淺談拼裝式鋁合金防水墻試驗

劉佳佳，張 倩

(1.武漢市城市防洪勘測設計院，湖北武漢 430014;2.長江水利委員會長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010)

淺談拼裝式鋁合金防水墻試驗

劉佳佳1，張 倩2

(1.武漢市城市防洪勘測設計院，湖北武漢 430014;2.長江水利委員會長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010)

介紹了拼裝式防水墻的拼裝原理、選材、試驗效果以及在國外運用情況和國內對新技術的研究和關注。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用前景，有關經驗可供相關專業人員參考。

拼裝式;鋁合金防水墻;試水試驗;應用前景

0 引言

隨著國家經濟建設的迅速發展，城市越來越重視生態建設，現代防洪工程的建設要在滿足防洪安全的前提下，既要符合城市發展規劃的需要，又要滿足親水性的要求，使人與自然能和諧相處。傳統的以填土筑堤和修建鋼筋混凝土防洪堤來提高防洪標準的結構形式，將河道與城市分隔，城市的土地資源沒有得到充分利用，已逐漸滿足不了城市發展和市民親水性的需求。為此，對可根據需要隨時裝卸、操作便捷、安裝時間短的新型防洪設施—拼裝式鋁合金防水墻的拼裝形式、選材進行了研發和試驗。通過試驗，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

打破傳統的擋水形式，采用輕型拼裝結構，能在需要擋水時，只需采用人工操作情況下，方便、快捷拼裝完成擋水結構，并通過壓緊裝置，將止水膠條壓緊后，達到止水效果。

2 材料選擇

(1)鋁材選材

根據鋁合金材料力學性能，采用6061T6鋁合金材質。6061-T6是6061合金的主要合金，是經熱處理預拉伸工藝生產的高品質鋁合金產品，其鎂、硅合金特性多，具有加工性能極佳、優良的焊接特點及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷及易于拋光、上色膜容易、氧化效果極佳等優良特點。6061鋁合金廣泛應用于裝飾、包裝、建筑、運輸、電子、航空、航天、兵器等各行各業。

(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、耐過熱水性能、在低溫下仍具有優秀的彈性、耐候性。三元乙丙橡膠主要應用于汽車密封條、船舶密封條、列車密封條、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

需要斜撐結構時，斜撐及橫撐等采用304不銹鋼件。

3 擋水試驗

本次試驗共試水7次，試驗共2跨，每跨寬2 m，高2 m，鋁材模具數量2套，膠條模具數量11套。

(1)鋁合金型材確定

試驗立柱及擋板材料采用6061-T6鋁合金型材，首次型材標準按GB/T14846-2008國家標準高精度進行制作，產品出廠后，進行檢驗，精度滿足不了試驗要求，進行二次型材制作，精度要求達到GB/T14846-2008國家標準超高精度，能滿足試驗要求。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，中部設加強筋。單根高度2.3 m的立柱總重109 kg，單塊2 m長的擋板總重21.7 kg，見圖1、圖2。

圖1 立柱結構

圖2 擋板結構

圖3 最下端首層擋板底部膠條

(2)試水試驗

首先對立柱進行安裝，通過螺栓對底座基礎進行固定，然后進入擋板拼裝，最后在上部利用壓板對擋板進行壓緊，并注水試驗。通過試水試驗，底部橫檔、基座接口處、立柱側邊、擋板與擋板之間均出現漏水，采用的型材和止水膠條均需改進，見圖3、圖4。

圖4 擋板間膠條

(3)第二次試水試驗

根據前期試水試驗，本次對底部采用原子灰找平，然后進入擋板拼裝，并在擋板上部兩側貼3M膠條，最后在上部利用壓板對擋板進行壓緊，并注水試驗。水位達到0.25 m高度時，底角有水流出后迅速滲水，為求證其它可能存在問題，繼續注水加高進行試驗，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，見圖5、圖6。

圖5 柱腳試水現狀

圖6 擋板試水現狀

(4)第三次試水試驗

本次試驗在前期基礎上，將擋板膠條改為端部伸出羊角，拼裝后進行注水試驗，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。通過分析，建議后期增加擋板層數以增強擋板頂部壓力;考慮施工現場的條件，改進底部膠條形式，以應對結構面不平的狀況;由于立柱腳部止水一直存在滲水的問題，故設想將豎向膠條沉入底面結構內，讓擋板及擋板膠條直接與豎向膠條碰接，尋求能否解決此問題。

