U形钢围堰及水下环氧混凝土快速修复闸门门槽的创新应用

陈 华 缪慧丽 田磊磊

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

1 引 言

水闸工程经长期频繁使用，水下基础工程特别是闸门门槽部位易出现不同程度的损坏，严重时会直接影响工程的运行安全。传统维修方法需要在河道打坝、排水，形成施工作业环境才能进行水下基础工程的维修。但这种方法投资大、周期长，并不适合需频繁运用的节制闸、换水闸或停运会造成较大影响的船闸。

针对此类水闸，如何高效、便捷又切实可行地解决问题，刻不容缓。本文通过深入实践研究，开发出一套U形钢围堰施工工艺。钢围堰的作用主要是防水挡土，使基础施工能在排水或静水的环境中进行。钢围堰施工相关费用及施工停运、停航造成的影响相比传统方法也明显减少，可短期、便捷、高效地解决闸门门槽水下修复问题，已在上海多座水闸的门槽水下维修项目中得到成功应用。

2 工程概况

上海大治河西闸位于上海市闵行区浦江镇大治河口，西距黄浦江约800m，为中型水利工程，船闸通航等级为300t，闸室有效长度300m，宽度20m，闸门宽12m，采用升卧式平面钢闸门；工程于1977年12月动工建设，1979年12月竣工投入运行，是上海市浦东片区最主要的水利工程之一。

3 运行中的问题

大治河西闸船闸年累计通航吨位近3000万t，24小时不断通航，除大量社会船只外，也是上海市每天近万吨生活垃圾环卫船通航的唯一水上口门，运行非常频繁。运行至今已40多年，船闸内外闸首南北两侧门槽导轨和混凝土水下部分破损严重，导致闸门升降至距离底板250～300mm时有明显卡阻，当内外河水位差较大时甚至无法启闭。

4 问题分析

大治河船闸外河紧邻黄浦江，受潮汐影响，内外河水位差不断变化，通常在1m以上。因长期运用，启闭次数频繁，致使门槽钢板腐蚀剥落，混凝土残缺，门槽损坏严重。由于上游水压力，当闸门侧滚轮运行至损坏处时，就会发生闸门倾斜，甚至无法下行关闭。究其形成原因，除了门槽轨道锈蚀、混凝土本身老化松动外，还存在以下问题。

4.1 船舶撞击

随着经济社会的发展，船闸通航量已远超原设计规模，大量社会船只超载、进出闸室抢档，船舶行进时对闸室的频繁撞击加速了门槽损坏。

4.2 设计及运行缺陷

上海很多早期船闸设计简易，采用套闸结构，没有排水孔和输水廊道，仅通过开启一侧闸门进行补放水来平衡水位差，初始开启高度值长年相对固定，开启瞬间闸门冲击易在局部位置形成疲劳损坏。

5 维修方案介绍

上海大治河西闸船闸是连接黄浦江的水上运输要道，交通运输繁忙，不具备打坝排水和检修挡水施工条件，根据目前河道的运输状况，管理部门要求尽可能减少对通航的影响，明确“封航3天抢修”的要求，利用枯水期小潮汛、低潮位期间在最短时间内完成抢修施工。两边钢围堰同时就位，进行堵漏强排水，查勘门槽损坏情况，制定具体现场施工措施细节，在3天完成门槽维修施工。

5.1 维修方案

如采取传统方法，在上下游打坝，然后排水施工，不仅打、拆土方量大，费用高，而且时间长，对上海市区环卫垃圾的外运影响太大，为此采用两只钢围堰同时修补闸门两侧门槽的方法进行施工。这种方法既便捷又节省，费用远低于打坝排水施工，且钢围堰可多次使用、长期使用和异地使用。根据现场勘查情况和门槽损坏水下探摸数据，用钢围堰对门槽水下垂直面部位进行检修，对混凝土结构损坏处采用补强处理，对金属结构预埋件损坏处进行焊补处理。

钢围堰吊装就位前，首先将上卧式闸门升至启门上限并锁定，在没有水位差的情况下，利用吊装设备，将钢围堰U形口正对着门槽一侧闸墙放下至闸底板放平。在钢围堰上边吊耳处用手拉葫芦和钢丝绳与闸室排架固定收紧以进一步定位。此时由于钢围堰沿口止水不可能与闸墙紧密贴合，因此钢围堰内外水位相平，没有水位差。随即采用潜水泵强排水，在钢围堰内外逐步形成水位差，随着水位差增大，钢围堰与闸墙的接触在内外水位差形成的压力作用下越来越紧密。这时在钢围堰内可看到明显的渗漏位置，再派潜水员下水用棉胎在钢围堰的底边及竖直边进行堵漏，终可使钢围堰内积水基本排除，形成无水或少水的作业空间。积水一经排除，施工人员便可沿着钢围堰内的支撑钢梁，进入施工位置，凿除残破混凝土并割除变形的门槽轨道钢板、护角钢等金属结构，焊上新的门槽钢板，再用环氧树混凝土，添加早强剂，进行填补密实，12h后混凝土强度满足要求，即可完工，施工现场见图1、图2。

