閘墩剛度遠(yuǎn)大于底板剛度，底板薄壁效應(yīng)明顯。閘室豎向及水平荷載均主要作用在兩側(cè)閘墩，再由閘墩傳遞至底板，底板應(yīng)力分布不均。閘室寬度與高度均較大，對變形十分敏感，閘室地基處理安全性、可靠性成為工程設(shè)計的重中之重。

(2)閘室底板和閘墩混凝土采用C30W4F100，二期混凝土為C35W4F100。根據(jù)當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)規(guī)定，為減少環(huán)境污染，工程所需混凝土必須采用商品混凝土。商品混凝土與水工混凝土在配合比設(shè)計理念上有一定差別，商品混凝土更關(guān)注混凝土強(qiáng)度，而水工混凝土則對混凝土的耐久性能和抗裂性能提出了更高的要求。

(3)閘室底板和墩墻為大體積混凝土部位，采用泵送混凝土，水泥用量多、水化熱大，施工期溫控防裂問題較為突出。

(4)工作閘門為國內(nèi)最大跨度平面直升鋼閘門。在閘門入槽、質(zhì)量控制等方面有較多難題需解決。

鑒于上述特點(diǎn)和難點(diǎn)，大孔口通航水閘設(shè)計建造具有較大的挑戰(zhàn)性，特別是閘室地基處理、商品混凝土性能提升、大體積混凝土溫控防裂措施和超大跨度閘門建造等關(guān)鍵技術(shù)問題，需開展專項(xiàng)研究。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究及主要成果

3.1 閘室地基處理關(guān)鍵技術(shù)

(1)閘室底板設(shè)置寬縫(后澆帶)分塊澆筑，底板過寬縫主筋采用微彎弧形鋼筋。閘室采用整體式底板結(jié)構(gòu)，為減小差異沉降附加應(yīng)力和施工期溫度應(yīng)力對閘室結(jié)構(gòu)的影響，在兩側(cè)閘墩邊聯(lián)底板與中聯(lián)底板設(shè)置寬縫，分塊澆筑，如圖2所示。

圖2 閘室底板分塊及寬縫布置(單位：mm)

基于實(shí)際施工安排偏不利情況，在兩側(cè)閘墩澆筑至墩頂11.0m高程后，再對兩側(cè)邊聯(lián)與中聯(lián)底板進(jìn)行并縫。兩側(cè)邊聯(lián)樁基需滿足承受并縫前上部荷載要求。考慮到閘室水平荷載均直接作用于兩側(cè)閘墩上，增加靠近閘墩處樁基同樣有利于減小底板由水平荷載引起的內(nèi)力，對閘室結(jié)構(gòu)安全有利。

底板預(yù)留寬縫的部位，布置有多層受力主筋，若過縫鋼筋不截斷，則鋼筋對兩側(cè)澆筑塊施工期的溫度變形有限制作用，不能有效減小澆筑塊的溫度應(yīng)力，鋼筋也會出現(xiàn)較大應(yīng)力，使鋼筋在運(yùn)行期出現(xiàn)鋼筋承載力損失。若將過縫主筋先期截斷，待分塊混凝土澆筑且溫度變形完成后連接主筋，則存在因鋼筋密集、作業(yè)空間狹小導(dǎo)致施工困難，施工質(zhì)量難以保證的缺點(diǎn)。結(jié)合工程研究成果和經(jīng)驗(yàn)，采用將底板過縫上下層受力主筋加工成微彎圓弧形狀，如圖3所示。

圖3 閘室底板過寬縫鋼筋大樣

寬縫回填前利用微彎圓弧段鋼筋的伸縮適應(yīng)混凝土溫度變形，降低過縫鋼筋及附近混凝土在施工期的溫度應(yīng)力。寬縫回填后微彎圓弧鋼筋在混凝土約束下正常受力。相較于傳統(tǒng)的過寬縫鋼筋先截斷再焊接或機(jī)械連接的施工工藝，提高了施工效率，保障施工質(zhì)量。

(2)采用變剛度調(diào)平設(shè)計理念進(jìn)行閘室樁基設(shè)計。針對閘室結(jié)構(gòu)剛度差異大、荷載作用分部不均的特點(diǎn)，為避免樁基產(chǎn)生較大差異沉降和底板某些部位產(chǎn)生較大應(yīng)力，引入高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計中的變剛度調(diào)平設(shè)計理念，通過調(diào)整樁基豎向支承剛度分布使差異沉降減小、底板應(yīng)力降低。結(jié)合工程實(shí)際情況，樁基變剛度調(diào)平采用調(diào)整樁距布置來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 底板樁基布置(變剛度樁基布置方案)(單位：mm)

