儲(chǔ)水式擋水墻在葛洲壩船閘檢修中的應(yīng)用

王 輝，廖 源，唐艷平，史冬慶

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩三線船閘、三峽雙線五級(jí)船閘是長(zhǎng)江三峽河段的兩座大型高水頭船閘，是貫穿東中西部地區(qū)的咽喉要道，近年來(lái)兩壩船閘通過(guò)能力呈飽和狀[1]。為保證船閘的安全運(yùn)行，葛洲壩船閘按次序每?jī)赡昃陀衅渲幸痪€船閘進(jìn)行計(jì)劃性大修，三峽雙線船閘根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行換線檢修，若停航檢修時(shí)間較長(zhǎng)，在過(guò)閘需求趨于飽和的狀態(tài)下，將會(huì)對(duì)航運(yùn)造成較大影響，導(dǎo)致大量船舶滯留待閘。

船閘停航期檢修在閘室水體排干后進(jìn)行，受上下游擋水設(shè)施局部滲漏水影響，閘室排干后，人字門(mén)庫(kù)、輸水廊道等檢修區(qū)仍處于潮濕積水狀態(tài)，須設(shè)置圍堰擋水以滿足干地施工的檢修要求。

傳統(tǒng)船閘檢修時(shí)，黏土圍堰所需材料轉(zhuǎn)運(yùn)及搭設(shè)耗時(shí)多、人力消耗大、不方便、不環(huán)保，受這些因素的困擾，提出船閘排干后檢修干區(qū)快速圍堰制作，以期替代傳統(tǒng)黏土圍堰，縮短圍堰搭設(shè)時(shí)間，改善檢修施工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)船閘快速檢修。當(dāng)前關(guān)于淺水域快速擋水設(shè)施的研制，主要集中于河流及城市防洪抗?jié)砙2-4]，針對(duì)船閘檢修臨時(shí)擋水設(shè)施的研制十分缺乏，因此，船閘排干后檢修干區(qū)快速圍堰制作研制具有重大意義。

1 船閘檢修擋水滲漏現(xiàn)狀分析

1.1 滲漏情況

船閘停航檢修期間，船閘上下游檢修擋水設(shè)施分別落放，從而阻斷上下游水體，形成上下游門(mén)庫(kù)段、閘室段及輸水廊道的檢修干區(qū)。但歷次大修表明，上下游擋水設(shè)施均存在不同程度滲漏水，導(dǎo)致原本應(yīng)是干區(qū)的檢修部位有積水。影響檢修的積水主要分布在上下游人字門(mén)門(mén)庫(kù)(圖1)、上游胸墻、閘室底板、消能明溝以及輸水廊道。

圖1 葛洲壩一號(hào)船閘下游門(mén)庫(kù)

積水存在使船閘檢修質(zhì)量和效率受到影響，檢修設(shè)備設(shè)施及作業(yè)人員也存在一定的安全隱患。據(jù)歷次大修實(shí)踐，滲漏積水主要影響兩方面檢修：1)影響人字門(mén)檢修。積水條件下，人字門(mén)頂門(mén)固門(mén)、底樞拆裝、止水更換等作業(yè)受到影響，用于檢修的電氣設(shè)備設(shè)施無(wú)干地安放條件，設(shè)備在操作過(guò)程中受積水影響易發(fā)生故障甚至出現(xiàn)短路損壞等情況，線路連接存在安全隱患，門(mén)庫(kù)段泥沙和積水混合形成泥漿，造成門(mén)庫(kù)底板濕滑，給作業(yè)人員施工帶來(lái)不便和安全隱患。2)影響水工結(jié)構(gòu)修補(bǔ)。包括閘室底板縱、橫結(jié)構(gòu)縫滲漏處理，消能明溝破損修補(bǔ)，輸水廊道結(jié)構(gòu)破損、氣蝕面修補(bǔ)以及結(jié)構(gòu)縫滲漏處理，均需要在干燥清潔的環(huán)境下進(jìn)行，積水或濕潤(rùn)狀態(tài)下修復(fù)砂漿和基面粘接不牢固，粘接強(qiáng)度不足，影響工程質(zhì)量。灌漿環(huán)節(jié)中常用的彈性聚氨酯類灌漿材料容易遇水提前發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而失效，達(dá)不到防滲堵漏效果。

