杭甬運河新壩船閘下閘首底板加固改造技術

石進，張公略，肖駿，李浙江

（浙江數智交院科技股份有限公司，中國 杭州 310012）

1 工程概況

杭甬運河新壩船閘位于杭州市蕭山區義橋鎮南側，按500 噸級標準設計，閘室有效尺度為200m×12m×2.5m，設計船型吃水深度為1.85m，設計年過閘貨運量通過能力為1020 萬噸（雙向），于2009年1月建成運營，是杭甬運河杭州段溝通浦陽江和西小江的咽喉要道。

新壩船閘下閘首為現澆鋼筋混凝土整體塢式結構，平面尺度為16.0m×22.1m（順水流向×垂直流向），閘門型式為平面提升門，輸水系統為短廊道集中輸水系統，基礎為水泥攪拌樁復合地基+擴大基礎。

圖1 新壩船閘航拍圖

圖2 下閘首平面圖

近年來，在下游季節性低水位期間，新壩下閘首區域經常發生船舶觸底碰撞事件，造成下游漿砌塊石護坦、鋼筋混凝土護坦及下閘首底板破損。漿砌塊石護坦中的塊石被帶入下閘首區域，卡在閘門門槽附近，造成平面提升門門底變形，閘門漏水。新壩船閘運營中心多次安排潛水員進行水下清障，發現下閘首門檻破損日益嚴重，且有加速趨勢，更嚴重的是船舶撞擊導致新壩船閘下閘首底板頂層主筋被拉斷，嚴重威脅下閘首結構安全和過往船舶的通航安全。

2020年7月，新壩船閘運營中心對新壩船閘下閘首門檻等結構進行水下探摸檢查，并對結構安全性進行檢查和評估。

檢查結果表明：下閘首門檻頂面中部4m 范圍內有明顯碰撞破損，門檻側面中部4m×0.3m（長×高）范圍內保護層全部剝落，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，側面有砼剝落，鋼筋外露。根據《水運工程水工建筑物檢測與評估技術規范》（JTS 304-2019），經檢測評估，下閘首結構安全性和耐久性已不滿足國家有關標準要求，結構破損已顯著影響結構承載能力，結構安全性評級為C 級，結構耐久性評級為C 級，應及時進行修復，補強。

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年建成通航以來過閘船舶數量和過閘貨運量逐年增長，2019年過閘貨運量達到了1915萬噸（雙向），已經遠超原設計通過能力（1020 萬噸），處于超負荷運行狀態，水工建筑物老化嚴重。新壩船閘設計船型的吃水深度為1.85m。近年來船舶大型化趨勢明顯，目前實際過閘船舶的吃水為2.1～2.6m，少數吃水達2.8 米，超標嚴重，特別是近年來船舶為了保護螺旋槳普遍加設了拖泥設施，船舶實際吃水進一步加大，在下游低水位期間大型船舶極易觸底碰撞。超負荷運行和船舶大型化是導致下閘首底板破損的主要原因。

過閘船舶的觸底碰撞對船閘的影響如下：

（1）影響過閘船舶的通航安全。下閘首底板頂層被船舶刮起的鋼筋及下游漿砌石護坦被帶至下閘首底板區域的塊石極易造成過往船舶的擱淺和損壞，造成船閘的堵航，并可能會進一步引起相關的社會問題。

（2）影響船閘的結構的安全性和耐久性。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完全改變閘首底板的受力狀態，已嚴重影響下閘首的結構安全，如不及時修復，很可能產生嚴重的結構安全事故。另一方面，對于主受力鋼筋尚未割除的底板頂面，因表面的混凝土破損，鋼筋出露導致的鋼筋銹蝕會進一步引起混凝土面層結構脹損剝落，如果不及時修繕處理，結構的耐久性將進一步降低進而影響船閘的安全運行。此外，在關閉閘門過程中被刮起的塊石、混凝土及鋼筋等對閘門門體也會造成一定損傷。同時，下閘首也是浦陽江防洪墻的有效組成部分，閘首結構的損壞可能還對防洪帶來不可預見的影響。如果水工結構的破壞加劇，還會使未來的維修成本成倍攀升。

（3）影響船閘運行的效率。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閉狀態下存在較大的漏洞，將增大船閘閘室內水體的滲漏量，影響船閘的充泄水時間，進而影響船閘的運行效率。

