嘉陵江草街航电枢纽船闸工程概述

由广君，张保利，潘伟，毛海滨，王立春，李冰黎

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

0 引言

嘉陵江具有悠久的航运历史，为了促进嘉陵江航运事业的发展，自20世纪50年代起，四川省交通部门对嘉陵江广元—重庆740 km航道进行了多次全面治理。80年代末期至今，为渠化该河段，交通、水电部门进行了多次规划和调整工作，拟定了十六级开发方案，2001年10月调整为十七个梯级开发方案。草街航电枢纽位于重庆合川市境内草街镇附近的嘉陵江干流河段上，是嘉陵江干流自下而上规划的第二个梯级，为具有航运、发电、拦沙减淤、灌溉、旅游等效益的综合利用工程。枢纽工程坝址上距合川市约27 km，下距嘉陵江河口（重庆市） 约68 km，见图1。电站平均年发电量19.96亿kW·h。草街航电枢纽工程的建设，对改变内河水运设施的落后面貌，提升水运能力，扩大水运的集聚与辐射效应，建设长江上游航运中心，促进重庆经济社会全面可持续发展具有十分重要意义[1]。

图1 草街航电枢纽坝址Fig.1 Location of Caojie navigation-power junction

1 工程概况

1.1 工程概述

草街船闸是目前嘉陵江上最大的一级船闸，也是西南地区最大的船闸工程，其船闸尺度200 m×23 m×3.5m，水级26.7m，通行2×1 000吨级船队，最大一次过闸总吨位4 000 t，其综合规模在目前国内单级船闸中仅次于葛洲坝1、2号船闸，它是重庆市直辖以来采用交通部门为主投资，以渠化航道为主进行航电枢纽综合开发的最大的建设项目[2]。整个工程概算投资约53.4亿人民币，其中船闸工程合同价为5.3亿元。

1.2 工程组织情况

建设单位：重庆航运建设发展有限公司；

设计单位：四川省交通运输厅交通勘察设计研究院；施工单位：中交第一航务工程局有限公司；监理单位：广州新珠工程监理公司及厦门港湾监理公司；

质量监督单位：重庆市交通委员会工程质量安全监督局。

1.3 结构形式及主要工程数量

船闸由上引航道、下引航道、上下闸首及闸室组成，全长约1 766m，见图2。

图2 船闸工程效果图Fig.2 Lock project draw ing

主要金属结构为人字形闸门、反向弧形阀门、叠梁检修闸门、平板检修阀门。闸、阀门启闭采用液压启闭机系统。

主要结构形式有：

1）船闸上引航道。外导墙长363m（由180m实体导墙和间距30 m的6个靠船墩组成）；内导墙长390m（由205m二次曲线段导墙和185m直线段导墙组成）。

2）船闸下引航道。外导墙长448m（由348m实体导墙和100 m透空式导墙组成）；内导墙长602.5m（由205m二次曲线段导墙、190m直线段导墙及207.5m斜线段导墙组成）。

3）船闸主体工程（闸室、闸首及输水系统）。闸室长180 m，宽23 m，外闸墙为重力式结构，内闸墙为衬砌式结构。上、下闸首各长45 m，上闸首边墩最大墙高51.5 m，下闸首边墩最大墙高38.0m。

本船闸属高水头船闸，输水系统采用“侧墙长廊道闸室底横支廊道顶缝加盖板出水”形式。

4） 金属结构安装。人字钢闸门上闸门尺度30.5m×13.8m×2.0m，单扇门叶重460 t。下闸门尺度30.9m×13.8m×2.0m，单扇门叶重473 t。反向弧型阀门主要尺度为3.6m×3.58 m×5.2 m（高×宽×弧面半径），重87.8 t。

主要工程量见表1。

表1 主要工程量表Table 1 Quantity listofmajor projects

2 工程特点

草街船闸尺寸大、墙体高、结构复杂、工程数量大。船闸基坑最大深度达63m，混凝土总量达到60万m3，超过2 000个仓面；考虑大体积混凝土防裂的问题，船闸混凝土主要型号为低标号低坍落度多级配混凝土，具有以下工程特点：