1.2 滲漏積水處理

針對(duì)檢修期流入檢修區(qū)的滲漏積水，歷次大修中主要采取搭設(shè)黏土圍堰的方式來(lái)進(jìn)行擋水，基本能夠滿足檢修干區(qū)施工的要求，但存在圍堰搭設(shè)速度慢、人力消耗大、作業(yè)區(qū)施工環(huán)境差、圍堰穩(wěn)定性不夠需要經(jīng)常修補(bǔ)處理等缺陷，易使設(shè)備設(shè)施和作業(yè)人員存在安全隱患，不利于滿足船閘快速檢修的需求。

下游人字門(mén)門(mén)庫(kù)積水通常較深，嚴(yán)重影響人字門(mén)檢修作業(yè)。通常采用傳統(tǒng)的黏土圍堰，圍堰搭設(shè)須耗費(fèi)較多人力和時(shí)間，在下游擋水門(mén)不斷漏水、沒(méi)有引流設(shè)施的情況下，圍堰擋水面不斷壅高，積水漫過(guò)堰頂進(jìn)入人字門(mén)檢修區(qū)域。且泥沙搭筑的圍堰本身有一定的缺陷，在積水長(zhǎng)時(shí)間浸泡下，易被沖刷，滲透率大，吸水后易軟化坍塌，堰身不穩(wěn)定，需要反復(fù)加高加固，導(dǎo)致增加成倍的人力和時(shí)間。據(jù)測(cè)算，兩個(gè)人搭設(shè)和反復(fù)加固人字門(mén)門(mén)庫(kù)黏土圍堰所耗時(shí)間在2017年葛洲壩一號(hào)船閘大修中接近1.5 d，占閘室排干后剩余時(shí)間18 d的8.3%，較大程度影響了船閘檢修效率。黏土圍堰在水流的反復(fù)沖刷下，泥漿會(huì)進(jìn)入檢修區(qū)，導(dǎo)致施工環(huán)境差，設(shè)備設(shè)施和作業(yè)人員在潮濕有水的狀態(tài)下存在安全隱患。

輸水廊道破損修補(bǔ)是水工結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的關(guān)鍵工程，在停航檢修期，主廊道內(nèi)水深維持在10～25 cm，具體視檢修平板門(mén)漏水情況而定，維持20 cm左右水深；支廊道維持5 cm左右水深。因此在輸水廊道破損修補(bǔ)時(shí)，須搭設(shè)擋水圍堰，形成局部檢修干區(qū)，大修中主要采用黏土圍堰(圖2)或者黏土圍堰和鋼板結(jié)合擋水的形式，積水深5 cm左右采用黏土圍堰，大于20 cm采用黏土和鋼板結(jié)合的圍堰擋水形式。圍堰材料選用高嶺土，在廊道中搬運(yùn)、存放困難，鑒于鋼板過(guò)于笨重，其吊裝和在廊道內(nèi)搬運(yùn)十分不便，近來(lái)較少使用。通常輸水廊道破損面較多，所需搭設(shè)的黏土圍堰數(shù)量大、范圍廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歷次大修輸水廊道破損修補(bǔ)項(xiàng)目，耗費(fèi)在黏土圍堰的搭設(shè)和拆除上所消耗的人力和時(shí)間可達(dá)整個(gè)項(xiàng)目的14。

輸水廊道破損修補(bǔ)完成后，由于土料圍堰吸水后易散爛，再次回收較難和土料的回收利用價(jià)值低、較難儲(chǔ)存等特點(diǎn)，一般對(duì)圍堰未進(jìn)行清理，對(duì)水體有一定的污染。

圖2 輸水廊道結(jié)構(gòu)縫破損修補(bǔ)

2 船閘快速檢修擋水需求分析

黏土圍堰有成本低、操作簡(jiǎn)單、適用性較強(qiáng)的優(yōu)越性，特別是對(duì)于5 cm左右的淺水，能夠快速搭設(shè)起一道擋水圍堰。但對(duì)于10 cm以上的積水，需要搭設(shè)較高的圍堰，存在一些的缺點(diǎn)：1)圍堰搭設(shè)速度慢，耗費(fèi)較多的人力；2)黏土圍堰穩(wěn)定性不夠，容易被沖刷，吸水軟化；3)對(duì)基面清洗時(shí)，容易引入新的雜質(zhì)，影響混凝土破損修補(bǔ)時(shí)基面清洗和修補(bǔ)材料的粘接；4)造成作業(yè)區(qū)施工環(huán)境差，設(shè)備設(shè)施和作業(yè)人員存在安全隱患；5)黏土的搬運(yùn)、存放存在一定的難度。因此，黏土圍堰一定程度上不能完全適應(yīng)船閘快速檢修的需求，新型擋水排水裝置的研究十分必要。