(5)第四次試水試驗

通過底部膠條改進，增加厚度計齒條，以便應對底部結構面不平的狀況，由于原豎向膠條太厚，安裝困難，將豎向膠條改薄后安裝，并進行試水試驗。注水至0.1 m時，底部膠條就滲水，水位繼續加高，最終底部膠條在擋板和水壓力下扭曲變形，喪失止水作用。個別擋板層間滲水，水從擋板層的中部滲出，說明擋板層間的膠條并沒有完全壓緊變形，導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

擋板層間膠條將原實心羊角改為中空形式，并增加高度以提高彈性變形。由于立柱空腔進水，立柱膠條上齒條過多，對止水沒有起到作用，因此，將立柱豎向膠條改為空心平面增強止水。改進后拼裝注水，立柱膠條受壓變形，擋板層間滲水情況沒有明顯改觀，說明膠條在某些位置變形量不夠，或者沒有變形。拆卸后，發現立柱膠條在擋板向下安裝的過程中局部方向反向變形，影響止水效果。

(7)第六次試水試驗

擋板層間膠條羊角改為實心，羊角厚度增加，為增強立柱膠條的潤滑，采用潤滑油進行潤滑試驗。擋板在安裝過程中，可以看到立柱膠條已經擠壓變形，水位到0.8 m之前，完全無滲水，水位高于0.8 m時，逐漸滲水，但通過調整增大頂部壓桿壓力，可以繼續止水。水位達到1.81 m時，除最下端擋板層底部膠條由于在不斷的壓力下，向內收縮，導致局部滲水，其它部位無滲水現象，止水效果較好，還是存在底部止水效果差，以及潤滑劑效果不好，安裝困難，見圖7。

圖7 第六次試水試驗

(8)第七次試水試驗

更換底部膠條，提高止水效果，更換潤滑劑以及更改頂部壓桿結構，降低側摩擦力及增加壓緊效果。通過改進，注水高度達到1.83m后，除極個別滲漏點，呈緩慢淚珠狀，其它部位均無滲水，試驗成功。

4 試水試驗結論

通過試驗，拼裝結構的加工工藝、整體穩定、細部止水及各部件結合處理均達到防水要求。并且在試驗過程中不斷改進，降低擋板層間膠條與立柱豎向膠條粘合出現滲水間隙的風險，針對立柱底部止水結構分析出有效的解決方案。結合國內鋁材加工工藝，從安全角度考慮，本次試驗結構型材壁厚較厚，可以在后期研發中，根據不同工況，適當調整型材結構尺寸，以達到最安全、經濟擋水效果。

5 拼裝式鋁合金防水墻在國外應用的介紹

鋁合金防汛墻在歐洲使用較多，在捷克、奧地利、德國、斯洛伐克、荷蘭等國家都有廣泛使用，見圖8。據德國媒體報道，移動防洪擋板最早于1984年被科隆市購買并投入使用，總長度超過10 km。自1997年開始，捷克首都布拉格市實施防洪系統建設，項目主要措施是建設一個能夠承受3 700 m3/s的洪水并且留有40～60 cm超高的堤壩。在2002年洪災之后，又加高30 cm，承受洪水能力達到5 000 m3/s。

圖8 2013年奧地利北部小鎮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內的運用前景

一般城市河道洪水期歷時較短，為保證防洪安全，傳統堤防大多為永久性防洪擋水結構，將河道與城市隔裂開，單調高聳的堤防阻礙市民觀江，造成市民臨水不見水。隨著城市發展，市民對觀江親水需求強烈，傳統堤防形式己不能滿足城市發展的要求。國外已將城市防洪設計作為一門新興的水利學科進行研究，其中涉及到水力學、水生態學、景觀設計、美學、環境心里學等諸多學科。在此方面，我國的起步較晚，但隨著發展的需要，也已迫切需要進一步深化研究。通過試驗，拼裝式鋁合金防水墻既能確保防洪安全又能滿足城市環境景觀需求，將在今后城市防洪和沿江景觀帶工程建設中得到廣泛的使用。

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2015-07-13

劉佳佳(1981-)，男，湖北武漢人，工程師，從事水利工程設計工作。