1）首次采用导航墩与钢质浮趸连接的浮式导航墙。由于受枢纽所在河段直线长度的限制，船闸上游引航道与河流弯道衔接，引航道布置困难，通航水流条件复杂。为解决过长和实体的外侧导墙导致过大的横流这一难题，在船闸总体布置中，上引航道外导墙设置了6个间距30 m，直径6 m的圆柱形导航墩，导航墩间采用钢质浮趸连接。当水位变动时，浮趸沿墩柱上下浮动，不仅可解决横流过大问题，也节约了工程投资。该结构形式目前在国内船闸中首次采用。

2）新颖的二次曲线导航段。鉴于草街船闸位于嘉陵江两弯道间的微弯河段，缺乏足够的直线段长度，在船闸总平面布置中，上下引航道采用了曲进直出的布置，其二次曲线导航段的布置形式，在国内船闸中较为新颖。

3）采用较简单的输水系统。国内高水头船闸中，基本上采用较复杂式的输水系统，特别是水头高、体量大的船闸均采用复杂式输水系统，其工程投资大，施工难度高，施工质量难以保证。为探索较简单又优秀的输水方式，草街船闸输水系统设计中，采用了“侧墙长廊道闸室底横支廊道顶缝加盖板出水”的输水形式，是国内采用该类输水系统形式的船闸中水头和闸室规模最大的船闸，不仅减少了工程投资，也降低了施工难度，缩短了施工工期。该输水形式通过水力学模型试验论证，只要在阀门段廊道采取必要的消除空化的措施，各项水力学指标完全满足规范要求。

4）新型门后突扩廊道体型解决阀门的空化难题。草街船闸水头高，闸室充泄水体量大，其综合水力指标仅次于葛洲坝1、2号船闸，居我国已建单级船闸前列。高水头船闸阀门工作条件能否满足安全运行要求是关系到船闸高效安全运转的重大问题。草街船闸采用了结构简单、施工方便的阀门门后廊道“底突扩＋顶突扩”而侧面不突扩的新型廊道体型，结合门楣自然通气和升坎自然通气的工程措施，解决了突出的阀门空化难题，满足规范要求的各项水力学指标。

5） 施工难点多。施工场地狭长，施工干扰大，工期要求紧，施工强度高。施工范围长达1 500 m，深基坑宽度仅23 m，基坑需要布置的大型设备多，设备之间和施工工序之间干扰大（混凝土浇筑、基础处理、金结安装等），且混凝土浇筑强度高（4万m3/月），高强度施工持续时间长（7个月）[3]。

3 施工工艺优化和技术创新

3.1 施工平缝变凹缝，增加结构立体感，确保混凝土观感质量

混凝土分层施工，必然会在混凝土结构和构件中出现“施工缝”，以往此部位由于混凝土侧压力等原因，往往造成施工缝接茬“错台”大，接茬处漏浆、流坠，线条不平、不直，呈明显的波浪形等质量缺陷，影响混凝土的观感质量。

在草街船闸工程中，通过借鉴装修中的装饰线条构思，施工时水平明缝与施工缝结合考虑，明缝为企口型，考虑到本工程均为大体积结构且少筋，经与设计沟通，最终确定明缝深度为20 mm，上口宽度为35mm，下口宽度为15mm。

明缝要求线条顺直，平面光滑。因此，预埋明缝必须有足够的硬度，能保证混凝土观感质量，而且便于与模板固定安装。明缝模板选用质量好具有良好经济性的硬塑料，见图3。

图3 模板预设明缝Fig.3 Presetvisible joint in formwork

通过增设明缝，确保了施工接茬处平顺，增加了立体感，使结构整体看起来更生动，见图4。

图4 明缝效果Fig.4 Effectsof visible joint

3.2 柔性转角模板的应用

在阀门井深井结构内，采用柔性转角模板代替传统的穿芯板工艺，其主要构件为焊接在两侧刚性定型模板上的柔性薄板。在施工操作中，利用柔性模板的韧性，采用连接在两侧刚性定型模板上的调节杆进行角度调节，实现转角成型，从而形成固定的转角模板体系——柔性转角模板，见图5。该模板体系将转角部分的模板设计成一个整体，两侧可与各种直片模板相结合使用，减少模板间的拼缝，避免了模板交接处错台、漏浆等情况，同时利用调节杆可调整模板角度，适用于不同角度的阴角结构，也易于模板的拆除[4]。

