新型臨時封堵鋼閘門的研制與應用

楊 帥，高 鵬，馬 棟，楊玉廣

（德州市水利局，山東 德州 253000）

目前，我國正處于城鎮化快速發展階段[1]，城鎮化水平與水資源（工業和生活用水）的消耗量成明顯對數增長關系[2]，水資源的供求矛盾引起了各界的普遍關注，也成為不少學者重點討論的問題。其中，平原地區解決此問題的主要手段是修建一定數量的水庫，通過對水的蓄、放，有效緩解了水資源分配不均和供需緊張的問題。但是，平原水庫建設起步早，設計標準偏低，供水泵站裝機容量偏小，已不能滿足目前日益增長的用水需求。為此，新建、擴建泵站，提高供水能力已顯得刻不容緩。

本文以丁東平原水庫為研究對象，通過新建泵站和管線來實現供水能力的提升。按設計要求，新建泵站與原城市供水泵站需共用同一個進水池，因此要對原進水池側墻進行開孔接管取水，同時還要保證原泵站在不停機狀態下穩定持續向城區供水。為保證工程順利進行，亟需一種水下封堵技術，解決在不放空原進水池的情況下進行臨時封堵的問題，為側墻開孔作業創造干地條件。

研究發現，水下封堵施工常采用澆筑封堵墻或設計制造疊梁閘門的技術方案。簡震等[3]以混凝土預制塊和專用水泥為封堵體，進行水下封堵研究；徐同良等[4]編制并實施了一種在非靜水高水位條件下的混凝土施工技術?？紤]到水下混凝土施工工期長、安全可靠性低的缺點，近幾年來，疊梁閘門作為水下封堵技術得到了廣泛應用，尤其常作為臨時擋水或檢修閘門之用[5，6]。隨著研究的深入，學者發現疊梁閘門的材質、結構形式、適用條件也不盡相同，嚴勵[7]設計了一種在靜水條件下的疊梁閘門，其優點為閘門的全部操作均在水面上進行，具有很強的安全性；吳永強[8]設計了在動水條件下進行水下探摸研究的疊梁閘門。與此同時，還有學者圍繞鋼疊梁與混凝土疊梁之間優缺點[9]、閘門防滲體系[10]等問題展開研究。但本工程的原進水池水下情況經蛙人探摸發現，墻體的垂直度、平整度與原設計誤差較大，且底部淤泥雜物及田螺較多，利用疊梁閘門進行水下封堵，效果可能不理想。本文通過借助疊梁鋼閘門設計思路，研制了一種新型水下封堵閘門。

1 工程概況

現狀城市供水泵站始建于1997 年，是丁東水庫的主要工程之一，擔負向德州城區供水的任務，位于大壩樁號8+133 處，由水閘、進水池、主副廠房等建筑物組成。進水池底板高程15.5 m，頂高程25.5 m，長19.2 m，寬為8 m，墻體厚度1 m，在其西面墻體上現有4 條引水管道，管徑50 cm，管中心高程17.0 m，邊管中心距進水池側墻1.85 m。本工程引水管由進水池南側墻體中心偏下位置開孔接入，新接入引水管為2 根DN2000 鋼管，管中心高程16.8 m，側墻開孔示意如圖1所示。

圖1 側墻開孔示意

2 設計原理

封堵鋼閘門的結構特征是“簸箕”型閘門和千斤頂背后支撐的組合形式。“簸箕”型鋼閘門兩側及底邊設有橡膠止水，為增加橡膠止水與側墻面接觸強度，在鋼閘門的迎水面安裝2 臺100 t 的油壓千斤頂，受力點為進水池上方拉梁，通過鋼閘門自重和千斤頂加壓達到理想的封堵效果，側墻開孔接管完成后，千斤頂泄壓，閘門吊出，新接引水管實現通水。

3 設計方案

3.1 結構和尺寸

閘門高度5 m、寬6.0 m，選用雙主梁，下主梁距閘門底部1 600 mm，上主梁距閘門上緣1 000 mm，主梁間距2 400 mm，布置2 根水平次梁。根據主梁的跨度，布置3 道隔板，其間距1.4 m，橫隔板兼作豎向次梁，兩側邊板和底板長1.81 m，面板采用Q235B鋼板作為主要制作材料。閘前設計水頭5 m，閘門承受單向水頭作用，擋水側面板的局部彎曲應力可按四邊固定的彈性薄板承受均布荷載計算，面板厚度可按式（1）計算，由表1 的計算結果再加上2 mm的腐蝕裕度，最終選用鋼閘門面板厚度為10 mm。

表1 面板區格厚度計算結果

式中：δ為鋼面板的厚度（mm）；kγ為彈性薄板支承長邊中點彎曲應力系數；a，b分別為面板計算區格的短邊和長邊長度（mm），從面板與主（次）梁的連接焊縫算起；α為彈性調整系數，b/a＞3時α=1.4，b/a≤3時α=1.5；q為面板計算區格中心的水壓力強度（MPa）；（σ）為鋼材的抗彎容許應力（N/mm2），取160 N/mm2。