图1 钢围堰吊装就位

图2 钢围堰内门槽施工

5.2 主要工艺介绍

5.2.1 钢围堰

此次施工所用钢围堰为整体式U形钢围堰，根据闸首门槽宽度、门槽埋件布置、工作环境及施工期间潮位影响、吊装等因素，设计两只钢围堰，水平断面尺寸为2.0m×1.9m，高度为5.5m，自重2.5t，左右岸两侧门槽同时施工。在临时断航的条件下，首先关闭内河侧工作闸门挡水。在闸墩侧标出围堰安放位置，开启外闸首工作闸门至最高位置，锁定工作闸门，由台吊将钢围堰吊装至运输船，运至施工现场后由浮吊工作船扒杆将围堰安装就位至检修门槽处，施工完成后用浮吊船将钢围堰吊装至运输船离开。就位后，首先进行临时支撑，以防止冲击错位。在堰顶搭设施工脚手架，布置潜水泵。一只钢围堰内水的体积约为18m3,考虑到渗水量，每孔以30m3计，布置3台5.5kW和2台0.75kW的潜水泵，其性能见表1。水泵安装完毕后，接通电源，立即进行强抽水，使围堰内外产生水头差，潜水员水下将堵漏材料紧贴在钢围堰与闸墩、底板间的缝隙内，隔断渗水通道，从而逐步形成围堰内施工部位的无水作业环境。局部漏水处由潜水员在围堰外侧堵漏，根据缝隙大小用长度不等的棉絮卷堵塞，边抽水，边堵漏，直至不漏水为止。

表1 潜水泵性能

5.2.2 门槽埋件修补

在钢围堰内具备作业条件后，施工人员搭设施工脚手架，先对门槽表面进行清理，去除污泥及黏着物，用水清洗干净后，检查门槽主轨埋件、侧轨埋件、混凝土等部位的损坏情况，做好记录。施工时根据闸门门槽轨道铁、角钢实际损坏情况，按设计尺寸对磨损轨道铁在表面覆盖钢板，更换角钢、钢板与原埋件。角钢连接采用贴角焊和表面塞焊，连接牢固，保证门槽净宽在615～625mm，确保滚轮行走自如，其材质为Q235；对原工字钢腹板加强，使轨道预埋件形成钢箱梁整体结构，利用搭接材料与原门槽钢筋和工字钢焊接，提高埋件的整体强度和刚度。钢板之间的连接采用对接焊，焊后对过水断面的焊缝进行磨平；处理完成后，对修补埋件进行防腐处理。补缺、更换的埋件与混凝土接触面刷水泥砂浆。变形埋件应进行矫正、锚固，且必须与原门槽结构中的钢筋焊牢。

5.2.3 门槽混凝土修补

门槽部位在无水状态下，采用机械结合人工凿除混凝土损坏处表面，露出石子和原门槽钢筋，以增加新老混凝土的结合面，用高压水冲洗表面浮渣，要求凿除面层粗糙，边缘呈八字形，接触面表面清理彻底，无松动碎石。门槽埋件修补完成和修补混凝土表面凿除后，用高压水冲洗干净，在作业面上用毛刷均匀涂刷一层水泥净浆，用C30细石混凝土修补填实，门槽混凝土立模时，采用拔管法浇筑，为满足流动度要求，水下混凝土强度需提高一个等级。边浇筑混凝土边振捣密实。为提高修补混凝土质量，本次混凝土采用新型水下环氧混凝土，该混凝土可在水下浇筑，固化快，混凝土有早期强度增长快、终期强度高等特点。

5.3 特殊情况处理

5.3.1 闸底板结构有起伏

在修补门槽前，要详细了解水下结构，有门坎和底板呈斜坡形时，钢围堰底部就不能放平，将会带来严重渗漏，影响施工。水下探察发现门槽底板与船闸闸室内壁有高5～6cm、宽8～10cm底板混凝土护角，对门槽维修施工造成严重影响，钢围堰无法与闸室内壁紧贴，大大增加了堵漏施工难度。因此根据水下地形实测数据对钢围堰堰底进行切割改造，并在堵漏材料(棉胎条)内加裹不同外径钢管以适应钢围堰就位及大缺口堵漏需要。