針對(duì)船閘快速檢修的需求，結(jié)合檢修期不同部位作業(yè)需求，新型擋水圍堰應(yīng)能較好地滿足以下要求：1)同時(shí)適用于門(mén)庫(kù)、閘室和輸水廊道，即要求圍堰能夠可長(zhǎng)可短；2)同時(shí)實(shí)現(xiàn)擋、排水兩方面功能；3)有較好的防滲堵水效果，要求圍堰在底面與底板接觸部位、兩側(cè)與閘墻或者廊道側(cè)墻的接觸部位以及圍堰中間連接段部位能夠較好地防滲；4)圍堰須有足夠的穩(wěn)定性；5)圍堰具有足夠強(qiáng)度和耐久性，另需一定的剛性；6)圍堰具有合適的高度，能夠保證迎水面水體壅高不致漫堰，同時(shí)方便施工人員通過(guò)；7)圍堰能夠快速實(shí)現(xiàn)安裝和拆卸，方便運(yùn)輸和搬運(yùn)，可循環(huán)使用，無(wú)污染?；谏鲜鲂枨?，提出一種折疊式可儲(chǔ)水式擋水墻，具有運(yùn)輸方便、搭設(shè)簡(jiǎn)單、無(wú)須對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行處理、可回收再利用等特點(diǎn)。

3 儲(chǔ)水式擋水墻設(shè)計(jì)

3.1 基本原理

儲(chǔ)水式擋水墻(圖3)是利用不透水的柔性材料制成的充水袋，通過(guò)向其充灌水后利用水的重力形成擋墻來(lái)?yè)跛_(dá)到“以水堵水”的效果。堵水墻的整體外形為長(zhǎng)條形，內(nèi)部設(shè)有剛性骨架，每段擋水墻長(zhǎng)度為6 m，可折疊收縮，段與段之間通過(guò)魔術(shù)貼連接，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的變化。據(jù)測(cè)試，2～3人在2～3 min便可迅速搭建起一道6 m長(zhǎng)的擋水墻，搭建起一道用于門(mén)庫(kù)擋水的34 m長(zhǎng)的擋水墻僅需40 min左右，較傳統(tǒng)黏土圍堰搭設(shè)效率提升了20倍。

圖3 儲(chǔ)水式擋水墻

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

據(jù)以往船閘檢修實(shí)踐，地面均為平整混凝土面，擋水墻與地面摩擦系數(shù)f取0.5[5]，由于滲透壓力與滲流路徑、接觸面平整程度等因素有關(guān)，無(wú)法確定其大小，為簡(jiǎn)化計(jì)算，滲透壓力取三角形分布，折減系數(shù)α取0.3[6]。計(jì)算時(shí)考慮重力、靜水壓力、揚(yáng)壓力，主要驗(yàn)算擋水墻的抗滑、抗傾和抗浮穩(wěn)定性。

3.2.1斷面比選

常用擋水設(shè)施有梯形、矩形和圓形3種斷面形式，為選擇最優(yōu)斷面形式，對(duì)各斷面受力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)擋水墻而言，抗滑穩(wěn)定性較難滿足要求，因此選擇3種斷面形式下的抗滑進(jìn)行驗(yàn)算。

假定擋水高度相同，均為0.5 m，3種斷面形式面積相同，取單位面積。則矩形斷面高度為0.5 m、寬度為2 m，梯形斷面高度為0.5 m、上底寬取1 m、下底寬3 m，圓形斷面半徑為0.564 m。計(jì)算時(shí)垂直于水流方向均取單位長(zhǎng)度。

P(x)為靜水壓力沿水平方向的分力，F(xiàn)d為抗滑力，G為擋水墻重力，W為靜水壓力豎直方向分力，U為底面揚(yáng)壓力，見(jiàn)圖4。

(1)

