U形鋼圍堰及水下環氧混凝土快速修復閘門門槽的創新應用

陳 華 繆慧麗 田磊磊

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

1 引 言

水閘工程經長期頻繁使用，水下基礎工程特別是閘門門槽部位易出現不同程度的損壞，嚴重時會直接影響工程的運行安全。傳統維修方法需要在河道打壩、排水，形成施工作業環境才能進行水下基礎工程的維修。但這種方法投資大、周期長，并不適合需頻繁運用的節制閘、換水閘或停運會造成較大影響的船閘。

針對此類水閘，如何高效、便捷又切實可行地解決問題，刻不容緩。本文通過深入實踐研究，開發出一套U形鋼圍堰施工工藝。鋼圍堰的作用主要是防水擋土，使基礎施工能在排水或靜水的環境中進行。鋼圍堰施工相關費用及施工停運、停航造成的影響相比傳統方法也明顯減少，可短期、便捷、高效地解決閘門門槽水下修復問題，已在上海多座水閘的門槽水下維修項目中得到成功應用。

2 工程概況

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

3 運行中的問題

大治河西閘船閘年累計通航噸位近3000萬t，24小時不斷通航，除大量社會船只外，也是上海市每天近萬噸生活垃圾環衛船通航的唯一水上口門，運行非常頻繁。運行至今已40多年，船閘內外閘首南北兩側門槽導軌和混凝土水下部分破損嚴重，導致閘門升降至距離底板250～300mm時有明顯卡阻，當內外河水位差較大時甚至無法啟閉。

4 問題分析

大治河船閘外河緊鄰黃浦江，受潮汐影響，內外河水位差不斷變化，通常在1m以上。因長期運用，啟閉次數頻繁，致使門槽鋼板腐蝕剝落，混凝土殘缺，門槽損壞嚴重。由于上游水壓力，當閘門側滾輪運行至損壞處時，就會發生閘門傾斜，甚至無法下行關閉。究其形成原因，除了門槽軌道銹蝕、混凝土本身老化松動外，還存在以下問題。

4.1 船舶撞擊

隨著經濟社會的發展，船閘通航量已遠超原設計規模，大量社會船只超載、進出閘室搶檔，船舶行進時對閘室的頻繁撞擊加速了門槽損壞。

4.2 設計及運行缺陷

上海很多早期船閘設計簡易，采用套閘結構，沒有排水孔和輸水廊道，僅通過開啟一側閘門進行補放水來平衡水位差，初始開啟高度值長年相對固定，開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輸要道，交通運輸繁忙，不具備打壩排水和檢修擋水施工條件，根據目前河道的運輸狀況，管理部門要求盡可能減少對通航的影響，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間內完成搶修施工。兩邊鋼圍堰同時就位，進行堵漏強排水，查勘門槽損壞情況，制定具體現場施工措施細節，在3天完成門槽維修施工。

5.1 維修方案

如采取傳統方法，在上下游打壩，然后排水施工，不僅打、拆土方量大，費用高，而且時間長，對上海市區環衛垃圾的外運影響太大，為此采用兩只鋼圍堰同時修補閘門兩側門槽的方法進行施工。這種方法既便捷又節省，費用遠低于打壩排水施工，且鋼圍堰可多次使用、長期使用和異地使用。根據現場勘查情況和門槽損壞水下探摸數據，用鋼圍堰對門槽水下垂直面部位進行檢修，對混凝土結構損壞處采用補強處理，對金屬結構預埋件損壞處進行焊補處理。

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，在沒有水位差的情況下，利用吊裝設備，將鋼圍堰U形口正對著門槽一側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一步定位。此時由于鋼圍堰沿口止水不可能與閘墻緊密貼合，因此鋼圍堰內外水位相平，沒有水位差。隨即采用潛水泵強排水，在鋼圍堰內外逐步形成水位差，隨著水位差增大，鋼圍堰與閘墻的接觸在內外水位差形成的壓力作用下越來越緊密。這時在鋼圍堰內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行堵漏，終可使鋼圍堰內積水基本排除，形成無水或少水的作業空間。積水一經排除，施工人員便可沿著鋼圍堰內的支撐鋼梁，進入施工位置，鑿除殘破混凝土并割除變形的門槽軌道鋼板、護角鋼等金屬結構，焊上新的門槽鋼板，再用環氧樹混凝土，添加早強劑，進行填補密實，12h后混凝土強度滿足要求，即可完工，施工現場見圖1、圖2。

