洪藍船閘工程耐久性技術創新

李冰

（南京市航道事業發展中心，江蘇南京 210036）

2018 年交通運輸部按照推進建設交通強國的要求，在基礎設施建設質量安全領域，深入開展“品質工程”攻關，推動關鍵技術的研究和應用，啟動“平安百年品質工程”建設研究，以推動我國基礎設施耐久性安全性整體提升。船閘工程主要研究方面如下：推進高性能材料、易更換鋼構件的研究應用；推進大體積混凝土裂縫防控、輸水廊道裂縫防控及修復、墻后帷幕止水、機械構件預埋件磨損修復等技術創新應用；促進關鍵機械構件及水工結構的無損、快速檢測、監測技術研發應用；研究提升船閘工程裝配化和智能建造水平。洪藍船閘工程根據“平安百年品質工程”（船閘工程）的指導思想，在船閘工程耐久性技術方法進行了創新。

1 工程概況

洪藍船閘工程位于秦淮河流域與石臼湖流域分水嶺南側，是秦淮河航道重要的通航梯級。洪藍船閘設計等級為Ⅳ級，設計最大船舶等級為500 噸級。船閘建設規模為180×18×4 米（閘室長×口門寬×門檻水深），建設內容為上下閘首、閘室、導航、靠船段、上下游引航道、門機電等船閘主體工程，以及標志標牌工程、環保工程、信息化工程、綠化工程、辦公用房等附屬工程。船閘承受雙向水頭，正向最大設計水頭為5.06m，反向最大設計水頭為-4.13m，工作閘門為三角閘門，工作閥門為鋼質平板提升門。

2 船閘工程耐久性影響分析

隨著航道等級提升、船舶大型化發展，部分船閘處于超負荷運行狀態，對船閘的損傷較為嚴重。主要有以下幾方面：船舶撞擊使船閘混凝土表面破損，鋼筋外露，或使船閘閘門變形；混凝土蜂窩麻面、混凝土開裂、鋼筋保護層合格率低等質量通病；閘閥門運轉件運行環境差，在承受較大循環荷載重復作用下，易發生銹蝕磨損等現象；分離式底板運行時間長久，底板下部地基出現掏空；人工巡檢方式落后、效率低，重點部位運行數據缺失，不能及時發現運行中的隱患。

在當前，國內工程針對船閘工程耐久性主要如下:一是從混凝土裂縫治理方面，如施橋三線船閘工程在混凝土結構裂縫防治中采用了襯墊模板結合脫水施工工藝，提高表面抗裂性能，外保溫采用聚苯板等措施[1]；邵伯三線船閘工程對扶壁式閘室墻結構采用立板和肋板分開澆筑的工藝等，有效解決閘室墻裂縫問題[2]；諫壁二線船閘閘室墻在建設過程中加入兩種新的材料，樹脂纖維來提高混凝土的強度、NA-SP 混凝土減縮劑，減少混凝土的干縮，提高混凝土的抗裂性能[3]。

二是優化結構形式，采用預留寬縫的施工方法，即“墩底分澆、預留寬縫、后期封合”的措施，可以改善底板的受力情況，減少整體塢式結構中底板結構產生的負彎矩，解決軟土地基上船閘結構的底板開裂。河海大學傅作新等[4]率先采用有限元- 鏈桿法和變分法計算分析了預留寬縫施工技術的效果，并認為該方案能夠從根本上改變底板的受力狀態。朱慶華等[5]研究了底板預留寬縫施工方法的實際效果，討論了后期封合的時間和預留寬縫的部位對塢式閘室受力的影響。吳昕[6]針對橫拉門閘首門庫混凝土裂縫問題，采用結構仿真計算方法的技術手段，對預應力參數設計方法體系進行了研究。

三是船閘運轉件耐久性提升。劉步景等[6]從計算理論與結構設計、材料與工藝、潤滑設計等方面分析了影響船閘運轉件耐久性的制約因素，并探討了運轉件耐久性提升的進一步研究方向。

3 船閘工程耐久性技術創新

3.1 閘室底板設置預應力

閘室墻及閘室底板單體尺寸大，閘室墻上下層混凝土澆筑相隔時間長，相互約束，在閘室墻身、倒角處和閘室底板容易出現裂縫。通過張拉鋼絞線對閘室墻及閘室底板施加預應力，可以有效地消除閘室墻及閘室底板裂縫，提高了閘室墻及閘室底板施工質量。底板橫河向均勻布置10 束，每束采用4 根預應力鋼絞線；根據結構中應力的發展時程數據分析，確定底板處預應力在閘室墻澆筑和回填土填筑之前進行張拉，每束張拉力值為674KN，張拉方式根據施工方便確定。