3.3 反弧门逆作法的应用

图5 柔性转角模板Fig.5 Flexible corner formwork

船闸输水廊道启闭阀门的反向弧门，位于几十米深的工作阀门井（竖井）底部，其门体结构尺寸偏小，旋转半径为2~4 m，须整体制作，整体吊装，且单件门体重达几十吨，见图6。常用的安装方法是在土建结构物施工过程中，在混凝土中预埋止水埋件，再进行门体吊安，但这样不易把握止水埋件的安装精度与各金属构件的制作误差等因素对安装效果的影响。

图6 反弧门整体吊装Fig.6 Integralhoisting of reversed radialgate

因此，提出了一种船闸反向弧门安装的逆作法，即在土建结构施工过程中预留门体止水埋件二期混凝土，待一期混凝土施工完成后，进行止水埋件的粗安装，然后通过工作阀门井（竖井）吊装反弧门并初就位，再根据门体具体位置进行止水埋件的精调，最后浇筑二期混凝土[5]。

3.4 混凝土防裂

草街船闸由于水头、等级高，因此结构物尺寸较嘉陵江其它船闸均大，且工程坝址区多年平均气温18.0℃，历年极端最高气温41.4℃，气温较高，另外各部位混凝土均为大体积混凝土，这些都对混凝土防裂不利。根据以往船坞的施工经验及经过调研，从材料、结构、施工等方面制订并采取了多种防裂措施，取得了良好的效果。3.4.1 材料方面的措施

1）降低混凝土水化热。主要通过选择较优的骨料级配，降低混凝土的坍落度，添加掺和料，采用高效减水剂等措施，达到降低混凝土水化热的目的，同时也降低了施工成本。船闸工程主要使用C20（四）级配混凝土的单方水泥，水泥用量仅为132 kg。

2）控制混凝土自身体积变形。微膨胀混凝土能补偿部分混凝土温降引起的收缩变形。在船闸工程某些分段较长的部位，通过与相关单位沟通，设置了后浇带（闭合块）以达到防裂的目的。在后浇带混凝土施工时，为了避免后浇混凝土干缩引发裂缝，在后浇混凝土中添加了微膨胀剂。

3.4.2 结构方面的措施

船闸工程中，有较多部位的分段长度过大或结构断面过大。在施工过程中，通过和设计单位沟通，分别对这些部位的结构进行了调整，采用了错缝施工、设置闭合块、根据约束区域调整分层分段等措施。

3.4.3 施工方面的措施

主要从降低混凝土出机口温度、减少运输浇筑过程中温升两方面着手，采用了预冷温控混凝土拌和、遮阳运输、仓面喷雾等措施，降低混凝土浇筑温度。

1）采用低流态混凝土。即降低混凝土的坍落度。船闸混凝土均采用坍落度为4～6 cm的低流态混凝土。试验表明，单方混凝土每降低1 cm坍落度，可减少水泥用量4～8 kg。

2）添加聚丙烯纤维。船闸输水系统采用C30（二）级配混凝土，同船闸工程其它部位的混凝土相比标号较大且级配较低，相应的水泥用量也较大，为了防止在影响船闸正常运行的关键部位（即输水系统）出现混凝土裂缝，通过与设计沟通，在该部分混凝土中添加了聚丙烯纤维，以提高混凝土的抗裂性能。

3）错缝施工并根据强弱约束区的最大分层高度要求进行分层设计。船闸与安装间结合段是船闸工程与厂房安装间工程的叠合部位，按照厂房设计单位要求，82m段长（约10万m3混凝土）不设结构缝，且最大的断面尺寸达到38 m，极易发生混凝土裂缝。

采用错缝施工方法，即将82 m长的混凝土划分为4段进行施工，将38 m宽的大断面划分为20 m、18 m两个小断面进行施工，即将每层混凝土划分为8块进行施工，将大仓面转化为小仓面，以减少出现裂缝的可能。