圖1 鋼圍堰吊裝就位

圖2 鋼圍堰內門槽施工

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，根據閘首門槽寬度、門槽埋件布置、工作環境及施工期間潮位影響、吊裝等因素，設計兩只鋼圍堰，水平斷面尺寸為2.0m×1.9m，高度為5.5m，自重2.5t，左右岸兩側門槽同時施工。在臨時斷航的條件下，首先關閉內河側工作閘門擋水。在閘墩側標出圍堰安放位置，開啟外閘首工作閘門至最高位置，鎖定工作閘門，由臺吊將鋼圍堰吊裝至運輸船，運至施工現場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輸船離開。就位后，首先進行臨時支撐，以防止沖擊錯位。在堰頂搭設施工腳手架，布置潛水泵。一只鋼圍堰內水的體積約為18m3,考慮到滲水量，每孔以30m3計，布置3臺5.5kW和2臺0.75kW的潛水泵，其性能見表1。水泵安裝完畢后，接通電源，立即進行強抽水，使圍堰內外產生水頭差，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，隔斷滲水通道，從而逐步形成圍堰內施工部位的無水作業環境。局部漏水處由潛水員在圍堰外側堵漏，根據縫隙大小用長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

在鋼圍堰內具備作業條件后，施工人員搭設施工腳手架，先對門槽表面進行清理，去除污泥及黏著物，用水清洗干凈后，檢查門槽主軌埋件、側軌埋件、混凝土等部位的損壞情況，做好記錄。施工時根據閘門門槽軌道鐵、角鋼實際損壞情況，按設計尺寸對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，其材質為Q235；對原工字鋼腹板加強，使軌道預埋件形成鋼箱梁整體結構，利用搭接材料與原門槽鋼筋和工字鋼焊接，提高埋件的整體強度和剛度。鋼板之間的連接采用對接焊，焊后對過水斷面的焊縫進行磨平；處理完成后，對修補埋件進行防腐處理。補缺、更換的埋件與混凝土接觸面刷水泥砂漿。變形埋件應進行矯正、錨固，且必須與原門槽結構中的鋼筋焊牢。

5.2.3 門槽混凝土修補

門槽部位在無水狀態下，采用機械結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，無松動碎石。門槽埋件修補完成和修補混凝土表面鑿除后，用高壓水沖洗干凈，在作業面上用毛刷均勻涂刷一層水泥凈漿，用C30細石混凝土修補填實，門槽混凝土立模時，采用拔管法澆筑，為滿足流動度要求，水下混凝土強度需提高一個等級。邊澆筑混凝土邊振搗密實。為提高修補混凝土質量，本次混凝土采用新型水下環氧混凝土，該混凝土可在水下澆筑，固化快，混凝土有早期強度增長快、終期強度高等特點。

5.3 特殊情況處理

5.3.1 閘底板結構有起伏

在修補門槽前，要詳細了解水下結構，有門坎和底板呈斜坡形時，鋼圍堰底部就不能放平，將會帶來嚴重滲漏，影響施工。水下探察發現門槽底板與船閘閘室內壁有高5～6cm、寬8～10cm底板混凝土護角，對門槽維修施工造成嚴重影響，鋼圍堰無法與閘室內壁緊貼，大大增加了堵漏施工難度。因此根據水下地形實測數據對鋼圍堰堰底進行切割改造，并在堵漏材料(棉胎條)內加裹不同外徑鋼管以適應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構，且臨近黃浦江邊，潮汐影響明顯，對鋼圍堰在閘室內進行吊裝就位的施工浮吊船小角度起吊限高承重要求較高，見表2、表3。

a.施工船舶作業要求。

門槽維修施工作業船舶作業要求見表2。

表2 門槽維修施工作業船舶一覽表

b.浮吊船起吊參數

浮吊船起吊參數見表3。

表3 80t浮吊的起吊性能

經測算調試，吊裝時固定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合，隨著潮位變化，水從下沿口汲入門槽中，造成圍堰內噴水。經研究，將鋼板沿門槽附近前后各開一道通長的豎直剖口，使鋼圍堰直立邊正好插入豎直剖口中，解決了漏水問題。

