探析宽缝施工工艺在高石碑船闸施工中的应用

摘要：预留宽缝的施工方法能够改善船闸底板的受力条件，要比常规的施工方法对底板的安全有利，可靠性好。本文以高石碑船闸为例，分析了预留宽缝的原因和施工工艺，以及预留宽缝施工方法对船闸施工的影响。

关键词：预留缝；施工工艺；应用

1、引言

引江济汉通航工程是利用引江济汉工程干渠作为船舶航行水道，辅助建设通航设施，同步实现通航的水运工程。工程建成后，称为江汉运河，这条运河是新中国成立以来，新建的第一条现代化的人工运河，该运河沟通长江中游和汉江中游航运，形成环绕江汉平原的810公里千吨级黄金航道圈。工程位于江汉平原中偏西北部，进口在荆江河段，在高石碑河段入汉江，中间地跨荆州、荆门、潜江三市。通航工程在长江汉江河口设有连接河段（引航道）。在进出口处分别布置一座Ⅲ级船闸，船闸的最大通航船舶为2×1000t级船队。出口船闸与干渠出水口相临，布置在汉江右岸潜江市高石碑镇。

2、自然条件

2.1出口河道概况

通航工程江汉运河出口位于汉江兴隆枢纽下游约3.5km处，上距沙洋（三）站27.1km，下距泽口站31.85km。出口河段为游荡型向弯曲性过渡的河段，兼有游荡和弯曲河段的特点，河道处于冲积平原，两岸有堤防，上游最早修有丹江口水库，以后陆续建有新集、王甫洲、崔家营和兴隆水利枢纽。受丹江口水库的调蓄影响，河段由建库前的堆积性向建库后的侵蚀性转化，河床下切，弯道普遍发生切滩撇弯现象。

2.2气象

潜江地区多年平均降水量1135.9mm，多年平均蒸发量1264.4mm，多年平均气温16.1℃，极端最高气温37.9℃，极端最低气温为-16.5℃，风向以偏北风为主，夏季以偏南风为主，多年平均风速2.4m/s，多年平均无霜期252天。

2.3水文

出口河段無较大支流汇入，径流主要来源于上游，汉江年径流组成很不均匀，主要产流区位于丹江口以上。丹江口水库的主要任务是防洪，发电。建库前，下游河段洪峰流量大，全年水量分配极不均匀，7～9月的水量占了全年的55%左右。丹江口水库蓄水运用后，出口河段的水文特性发生了如下变化：

（1）洪峰大大削减，流量过程变得较为均匀平缓，变差系数也大大减小。建库前，沙洋站多年平均最大流量为13098m3/s，建库后则削减为10122m3/s。

（2）中水历时较建库前有所延长、枯水流量亦有所增大，水库下泄水流的含沙量相对减少，同流量下水位发生下降。

（3）兴隆枢纽兴建运行后，由于江汉运河出口位于兴隆枢纽的近坝段，河床发生冲刷，同流量下水位下降将比较明显。

2.4泥沙

丹江口水库建库前，汉江中下游泥沙主要来自丹江口上游。丹江口水库建库后，输沙情况发生很大变化，大量泥沙被拦在库内，坝下基本是清水下泄，汉江中下游河床发生严重冲刷，中下游泥沙主要来自河床冲刷补给和区间支流汇入，年输沙量大幅度减少，由于清水下泄河床冲刷，坝下游河道河床质普遍粗化。

3、宽缝施工工艺及要求

（1）船闸主体结构均为大体积混凝土，需要重视温控措施；施工单位在混凝土浇筑前应将温控设计报监理人批准。

（2）闸首采取设置宽缝的施工工艺。砼浇筑顺序为：先左右边墩、后中间底板，并预留施工缝。砼浇筑应由下而上分批分层浇筑。每层厚度不宜大于1.5m，各层间隔期为3～5天。

（3）当闸首底板浇筑的砼强度达到设计强度的75%时，方可回填墙后土至底板顶。当闸首边墩分批浇筑的砼达到设计强度的80%后，开始墙后分层回填（墙后土回填高程应满足边墩独立稳定条件）。

（4）当上闸首边墩墙身砼浇筑到32.5m高程（下闸首浇筑到30.0m高程），边墩沉降基本稳定后，对施工宽缝进行封缝。封缝时还应满足以下两个条件：a.边墩底板浇筑历时大于90天；b.边墩沉降速率昼夜小于0.1mm（连续30天以上观察）。

（5）闸首底板封缝砼强度达到设计强度后，墙后回填土即可回填到顶。

（6）闸室第11段应与下闸首同步施工，宽缝施工要求与下闸首相同。下闸首上底板和闸室第11段的消能工需待宽缝封闭后施工。

（7）钢筋连接可采用机械连接或焊接。

（8）混凝土其它要求按招标文件的技术标准和要求进行。

（9）闸首、闸室的沉降观测结果应及时报告设计单位，便于设

计单位根据施工期沉降情况及时调整闸墩结构及配筋。

4、船闸的受力组成

4.1受力条件

高石碑闸室的工作闸门结构尺寸为目前国内同类型最大的钢质三角门，单铰形的推力是750t，从支臂传送到固定支座，支座在闸墩靠闸室一侧，如果闸墩和墙体在三角门支座产生贯穿裂缝，就会使闸墩整体承担三角门推力的状态发生变化，给整个闸室的安全带来隐患。