根據(jù)計算，相較于傳統(tǒng)均勻布樁方案(如圖5所示)，采用變剛度方案在樁數(shù)減少2根(占總樁數(shù)4.3%)情況下，使并縫后閘室結(jié)構(gòu)變形減小(最大水平位移降低15%，最大豎向位移降低2%)，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力水平明顯降低(最大拉應(yīng)力降低30%)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力顯著降低(最大彎矩值降低約30%)，樁基最大軸力值有所降低(1.1%)，同時不同部位樁軸力趨于均勻(最大最小軸力比值降低6%～12%)，閘室整體安全性明顯提高。

圖5 底板樁基布置(傳統(tǒng)均勻布樁方案)(單位：mm)

3.2 商品混凝土性能提升關(guān)鍵技術(shù)

閘室底板和閘墩混凝土采用C30W4F100，二期混凝土為C35W4F100，由工地附近商品混凝土公司提供。對商品混凝土公司混凝土原材料、配合比、工作性、全面性能等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)復(fù)核，其原材料品質(zhì)滿足現(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范要求，混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、極限拉伸、抗?jié)B等級滿足設(shè)計要求。但抗凍試驗(yàn)表明：C30混凝土不能滿足F100的抗凍要求。

3.2.1 商品混凝土抗凍、抗裂性能提升試驗(yàn)研究

為了提高商品混凝土的抗凍性能，進(jìn)行了摻引氣劑混凝土試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入1.2/萬引氣劑后，混凝土拌合物坍落度、含氣量均有所增加，混凝土28d抗壓強(qiáng)度超過配制強(qiáng)度；彈模、極限拉伸值變化均不大；抗?jié)B及抗凍均滿足設(shè)計要求。

為了提升商品混凝土抗裂性能，根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行了摻微纖維混凝土試驗(yàn)。摻入聚丙烯纖維后，引氣劑摻量需提高到1.5/萬，混凝土拌合物的坍落度略有降低，混凝土抗壓強(qiáng)度、彈模變化均不大；28d極限拉伸值略有提高；抗?jié)B及抗凍均滿足設(shè)計要求。平板法抗裂性試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入微纖維后，僅出現(xiàn)非常細(xì)的裂紋，抗裂性等級均為Ⅲ級；說明摻入纖維后，對抑制混凝土裂縫產(chǎn)生、提高抗裂性能有利。

3.2.2提出滿足水工混凝土性能要求、經(jīng)濟(jì)性較好的配合比

在C30、C35常規(guī)混凝土配合比基礎(chǔ)上，通過摻加引氣劑和聚丙烯微纖維試驗(yàn)研究，提出商品混凝土公司能穩(wěn)定生產(chǎn)，滿足水工混凝土性能要求的配合比，見表1。

表1 高性能水工混凝土配合比

經(jīng)測算，在C30常規(guī)商品混凝土配合比中按0.059kg/m3摻加引氣劑，成本增加0.47元/m3。在C30常規(guī)混凝土配合比中按0.9kg/m3摻加聚丙烯微纖維，成本(含人工費(fèi))增加16.39元/m3。

3.3 大體積混凝土溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)

閘室地基為軟基，對基礎(chǔ)混凝土約束小，混凝土溫度控制以控制內(nèi)外溫差為主。閘室底板厚2.5m，閘墩單側(cè)寬度3.5m，為大體積混凝土澆筑部位。采用混凝土攪拌車運(yùn)輸，汽車泵澆筑。

根據(jù)工程區(qū)的氣溫水溫條件，以及混凝土熱學(xué)性能參數(shù)，對不同月份開澆情況下的閘室混凝土溫度及溫度應(yīng)力進(jìn)行計算分析，研究確定擋洪閘混凝土主要溫控措施見表2。

表2 閘室混凝土最高溫度控制措施表

按照施工進(jìn)度計劃，對閘室進(jìn)行施工期溫度及溫度應(yīng)力仿真計算。結(jié)果表明，采取上述溫控措施后，閘室底板及墩墻各部位最高溫度基本能滿足溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，局部略有超標(biāo)，但超標(biāo)幅度不大；各部位的溫控抗裂安全系數(shù)達(dá)1.87以上，滿足規(guī)范規(guī)定，并符合設(shè)計抗裂安全系數(shù)不小于1.65的要求。

擋洪閘底板于2018年11月26日分3塊、單層一次澆筑完成；左、右閘墩各分3層澆筑，首倉于2018年12月10日開始澆筑，2019年1月10日澆筑至高程11.0m，層間間歇均不超過14d。混凝土施工采取表2對應(yīng)時段溫控措施，通水冷卻時間14d。

