洪藍(lán)船閘工程耐久性技術(shù)創(chuàng)新

李冰

（南京市航道事業(yè)發(fā)展中心，江蘇南京 210036）

2018 年交通運(yùn)輸部按照推進(jìn)建設(shè)交通強(qiáng)國的要求，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量安全領(lǐng)域，深入開展“品質(zhì)工程”攻關(guān)，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用，啟動(dòng)“平安百年品質(zhì)工程”建設(shè)研究，以推動(dòng)我國基礎(chǔ)設(shè)施耐久性安全性整體提升。船閘工程主要研究方面如下：推進(jìn)高性能材料、易更換鋼構(gòu)件的研究應(yīng)用；推進(jìn)大體積混凝土裂縫防控、輸水廊道裂縫防控及修復(fù)、墻后帷幕止水、機(jī)械構(gòu)件預(yù)埋件磨損修復(fù)等技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用；促進(jìn)關(guān)鍵機(jī)械構(gòu)件及水工結(jié)構(gòu)的無損、快速檢測、監(jiān)測技術(shù)研發(fā)應(yīng)用；研究提升船閘工程裝配化和智能建造水平。洪藍(lán)船閘工程根據(jù)“平安百年品質(zhì)工程”（船閘工程）的指導(dǎo)思想，在船閘工程耐久性技術(shù)方法進(jìn)行了創(chuàng)新。

1 工程概況

洪藍(lán)船閘工程位于秦淮河流域與石臼湖流域分水嶺南側(cè)，是秦淮河航道重要的通航梯級(jí)。洪藍(lán)船閘設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，設(shè)計(jì)最大船舶等級(jí)為500 噸級(jí)。船閘建設(shè)規(guī)模為180×18×4 米（閘室長×口門寬×門檻水深），建設(shè)內(nèi)容為上下閘首、閘室、導(dǎo)航、靠船段、上下游引航道、門機(jī)電等船閘主體工程，以及標(biāo)志標(biāo)牌工程、環(huán)保工程、信息化工程、綠化工程、辦公用房等附屬工程。船閘承受雙向水頭，正向最大設(shè)計(jì)水頭為5.06m，反向最大設(shè)計(jì)水頭為-4.13m，工作閘門為三角閘門，工作閥門為鋼質(zhì)平板提升門。

2 船閘工程耐久性影響分析

隨著航道等級(jí)提升、船舶大型化發(fā)展，部分船閘處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)船閘的損傷較為嚴(yán)重。主要有以下幾方面：船舶撞擊使船閘混凝土表面破損，鋼筋外露，或使船閘閘門變形；混凝土蜂窩麻面、混凝土開裂、鋼筋保護(hù)層合格率低等質(zhì)量通??；閘閥門運(yùn)轉(zhuǎn)件運(yùn)行環(huán)境差，在承受較大循環(huán)荷載重復(fù)作用下，易發(fā)生銹蝕磨損等現(xiàn)象；分離式底板運(yùn)行時(shí)間長久，底板下部地基出現(xiàn)掏空；人工巡檢方式落后、效率低，重點(diǎn)部位運(yùn)行數(shù)據(jù)缺失，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的隱患。

在當(dāng)前，國內(nèi)工程針對(duì)船閘工程耐久性主要如下:一是從混凝土裂縫治理方面，如施橋三線船閘工程在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫防治中采用了襯墊模板結(jié)合脫水施工工藝，提高表面抗裂性能，外保溫采用聚苯板等措施[1]；邵伯三線船閘工程對(duì)扶壁式閘室墻結(jié)構(gòu)采用立板和肋板分開澆筑的工藝等，有效解決閘室墻裂縫問題[2]；諫壁二線船閘閘室墻在建設(shè)過程中加入兩種新的材料，樹脂纖維來提高混凝土的強(qiáng)度、NA-SP 混凝土減縮劑，減少混凝土的干縮，提高混凝土的抗裂性能[3]。

二是優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，采用預(yù)留寬縫的施工方法，即“墩底分澆、預(yù)留寬縫、后期封合”的措施，可以改善底板的受力情況，減少整體塢式結(jié)構(gòu)中底板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)彎矩，解決軟土地基上船閘結(jié)構(gòu)的底板開裂。河海大學(xué)傅作新等[4]率先采用有限元- 鏈桿法和變分法計(jì)算分析了預(yù)留寬縫施工技術(shù)的效果，并認(rèn)為該方案能夠從根本上改變底板的受力狀態(tài)。朱慶華等[5]研究了底板預(yù)留寬縫施工方法的實(shí)際效果，討論了后期封合的時(shí)間和預(yù)留寬縫的部位對(duì)塢式閘室受力的影響。吳昕[6]針對(duì)橫拉門閘首門庫混凝土裂縫問題，采用結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算方法的技術(shù)手段，對(duì)預(yù)應(yīng)力參數(shù)設(shè)計(jì)方法體系進(jìn)行了研究。

三是船閘運(yùn)轉(zhuǎn)件耐久性提升。劉步景等[6]從計(jì)算理論與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料與工藝、潤滑設(shè)計(jì)等方面分析了影響船閘運(yùn)轉(zhuǎn)件耐久性的制約因素，并探討了運(yùn)轉(zhuǎn)件耐久性提升的進(jìn)一步研究方向。