Fd=f(G+W-U)

(2)

K=FdP(x)

(3)

式中：ρ為水的密度；h為擋水高度；K為安全系數(shù)。

圖4 斷面受力計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：mm)

計(jì)算可得K梯形為3.6、K矩形為3.4、K圓形為3.14。另外相較于滑動(dòng)，圓形斷面形式更易發(fā)生滾動(dòng)，滾動(dòng)摩擦力只有滑動(dòng)摩擦力的140到160，因此實(shí)際上，此斷面形式是不合適的，抗滑力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)力。

對(duì)3種不同形式斷面進(jìn)行比選，可知在相同斷面面積下，梯形斷面安全系數(shù)最高，因此采用梯形斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.2斷面設(shè)計(jì)

擋水墻擋水高度為20 cm，波浪爬升高度5 cm，則前沿?fù)跛偢叨葹?5 cm，考慮到人員通過(guò)以及搬運(yùn)、儲(chǔ)存的方便，結(jié)合安全系數(shù)要求，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算，擬定梯形斷面尺寸為上寬20 cm、底寬40 cm、高40 cm。

3.2.3穩(wěn)定性復(fù)核

穩(wěn)定性復(fù)核主要驗(yàn)算抗滑、抗傾和抗浮穩(wěn)定性，受力見(jiàn)圖5。經(jīng)驗(yàn)算，抗滑安全系數(shù)為1.8，抗傾安全系數(shù)為8.85，抗浮安全系數(shù)為8.52，均滿足穩(wěn)定性要求。

圖5 設(shè)計(jì)斷面受力計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位：mm)

3.3 細(xì)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

3.3.1引排水裝置

因擋水墻迎水面不斷有來(lái)水，為防止壅水過(guò)高導(dǎo)致漫堰，需要對(duì)擋水墻增加引排水裝置(圖6)，在擋水墻內(nèi)部設(shè)有兩根不與腔內(nèi)連通的D50排水管，排水管端部設(shè)有絲口和堵頭，可根據(jù)需要進(jìn)行開(kāi)閉，排水管與消防水管連接可將來(lái)水排放到指定部位，從而保證不漫堰影響檢修區(qū)域的干燥工作面，滿足上下游門(mén)庫(kù)的檢修需要。擋水完成后，打開(kāi)出水口，可迅速將圍堰腔內(nèi)水體排出，實(shí)現(xiàn)快速折疊回收。

圖6 儲(chǔ)水式擋水墻(單位：mm)

3.3.2兩端與側(cè)墻連接處理

擋水墻兩端與側(cè)墻因重力不足不易緊密貼合，特別是葛洲壩二號(hào)船閘下閘首底板與側(cè)墻處存在倒角，擋水墻無(wú)法與側(cè)墻靠攏。

為不破壞原有閘墻結(jié)構(gòu)，考慮在擋水墻兩端與側(cè)墻之間布置柔性橢球型擋水墻(非標(biāo)準(zhǔn)段)，加大與閘墻的接觸面積，增大側(cè)壓力，一端通過(guò)魔術(shù)貼與標(biāo)準(zhǔn)段擋水墻連接(圖7)，從而達(dá)到端部擋水防滲目的。

圖7 端部連接

3.3.3底部防滲處理

擋水墻材質(zhì)主要為柔性不透水的帆布材料，利用充水后的重力使其與地面貼緊以達(dá)到擋水防滲的目的，能夠適應(yīng)閘室底板和廊道底板以及地面輕微凹凸不平的條件，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，底部防滲效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

1)方便。儲(chǔ)水式擋水墻分節(jié)安裝，適應(yīng)多種擋水長(zhǎng)度需求；質(zhì)量較輕，運(yùn)輸方便；可彎曲走向，地面輕微高低不平不受影響，無(wú)須對(duì)地面進(jìn)行特殊處理。

2)快捷。配合水泵作業(yè)，只需2～3人在2～3 min便可快速搭建一道6 m長(zhǎng)的儲(chǔ)水式擋水墻，代替了傳統(tǒng)沙包石方等繁重的人力、物力，擋水完成后可迅速折疊收納。

3)環(huán)保。用水代替了沙土、黏土或者高分子吸水速凝材料，使用后對(duì)水體完全無(wú)污染，綠色環(huán)保，大大改善了施工環(huán)境。