5.3.4 HK-UW-1水下環氧混凝土

選用合適的材料，是確保修補效果的必要條件。HK-UW-1 水下環氧混凝土(砂漿)是一種強度高、可在水下固化,具有優良的抗沖磨、耐腐蝕性能，耐久性好的高分子復合材料，可在水下澆筑，固化快，混凝土早期強度增長快，終期強度高，收縮小，黏結力強，在水下不分散、自流平、自密實，低溫仍具有良好的流動性能。低稠度使其在低溫下仍具有良好的流動性能，可采用手工、電動或混凝土強力攪拌機進行拌和，并在水下直接進行澆筑。該材料在水下固化后具有很高的抗壓和抗折強度，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部位的混凝土缺陷修復處理，止封、加固和補強處理。實際操作時要注意以下幾點：

a.要根據當地的氣溫、砂石料的粒徑進行現場試驗以確定合適的樹脂用量，調整好各組分的配合比，見表4、表5。

表4 HK-UW-1水下澆筑混凝土主要性能指標

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%，否則將影響強度。

c.要先將砂、石、粉料拌勻后再開始配漿，以免產生樹脂快速固化的現象。

d.施工機具要及時用清洗劑清理，避免結硬。

e.嚴禁加入各類稀釋劑來調節稠度。

5.3.5 應急措施

水下門槽維修受水下修補工作面和損壞程度、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情況下，如果必須開閘通航，可將設備臨時吊出閘室，不影響通航。在滿足斷航的條件下，重復就位、堵漏等工序，分兩次將剩余工作任務完成，減少長時間斷航的不利影響。

6 結 語

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

a.適合水利工程日常運行管理中作為應急保障、防汛搶險、快速搶修的有效保障技術措施。

b.特別適合不能長時間斷航的船閘、頻繁運用的防汛排澇節制閘、承擔經常性城市清水活水功能的換水閘的水下檢修。

c.采用U形鋼圍堰創造接近無水的施工作業環境，與傳統打壩排水的方法相比，形成作業環境速度快，止水效果好，工程投資少、工期短。

d.結合特殊配比的早強混凝土，維修效果好,適合病、險、老閘水下結構修復加強,延長工程使用期限。

這種新的工藝在水利行業嶄露頭角，為水閘運行中類似故障排查分析與檢修提供了新思路，具有一定實用推廣價值。

7 未來研究展望

門槽水下部分損壞是水閘運行一定年限后的通病，采用局部擋水修補的方式畢竟屬于補救，且維修前期措施繁雜。因此可在水閘設計時考慮以下幾點。

7.1 雙側檢修門槽

在工作閘門上下游側設計兩套檢修門槽，為閘室內水下檢修提供便利。這在江蘇省江陰市白屈港船閘門槽維修中已有成功實施案例，2018年該船閘進行水下門槽檢修時即采用雙側檢修門堵水的方法進行施工，但要注意這種方法在門槽設計制造時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度，在檢修施工時更要注意兩套檢修閘門之間的支撐加固措施。

7.2 活動門槽

設計成可便捷拆卸組裝的門槽軌道結構，可減少相關水下施工措施，便于更換。

7.3 整體U形鋼門槽

設計成整體式U形鋼門槽，兼顧工作閘門啟閉運行軌道和門槽護鋼板之用，在建設施工時整體澆筑，提高整體剛度和壽命。

7.4 啟閉運行方式改進

檢修中發現，為通航需要，每次先小開度開啟閘門,待閘內外水位相平后，閘門開啟至最高位置，滿足通航和凈空要求。始流時，閘內外水位差大，水壓力大，摩擦力作用導致埋件及局部混凝土損壞，并快速擴大，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啟門高度，并定期對主滾輪進行保養。