3 下閘首底板加固改造技術

3.1 技術思路

為快速合理有效地修復閘首底板并解決船舶卡阻現象，在管理和工程措施中考慮了以下幾個方案：①將閘首底板恢復原狀，控制過閘船舶尺度或提高下游最低通航水位。②根據船舶底部形狀和拖泥設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將降低船閘的通過能力，對經濟和社會產生較大影響，且提高船閘設計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中的船閘通過能力問題，但是底板結構的改變會導致其內力重新分布，可能會影響結構安全，因此，該方案需要深入分析研究，做到技術可操作，施工快速便捷，結構安全可靠。為實現這一目標，我們創新性地提出了一種船閘閘首底板下凹式加固改造技術。

3.2 改造技術

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構加上預制鋼結構錨固構件及固定鋼結構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。下凹式底板改造需要首先鑿除下閘首中軸線兩側3.5m 范圍內的底檻表層混凝土0.34m，開設凹槽。凹槽兩側局部加深，作為錨固構件安裝槽。外露的下閘首底板鋼筋留出一定長度，其余部分割除。錨固構件有一系列的鋼板焊接而成，放置于開設的底板凹槽兩側的安裝槽內，斷開的下閘首底板鋼筋焊接于格型預制鋼結構肋板之上。然后在開設的底板凹槽表面粘貼鋼板，鋼板與預先植入在底板凹槽底部的鋼筋穿孔塞焊，同時兩側與鋼結構錨固構件焊接，形成一個穩定的錨固體系。最后在所有縫隙及格型預制鋼結構錨固件隔倉內灌填環氧砂漿，形成最后的下凹式底板結構。通過此種方法，凹槽底部的鋼板代替了原底板頂層鋼筋，并通過格型預制錨固鋼結構件與原底板形成一個牢固的整體。

圖5 下閘首錨固體系示意圖

（2）下凸式閘門改造技術。由于底板改造，下閘首工作門門檻中部5m 范圍內高程降低0.3m，為滿足擋水要求，需要對下閘首工作閘門同步進行局部改造，在閘門的下緣新增門體。閘門改造前，對門體進行檢測并對損壞部分進行修繕。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，為保證止水連接質量，需要在工廠內提前應用熱膠對止水進行粘接并預留足夠的修正余量。閘門改造后，由于底部存在凸起部分，可能導致門體無法下放到位，為解決此問題，在側軌底部30cm 范圍內兩側各焊接一塊不銹鋼導向貼板輔助閘門入位，貼板厚度門體調中后確定，貼板與門體側向滑塊間隙為3mm。

圖6 閘門改造示意圖

（3）結構安全分析。由于下閘首底板部分區域變薄，底板鋼筋被表面粘貼的鋼板替代，底板受力發生了變化，為驗證下閘首在加固改造施工期和之后的運行期的結構安全，應用有限元軟件對下閘首底板結構進行復核驗算，本次驗算考慮擴大基礎對閘首結構的影響，驗算工況包括原船閘的運行工況及本次搶修的施工工況。結果見圖7～圖10。各工況下的下閘首底板水平向拉應力均未超過C25 混凝土抗拉強度設計值，閘首底板改造修復后滿足結構安全要求。

圖7 正向水頭工況下閘首底板水平向應力分布

圖8 反向水頭工況下閘首底板水平向應力分布

圖9 施工工況下閘首底板水平向應力分布

圖10 校核洪水工況下閘首底板水平向應力分布

4 下閘首底板加固改造效果

經過本次改造，新壩船閘恢復通航后，未出現船舶在下閘首區域的擱淺的情況，過閘效率有所提高；施工期和使用期的監測結果表明，閘首結構各項參數正常，結構安全穩定。該底板加固改造方案在保證結構安全的前提下解決了既有老舊船閘門檻水深不足的問題。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，將船閘斷航的社會影響減至最低。

5 結語

本文針對既有老舊船閘門檻水深不足的問題，創新性地提出了船閘閘首的下凹式底板加固改造技術及其相應的工程措施，可以在保證閘首結構安全的前提下，保障過閘船舶的通航安全，消除了閘首底板在長期碰撞下發生損壞的隱患。該套技術方案可為類似工程的加固修復設計提供借鑒。