为了避免出现由于基岩约束产生的深层裂缝，在该部位的分层高度上，按照基岩强约束区、弱约束区的最大分层高度要求，施工分层分别为1.5 m、2.0m和2.5m。

4）拌和系统预冷技术。通过“二次风冷+冷水拌和”的预冷措施降低混凝土的出机温度，使混凝土出机温度在高温季节降低至14～17℃。

5）减少运输浇筑过程中温升。混凝土水平运输采用自卸汽车，高温季节在顶部设置遮阳棚。经测算，在混凝土由拌和系统运至施工现场过程中的温升小于1℃。

在混凝土浇筑仓面配备喷雾机，可降低仓面环境温度5℃。

将混凝土浇筑时间安排在气温较低的夜间进行。配合惯用的大片模板工艺，将备仓时间放在白天，将混凝土浇筑时间安排在夜间。

4 工程建设质量保证措施

项目实施之初，确定了“确保部优，争创国优”的创优目标，建立健全了质量保证体系和各项管控措施。同时，为了有效杜绝和治理工程实体的质量通病，按照交通部质监总站《关于开展治理质量通病活动的通知》（质监水字 [2004]118号）要求，围绕创优目标，结合工程实际情况，在施工过程中采取了一系列防治工程实体质量通病的措施，并取得了一定效果。

1）采用龛式系船柱替代系船环。在嘉陵江已建船闸中，引航道多采用系船环，虽然结构简单，造价较低，但船舶系缆、解缆比较困难。在草街船闸中采用了龛式系船柱，既方便船舶系缆，也增加了船闸结构前沿面的立体感。

2）多种支护形式的应用。草街船闸左侧边坡紧邻渝武高速公路，地形起伏较大，覆盖层厚薄不均。为保证整个永久边坡开挖支护完成后外观线条流畅，颜色同一，对岩质边坡局部马道缺失采用了浆砌石回填后喷纤维混凝土覆盖，对土质边坡局部低洼处采用了回填开挖弃土后菱形方格支护，对地表局部凸起采用了挖平封闭顶层的办法。这些措施都极大地改善了草街船闸的外观质量，收到了良好的效果。此外，根据边坡岩石的破碎情况，分别采用局部锚杆、挂网、中空锚杆等多种支护形式，在节约工程投资的同时，确保了边坡安全。

3）加强原形观测。草街船闸设计水头高，输水系统及反向弧形门水力学问题复杂，其50余m高闸首支持墙、39 m高闸墙、挡水面积760余m2超大型人字闸门等均具有较大的设计难度，虽然设计中进行了输水系统水力学、阀门空化等模型试验，但由于工程原体的复杂性及工程设计的差异性客观存在，为了确保船闸的安全和正常运行，了解船闸在施工和运行过程中应力和应变的变化，及时发现异常情况，分析原因，采取措施，需要在施工和营运期进行原形观测。因此，与南京水利科学研究院合作，对草街船闸进行了一般性原形观测和专门性原形观测，以确保工程质量及验证设计的合理性。

4）采取综合防渗与排水设施。为减少墙后渗水压力，降低墙后地下水位，草街船闸闸墙采用了软式透水管与排水廊道相结合的排水方式，以确保闸墙的稳定。

5） 专用冲毛设备进行混凝土施工缝面的处理。由于船闸工程仓面均比较大，普遍在80～500 m2，因此需要采取一种高效、经济而又能保证质量的缝面处理技术。

通过低压水冲毛、喷洒缓凝剂、高压水冲毛机冲毛3种比选试验，最终采取高压水冲毛机进行冲毛处理。

6）预埋铁件防腐处理。引进专门的喷砂除锈设备进行专业化的除锈处理。对于短期不能浇筑混凝土覆盖的外露面，使用无机改性水泥浆进行涂刷防腐，效果可达半年之久。

7）立面挂管流水进行混凝土养护。养护可以提高混凝土的抗拉强度，防止早期干缩，特别是对掺加粉煤灰和膨胀剂的混凝土，更需要充分养护。本工程采用立面挂管流水和顶面覆盖两种养护形式，确保了养护效果。