由于封堵閘門未設置閘門槽，同時池內水流持續產生沖擊和渦流現象，僅靠進水池內的水壓力作用閘門，既無法保證閘門的穩定性又不能實現止水與墻體的緊密貼合。為此，在封堵鋼閘門迎水面裝設2 臺液壓千斤頂，千斤頂的另一端卡固在進水池拉梁上，通過高壓油泵工作將活塞頂起，使鋼閘門三邊上的橡膠止水緊貼墻體，達到止水的目的。封堵鋼閘門示意，如圖2所示。

圖2 封堵鋼閘門示意

3.2 止水與防腐

因鋼閘門承受單向水頭作用，故止水采用單向止水形式?！棒せ毙弯撻l門三邊均設置U 形橡膠止水帶，該止水除具有普通橡膠止水帶的各種性能外，還增加了構筑物與止水帶結合的緊密度，增強了防止滲水、漏水的能力。安裝時，在橡膠止水帶上打孔，孔的間距為100 mm，預埋錨栓的間距尺寸與打孔間距相符，并用螺栓止水壓板固定。U 形止水帶布設不留接頭，只在側邊與底邊結合的槽溝粘貼面上刷結構膠，膠層厚度2 mm。為延長鋼閘門的使用壽命，對鋼閘門整體結構及埋件進行熱噴鋅金屬保護，檢驗合格后及時對熱噴鋅涂層進行封閉處理。止水示意，如圖3所示。

圖3 止水示意

4 封堵閘門安裝

4.1 施工平臺搭建

搭設橫跨進水池上口的鋼桁架施工平臺，寬度0.8 m，腳手板滿鋪固定牢靠，平臺四周安裝高度為1.2 m 的安全防護欄桿，平臺用于材料運輸和人員輔助吊裝作業。

4.2 基礎面清理

吊裝前，潛水員需要在水面以下進行開孔側墻的打磨清理，尤其是與橡膠止水帶貼合處的混凝土面要剔除凸坎、填補坑洼，并清除底板淤沙，保證封堵閘門與側墻壁有良好的接觸面，避免安裝完成后出現漏水、滲水情況。

4.3 封堵閘門安裝過程和注意事項

封堵鋼閘門安裝采用140 t汽車吊，在吊裝過程中應注意U 形止水帶的平整無脫落、粘結牢靠。閘門順利放置進水池內后，將千斤頂自由端通過螺栓連接L形鋼墊板，墊板卡固在進水池的拉梁上，通過高壓油泵工作，將千斤頂活塞緩慢頂起。同時，封堵鋼閘門兩側各安排1 名水下作業潛水員，密切關注閘門頂進過程中偏移情況，并通過吊車和液壓油泵兩者共同調整閘門位置，閘門落位后，再用千斤頂將橡膠止水與墻體壓緊，實現封堵閘門止水效果，為后續側墻開孔創造干地條件。

5 側墻開孔接管

現狀城市供水泵站進水池建造于20 世紀90 年代，已運行近25 a，考慮到現狀進水池的整體安全，為減少對原結構的影響，必須保證切割面的平整度。根據現場勘查發現，需拆除的混凝土塊基本處于地面且周邊環境較為平坦，適合吊裝機械及平板車等大型機械操作，側墻開孔時采用金鋼石繩鋸靜力切割拆除。金剛石繩鋸切割是由液壓馬達帶動金剛石繩繞切割面高速運動，對切割體進行研磨，完成切割作業。該項操作主要優點表現在混凝土塊切割不受干擾，并且震動和噪音都很小，作業過程中高速運轉的繩鋸和切割產生的粉塵用水進行冷卻、降塵，達到安全、環保的效果。

5.1 施工準備

依據施工圖現場放樣，側墻開孔尺寸寬5.4 m、高3.7 m、厚1 m，其重量約為50 t。為了方便移出切割下來的混凝土塊，制定了切割路線，以1.8 m×3.7 m見方為一個切割單元，由外側至內側的順序進行切割。

5.2 繩鋸切割

根據切割路線，先采用水鉆打排孔代替部分切割，用于解決繩鋸穿墻的問題。水鉆采用直徑5 cm鉆頭打孔，打孔盡量使鉆孔與墻體垂直，排孔盡量在一條水平或豎直線上，孔深按設計深度即1 m 控制。先打水平向排孔，再打豎直向排孔。水鉆排孔打完后即可進行繩鋸切割。將混凝土塊分3 段進行切割，切割時注意控制切割面的偏差，位置偏差不得超過10 mm，保證切割面的順直、切割尺寸的準確。

5.3 切塊吊裝

混凝土塊分段切割后，進行吊裝。在每個切割單位上打2個深120 cm、直徑35 mm的孔，植入直徑30 mm螺紋鋼，螺紋鋼端部焊吊環，用吊車將切割塊吊至合適位置。

6 結語

水下封堵閘門設計與安裝為后續側墻開孔接管、管道安裝及城市供水的順利進行打下了良好基礎，同時保證了現有水庫正常運行不受影響。尤其是在使用疊梁或砌筑防水墻困難的情況下，該項技術的優勢更為顯著。而側墻開孔采用了金鋼石繩鋸靜力切割技術，該技術對原有結構破壞較小，切口平整，有利于后期結構的修復。這2 項技術的應用保證了工程整體質量，加快了施工效率，為后續類似工程提供了借鑒和參考。