倒角處布置4 束，底部2 束、每束采用8 根預應力鋼絞線，上部2 束、每束采用6 根預應力鋼絞線；倒角處預應力張拉時間建議在閘室墻澆筑前，倒角處混凝土強度達到要求后進行；倒角上部2 束張拉力值為每束為960 kN，倒角底部2 束張拉力值為每束1550 kN；采用單端張拉方式進行預應力施工。閘室墻預應力施工結束后，對閘室墻裂縫進行觀測：3#閘室墻裂縫有2條裂縫（原因分析為預應力張拉時間延遲，導致溫度裂縫已出現），其他閘室墻身無任何裂縫。

圖1 預應力部位

圖2 預應力施工

3.2 三角閘門采用增強型蜂窩防撞面板材料

根據船閘三角閘門的特定要求，選取了三種防撞面板材料：泡沫鋁材料、樹脂基復合材料和鋁合金蜂窩材料，從力學性能、消能特性、結構穩定性、耐久性等方面進行綜合比較，并結合船舶撞擊的特點，確定了防撞面板的材料選用。

船閘上、下閘首分別設置兩扇三角閘門，沿船閘中心線對稱布置，面板均朝向引航道側，閘門中羊角側（開門位迎水側）設置了新型三角閘門防撞系統，該防撞系統由支撐桿件、橫梁、豎梁以及蜂窩面板等組成。其中，橫梁采用工字鋼I16，沿頂片、上中片、中片的高度方向布置三道，一端與閘門端柱相連，以增加其整體剛度，另一端距離中羊角留一定間隙；支撐桿件采用雙槽鋼組合截面，在橫梁對應位置布置三榀桁架，將橫梁與閘門門體連成整體；橫梁之間焊接豎梁，豎梁采用組合型工字截面，同時，在豎梁之間設置了橫向加勁肋；防撞系統的最外側安裝加強型鋁合金蜂窩面板，該面板是由蒙皮和蜂窩芯層結構組成，總厚度50mm，具有輕質、耐腐、吸能特性良好等優點，蜂窩面板結構內部預埋螺孔套筒，增強螺孔連接處的抗剪能力，套筒采用鋁合金材料，并與蜂窩板蒙皮可靠連接。蜂窩面板的指標需求、常規型和增強型的蜂窩面板的指標參數如表1 所示。

表1 蜂窩面板的指標需求、常規型和增強型的蜂窩面板的指標參數

新型三角閘門防撞系統與傳統剛性防撞系統相比，減重約40%，船舶撞擊時主體結構應變能平均減小85%以上，主體結構應力峰值平均降低50%以上，且新型防撞系統采用分塊設計，便于后期維護更換；增強型鋁合金蜂窩面板密度不大于650Kg/m3，抗壓強度≥8MPa，面內抗剪強度≥3MPa，抗彎剛度≥12KN·m2（圖3、4）。

圖3 蜂窩面板構成

3.3 閥門主軌道鑲面板采用激光熔覆工藝

圖4 蜂窩面板成品閘門

船閘上、下閘首分別設置兩扇工作閥門，根據輸水特點及閥門處廊道尺寸，設計的閥門門體外形尺寸為：3.3×3.12×0.4(m)（寬×高×厚），每扇閥門兩側各設有2 個支承主滾輪，承受水壓力，主滾輪采用鑄鋼ZG310-570，表面淬火，軸套采用高強度自潤滑材料，以延長使用壽命。主滾輪軌道采用可拆卸式結構，每扇閥門布置4 根主軌道，單根軌道長度為7m，軌床材料ZG310-570，正火處理。主軌道鑲面板基材采用鍛45 鋼，要求進行調質處理，硬度值為220-250HB，表面激光熔覆處理，熔覆材料為鎳基合金粉末。鑲面板為分節制造，鑲面板厚度為50mm，熔覆面寬度為140mm，單塊長度分別為1.0m 和0.85m。針對船閘運轉件受力復雜、工作環境惡劣、運行頻繁、磨損嚴重等問題，采用激光熔覆技術作為閥門主軌道鑲面板的表面強化處理工藝，采用Ni40 合金粉末作為熔覆層材料，熔覆層厚度大于1mm，表面硬度大于40HRC，對船閘重要運轉部件進行表面強化。該技術利用高功率激光束照射，將高性能涂層材料（Ni40 合金粉末）和基材表面共同熔化，快速凝固形成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基材表面耐磨、耐蝕等性能。（圖5、6）

圖5 激光熔覆

圖6 閥門主軌道鑲面板成品

4 結論

2020 年11 月交通運輸部在在洪藍船閘現場召開全國平安百年品質工程（船閘工程）現場會，與會代表和專家對工程采用的耐久性技術創新予以了高度肯定。預應力方法防治閘室結構裂縫、三角閘門防撞、閥門主軌道鑲面板防磨損可提升船閘工程使用壽命，其他工程在耐久性方面可參考應用。