本工程于2010年6月20日顺利通过通航验收，投入使用，2013年3月27日顺利通过交工验收。

5 社会效益

1）该工程作为2005年国家西部开发的10大重点工程之一，有利于嘉陵江航道升级及西部水运发展。

2）成功完成“创建内河水运工程质量通病治理示范项目”活动，获得交通部、重庆市交委、业主及当地航道管理部门一致好评。

3）该工程是公司首次进入重庆地区、进入水利水电市场，在施工中积累了宝贵经验，增强了公司在此领域的竞争力。

4） 本工程荣获2009年一航局精品工程、2009年全国交通行业优秀质量管理小组、2011年全国建设工程优秀项目管理成果三等奖、2013年中国交建优质工程。

5）本工程应用的“柔性转角模板”和“一种船闸反向弧门安装方法”获国家知识产权局实用新型技术专利；本工程应用的反弧门安装工法和高水头船闸闸墙混凝土施工工法分获水运建设协会2013年一、二级工法。

6 结语

嘉陵江草街航电枢纽船闸工程的突出特点和取得的技术进步概括如下：

1）单级船闸中工程规模大，实物工程量大。

主要实物工程量有土石方开挖250万m3，土石方回填3万m3，混凝土浇筑62万m3，钢筋绑扎制作5 200 t，支护约70 000 m2，钢结构安装3 200 t。

2）高水头船闸应用“闸墙长廊道闸底横支廊道加顶盖板出水”复杂输水系统，26.7 m是国内船闸应用该输水系统的水头差之最。

3）交通部仅有的“创建治理水运工程质量通病示范项目”的内河水运建设工程。

4）在航电枢纽截流施工中，首次采用束窄河道后的水流条件自然冲刷龙口段河床砂卵石覆盖层的新技术，减少了后期闭气处理工程量，降低了施工难度，缩短了工期，闭气效果显著。

5）针对工程所采用的“闸墙长廊道闸底横支廊道加顶盖板出水”输水系统及新型阀门段廊道体型，提出了突扩廊道钢衬、20 m大落差鹅颈段、57.6 m深门井以及输水系统细部结构等施工新方法，提高了施工精度。经运行检验及原型观测验证，施工质量完全达到了设计要求，保障了船闸的安全运行。

6）首次提出“高水头船闸反向弧门整体就位逆做法”工艺以及精确定位控制技术，解决了深井狭窄空间内反向弧门的安装难题。

7）改进了高水头船闸混凝土施工控制技术，提出了高温条件下混凝土温控技术和大片钢模板加“梯形钢管企口明缝”工艺，大幅度减少了大体积混凝土裂缝数量，提高了混凝土耐久性及观感质量。

[1]中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.重庆市嘉陵江航运开发草街航电枢纽船闸工程工程初步设计[R].2004.Power China Chengdu Engineering Co.,Ltd.Primary design of Chongqing Jialing River shipping development Caojie navigationpower junction lock project[R].2004.

[2]四川省交通运输厅交通勘察设计研究院.重庆市嘉陵江航运开发草街航电枢纽船闸工程土建施工及金属结构安装标段施工图设计[R].2005.Sichuan Communication Surveying&Design Institute.Construction drawing design for civil construction and metal structure installation sections of Chongqing Jialing River shipping developmentCaojienavigation-power junction lock project[R].2005.

[3]中交第一航务工程局有限公司.重庆市嘉陵江航运开发草街航电枢纽船闸工程土建施工及金属结构安装标段施工组织设计[R].2015.CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction management plan for civil construction and metal structure installation sections of Chongqing Jialing River shipping development Caojie navigation-power junction lock project[R].2015.

[4] 中交一航局第三工程有限公司，中交第一航务工程局有限公司.柔性转角模板：中国专利，CN 201220713252[P].2013-07-17.No.3 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.Flexible corner formwork:Chinese patent,CN201220713252[P].2013-07-17.

[5]中交一航局第三工程有限公司，中交第一航务工程局有限公司.一种船闸反向弧门安装方法：中国专利，CN 201310046689[P].2013-05-15.No.3 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Installation method of lock reversed radial gate:Chinese patent,CN201310046689[P].2013-05-15.