根據(jù)混凝土實(shí)體測溫結(jié)果，底板混凝土溫度在6.1～47.3℃之間，墩墻混凝土溫度在5.8～40.4℃之間，各部位最高溫度基本能滿足溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，局部略有超標(biāo)，但超標(biāo)幅度不大。擋洪閘大體積混凝土部位施工完成后，參建單位按規(guī)范要求對混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測和檢查，檢測項(xiàng)目質(zhì)量全部滿足規(guī)范要求，外觀檢查沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。

經(jīng)測算除常規(guī)保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施外，該工程溫控防裂僅新增了預(yù)埋PE水管、通水冷卻14d的措施，增加通水措施費(fèi)約18.75元/m3。實(shí)踐效果表明，采取的溫控防裂綜合措施是合理有效和較為經(jīng)濟(jì)的。

3.4 超大跨度平面直升門設(shè)計建造關(guān)鍵技術(shù)

擋洪閘工作閘門為露頂平面直升鋼閘門，門葉寬47.60m，門高8.3m，門厚3.824m，重量約340t。門葉為桁架式結(jié)構(gòu)，設(shè)置3榀水平主桁架，主要弦桿截面為焊接組合結(jié)構(gòu)；水平梁系及縱向聯(lián)結(jié)系等結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B。

工作閘門平時鎖定在門槽頂部11.0m高程處，通過設(shè)置在22.0m高程啟閉平臺上的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉操作，如圖6所示。

圖6 擋洪閘工作閘門和啟閉機(jī)布置

3.4.1 閘門分段分節(jié)入槽安裝關(guān)鍵技術(shù)

針對現(xiàn)場作業(yè)面狹窄、閘門不能整體入槽，通過超限大件運(yùn)輸方案研究、閘門三維有限元結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算，將閘門分段分節(jié)為8個單元體，如圖7所示。

圖7 工作閘門單元體劃分

在工廠制造后運(yùn)至現(xiàn)場，按順序依次吊裝入槽，在門槽內(nèi)完成閘門整體焊接拼裝。

閘門分段分節(jié)入槽安裝關(guān)鍵技術(shù)解決了超大跨度閘門不能整體入槽的問題；既實(shí)現(xiàn)了閘門跨中不被分段，也保持了兩端剛性區(qū)塊完整和側(cè)向水封安裝面不被分割，有利保證兩端水封、支承滑塊安裝精度。減少現(xiàn)場焊接工作量和工作面占壓時間，縮短了工期。

3.4.2 智能測量及BIM虛擬拼裝技術(shù)

將閘門分節(jié)、分段，主梁4次分割成為8件單元體，運(yùn)到工地現(xiàn)場再用焊接方式拼接的方案，存在隨著主梁被多次分割后，經(jīng)焊接拼接形成整體的累積誤差會呈線性增加的情況。

為此，在閘門建造過程中采用了智能測量及BIM虛擬拼裝技術(shù)。通過激光跟蹤智能測量，取得每個單元體的三維形位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行BIM虛擬拼裝，復(fù)核單元體虛擬拼裝形成整體后的相關(guān)尺寸，并進(jìn)行實(shí)體修正。通過高精度大件三維測量能力輸出精確的測量數(shù)據(jù)，為大跨度閘門整體拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求提供技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，通過“整體預(yù)拼裝精確定位裝置、門槽設(shè)置可調(diào)拼裝平臺、門葉約束控制、控制焊接次序、精準(zhǔn)預(yù)留焊接收縮量”等一系列關(guān)鍵技術(shù)，使超大跨度閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)寬度20m平面閘門質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，見表3。

表3 門葉整體尺寸檢測表 單位：mm

4 結(jié)語

(1)大孔口通航水閘整體式底板設(shè)置寬縫、分塊澆筑，過縫主筋采用微彎弧形鋼筋的技術(shù)，以及采用變剛度調(diào)平設(shè)計理念進(jìn)行閘室樁基設(shè)計的方法，可供類似工程結(jié)構(gòu)借鑒和參考。

(2)常規(guī)商品混凝土配合比摻加適量外加劑后，可以滿足本工程水工混凝土性能要求；水閘大體積部位采用泵送商品混凝土澆筑，采取科學(xué)合理的溫控防裂措施，混凝土內(nèi)部最高溫度可基本滿足要求，各部位的溫控抗裂安全系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定。由于各地商品混凝土配合比及原材料存在差異，建議對擬采用商品混凝土進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)復(fù)核工作。

(3)智能測量及BIM虛擬拼裝技術(shù)，能明顯提高大尺寸金屬結(jié)構(gòu)拼裝質(zhì)量保障水平，建議水利行業(yè)推廣使用。