5.3.2 小角度起吊限高承重要求

因闸门为上卧式平面钢闸门结构，且临近黄浦江边，潮汐影响明显，对钢围堰在闸室内进行吊装就位的施工浮吊船小角度起吊限高承重要求较高，见表2、表3。

a.施工船舶作业要求。

门槽维修施工作业船舶作业要求见表2。

表2 门槽维修施工作业船舶一览表

b.浮吊船起吊参数

浮吊船起吊参数见表3。

表3 80t浮吊的起吊性能

经测算调试，吊装时固定20m吊杆，水平夹角最小5°，亦能满足起重要求。

5.3.3 闸室岸墙护钢板影响堵漏止水

因闸室岸墙普遍安装防撞钢板，而钢板是后期安装，未到闸底板，造成钢板下沿口与岸墙不能紧密结合，随着潮位变化，水从下沿口汲入门槽中，造成围堰内喷水。经研究，将钢板沿门槽附近前后各开一道通长的竖直剖口，使钢围堰直立边正好插入竖直剖口中，解决了漏水问题。

5.3.4 HK-UW-1水下环氧混凝土

选用合适的材料，是确保修补效果的必要条件。HK-UW-1 水下环氧混凝土(砂浆)是一种强度高、可在水下固化,具有优良的抗冲磨、耐腐蚀性能，耐久性好的高分子复合材料，可在水下浇筑，固化快，混凝土早期强度增长快，终期强度高，收缩小，黏结力强，在水下不分散、自流平、自密实，低温仍具有良好的流动性能。低稠度使其在低温下仍具有良好的流动性能，可采用手工、电动或混凝土强力搅拌机进行拌和，并在水下直接进行浇筑。该材料在水下固化后具有很高的抗压和抗折强度，可用于大坝、港口、码头、桥墩等水下建筑物的水下及水位变化区部位的混凝土缺陷修复处理，止封、加固和补强处理。实际操作时要注意以下几点：

a.要根据当地的气温、砂石料的粒径进行现场试验以确定合适的树脂用量，调整好各组分的配合比，见表4、表5。

表4 HK-UW-1水下浇筑混凝土主要性能指标

表5 HK-UW-1水下浇筑混凝土的参考配合比(重量比) 单位：%

b.无论在水下浇筑还是水上施工，石子和砂都要干燥，含水量宜小于1%，否则将影响强度。

c.要先将砂、石、粉料拌匀后再开始配浆，以免产生树脂快速固化的现象。

d.施工机具要及时用清洗剂清理，避免结硬。

e.严禁加入各类稀释剂来调节稠度。

5.3.5 应急措施

水下门槽维修受水下修补工作面和损坏程度、钢围堰就位、水位变化、堵漏等不确定性因素影响。在不能完全完成维修任务情况下，如果必须开闸通航，可将设备临时吊出闸室，不影响通航。在满足断航的条件下，重复就位、堵漏等工序，分两次将剩余工作任务完成，减少长时间断航的不利影响。

6 结 语

水闸水下门槽修复采用U形双钢围堰及水下环氧混凝土的施工工艺，是一种新工艺。主要体现在以下几点：

a.适合水利工程日常运行管理中作为应急保障、防汛抢险、快速抢修的有效保障技术措施。

b.特别适合不能长时间断航的船闸、频繁运用的防汛排涝节制闸、承担经常性城市清水活水功能的换水闸的水下检修。

c.采用U形钢围堰创造接近无水的施工作业环境，与传统打坝排水的方法相比，形成作业环境速度快，止水效果好，工程投资少、工期短。

d.结合特殊配比的早强混凝土，维修效果好,适合病、险、老闸水下结构修复加强,延长工程使用期限。

这种新的工艺在水利行业崭露头角，为水闸运行中类似故障排查分析与检修提供了新思路，具有一定实用推广价值。

7 未来研究展望

门槽水下部分损坏是水闸运行一定年限后的通病，采用局部挡水修补的方式毕竟属于补救，且维修前期措施繁杂。因此可在水闸设计时考虑以下几点。

7.1 双侧检修门槽

在工作闸门上下游侧设计两套检修门槽，为闸室内水下检修提供便利。这在江苏省江阴市白屈港船闸门槽维修中已有成功实施案例，2018年该船闸进行水下门槽检修时即采用双侧检修门堵水的方法进行施工，但要注意这种方法在门槽设计制造时就要充分考虑大水位差情况下检修门槽和检修闸门的安全强度，在检修施工时更要注意两套检修闸门之间的支撑加固措施。

7.2 活动门槽

设计成可便捷拆卸组装的门槽轨道结构，可减少相关水下施工措施，便于更换。

7.3 整体U形钢门槽

设计成整体式U形钢门槽，兼顾工作闸门启闭运行轨道和门槽护钢板之用，在建设施工时整体浇筑，提高整体刚度和寿命。

7.4 启闭运行方式改进

检修中发现，为通航需要，每次先小开度开启闸门,待闸内外水位相平后，闸门开启至最高位置，满足通航和净空要求。始流时，闸内外水位差大，水压力大，摩擦力作用导致埋件及局部混凝土损坏，并快速扩大，这是门槽损坏的主要原因之一。建议改变闸室控制方式和闸门始流时启门高度，并定期对主滚轮进行保养。