4.2荷载及温度应力

（1）边墩墙的自重，墙后回填土压力，固结沉降过程中对边墩墙产生的摩擦力等荷载，直接作用在底板上，会产生较大的破坏性应力，影响闸室边墩底板的安全。（2）闸墩的最大高度为29.5m，厚度为3m，长厚比约为10：1，属狭长条式结构，对于施工间歇期的安排要求很高，一旦施工间歇期安排不当，很容易产生裂缝。（3）根据闸室布置，闸室在顺水流方向的堰体厚度为2—4m，长度为32m，厚度和长度之比为16：1～8：1，不管在浇筑层厚度为1.5m或者在更大的情况下，平均基础温差达到25℃以上，如果没有施工缝，只靠基础温差调节，截面的拉应力就会超过堰体混凝土的允许抗拉强度，堰体最终将开裂。（4）另外，闸墩是薄板结构，内部的温度受外界的温度变化影响大，墩体内没有稳定的温度场，气温就会很快下降，以至于降到日常气温以下；对于与之连接的底板来说，位于地下且相对较厚，对外界温差反应迟钝，外界温度降低时底板内的温度不能很快下降，产生温度应力，导致闸墩开裂，危及工程。

5、不同施工方法船闸内力的分析

船闸闸首如采用整体式施工方法，即先对船闸底板进行浇筑，然后对边墩墙进行浇筑，最后对墙后进行土体回填。船闸底板容易出现裂缝。为了避免裂缝出现，采用预留宽缝的施工方法。该施工方法是先将底板进行分块浇筑，在完成边墩和部分墙后回填之后再合缝，让底板作为一个整体。分叙如下：

5.1船闸底板在土基上的内力分析

不同的施工方法，船闸底板的应力分布显著不同，具体表现在：

（1）采取整体式施工方法，船闸底板有较大的受拉区域，底板的上缘基本全部受拉，底板的下缘基本全部受压。采取预留宽缝施工方法，船闸底板受拉的区域明显减少，底板的上缘和下缘呈现出拉压交替的状态。

（2）按照有关专家对C20混凝土测试，船闸底板所受的拉应力，整体式施工方法底板上缘点超过了抗拉强度，所受的拉应力为4170kPa，超出1500kPa；但是预留宽缝施工方法所受的拉应力为383kPa，与整体式施工方法相比缩小了约十倍。

（3）分析两种施工方法拉应力相差较大的原因：a.运用整体施工方法时，边墩墙的自重是直接作用在底板上，会产生较大的负弯矩；在墙后回填时，会产生边荷载，还有在固结沉降过程中对边墩墙产生的摩擦力，也会增加底板的负弯矩，最终底板上缘出现的拉应力就比较大。b.采用预留宽缝方法施工时，闸墙结构自重也会直接作用在底板上，还有填土荷载，但是宽缝将中底板和边墩底板分开，荷载作用在边底板上，就会减小了对中底板的影响，所以中底板的受拉区域和受拉强度都会减小。

5.2施工过程中温度荷载对船闸底板内力的影響

船闸底板的混凝土结构尺寸一般较大，由于浇筑初期水泥的水化热不能很快消散从而导致结构内部的温度上升，其后在环境的影响下结构内部温度逐渐下降，底板结构在热胀冷缩的变化过程中产生温度应力。为了使施工期温度荷载对船闸底板产生的不利影响减小，也需要采用预留宽缝的施工方法，其目的是为了使基础对底板的约束程度减小。

据有关专家的测试，预留宽缝的施工方法和整体式的施工方法在温度场变化下产生的最大拉应力过程的计算结果。（1）底板拉应力：浇筑混凝土约10天，即膨胀期，二者受到的最大拉应力差距不大；（2）而在浇筑混凝土约80天左右，即收缩期，两者受到的拉应力差值逐渐变大，整体式施工方法最大拉应力明显大于预留宽缝施工方法最大拉应力。（3）如在180天时，整体式施工方法最大拉应力更大于预留宽缝施工方法最大拉应力。

5.3综合分析比较

船闸底板的拉应力，主要是由于外荷载作用在地基上发生沉降变形而引起，岩基的沉降变形较小，底板产生的拉应力和负弯矩就比较小，土基的沉降变形较大，底板产生的拉应力和负弯矩就相对较大。预留宽缝施工方法使墙后回填土边荷载、回填土的摩擦力、边墩自重荷载等引起的地基和边墩变形发生在局部区域，从而使底板表面的拉应力减少。

通过采用宽缝施工工艺，减少了建筑、构筑物由于结构不均匀沉降、温度收缩等可能导致的不利因素的影响。将闸室底板与上下闸首由分离式结构转化为整体式，既保证了施工的顺利进行，又保证了建筑构筑物的使用功能不降低。

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作者简介：付文广，1960年10月10日，职称工程师，本科学历；主要从事港口、码头、航道、船闸建设工程；公路桥梁建设工程的工作。