3 船閘工程耐久性技術(shù)創(chuàng)新

3.1 閘室底板設(shè)置預(yù)應(yīng)力

閘室墻及閘室底板單體尺寸大，閘室墻上下層混凝土澆筑相隔時(shí)間長，相互約束，在閘室墻身、倒角處和閘室底板容易出現(xiàn)裂縫。通過張拉鋼絞線對(duì)閘室墻及閘室底板施加預(yù)應(yīng)力，可以有效地消除閘室墻及閘室底板裂縫，提高了閘室墻及閘室底板施工質(zhì)量。底板橫河向均勻布置10 束，每束采用4 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線；根據(jù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的發(fā)展時(shí)程數(shù)據(jù)分析，確定底板處預(yù)應(yīng)力在閘室墻澆筑和回填土填筑之前進(jìn)行張拉，每束張拉力值為674KN，張拉方式根據(jù)施工方便確定。

倒角處布置4 束，底部2 束、每束采用8 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線，上部2 束、每束采用6 根預(yù)應(yīng)力鋼絞線；倒角處預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間建議在閘室墻澆筑前，倒角處混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行；倒角上部2 束張拉力值為每束為960 kN，倒角底部2 束張拉力值為每束1550 kN；采用單端張拉方式進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施工。閘室墻預(yù)應(yīng)力施工結(jié)束后，對(duì)閘室墻裂縫進(jìn)行觀測：3#閘室墻裂縫有2條裂縫（原因分析為預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間延遲，導(dǎo)致溫度裂縫已出現(xiàn)），其他閘室墻身無任何裂縫。

圖1 預(yù)應(yīng)力部位

圖2 預(yù)應(yīng)力施工

3.2 三角閘門采用增強(qiáng)型蜂窩防撞面板材料

根據(jù)船閘三角閘門的特定要求，選取了三種防撞面板材料：泡沫鋁材料、樹脂基復(fù)合材料和鋁合金蜂窩材料，從力學(xué)性能、消能特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性等方面進(jìn)行綜合比較，并結(jié)合船舶撞擊的特點(diǎn)，確定了防撞面板的材料選用。

船閘上、下閘首分別設(shè)置兩扇三角閘門，沿船閘中心線對(duì)稱布置，面板均朝向引航道側(cè)，閘門中羊角側(cè)（開門位迎水側(cè)）設(shè)置了新型三角閘門防撞系統(tǒng)，該防撞系統(tǒng)由支撐桿件、橫梁、豎梁以及蜂窩面板等組成。其中，橫梁采用工字鋼I16，沿頂片、上中片、中片的高度方向布置三道，一端與閘門端柱相連，以增加其整體剛度，另一端距離中羊角留一定間隙；支撐桿件采用雙槽鋼組合截面，在橫梁對(duì)應(yīng)位置布置三榀桁架，將橫梁與閘門門體連成整體；橫梁之間焊接豎梁，豎梁采用組合型工字截面，同時(shí)，在豎梁之間設(shè)置了橫向加勁肋；防撞系統(tǒng)的最外側(cè)安裝加強(qiáng)型鋁合金蜂窩面板，該面板是由蒙皮和蜂窩芯層結(jié)構(gòu)組成，總厚度50mm，具有輕質(zhì)、耐腐、吸能特性良好等優(yōu)點(diǎn)，蜂窩面板結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋螺孔套筒，增強(qiáng)螺孔連接處的抗剪能力，套筒采用鋁合金材料，并與蜂窩板蒙皮可靠連接。蜂窩面板的指標(biāo)需求、常規(guī)型和增強(qiáng)型的蜂窩面板的指標(biāo)參數(shù)如表1 所示。

表1 蜂窩面板的指標(biāo)需求、常規(guī)型和增強(qiáng)型的蜂窩面板的指標(biāo)參數(shù)

新型三角閘門防撞系統(tǒng)與傳統(tǒng)剛性防撞系統(tǒng)相比，減重約40%，船舶撞擊時(shí)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)變能平均減小85%以上，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值平均降低50%以上，且新型防撞系統(tǒng)采用分塊設(shè)計(jì)，便于后期維護(hù)更換；增強(qiáng)型鋁合金蜂窩面板密度不大于650Kg/m3，抗壓強(qiáng)度≥8MPa，面內(nèi)抗剪強(qiáng)度≥3MPa，抗彎剛度≥12KN·m2（圖3、4）。

圖3 蜂窩面板構(gòu)成

3.3 閥門主軌道鑲面板采用激光熔覆工藝

圖4 蜂窩面板成品閘門

船閘上、下閘首分別設(shè)置兩扇工作閥門，根據(jù)輸水特點(diǎn)及閥門處廊道尺寸，設(shè)計(jì)的閥門門體外形尺寸為：3.3×3.12×0.4(m)（寬×高×厚），每扇閥門兩側(cè)各設(shè)有2 個(gè)支承主滾輪，承受水壓力，主滾輪采用鑄鋼ZG310-570，表面淬火，軸套采用高強(qiáng)度自潤滑材料，以延長使用壽命。主滾輪軌道采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，每扇閥門布置4 根主軌道，單根軌道長度為7m，軌床材料ZG310-570，正火處理。主軌道鑲面板基材采用鍛45 鋼，要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度值為220-250HB，表面激光熔覆處理，熔覆材料為鎳基合金粉末。鑲面板為分節(jié)制造，鑲面板厚度為50mm，熔覆面寬度為140mm，單塊長度分別為1.0m 和0.85m。針對(duì)船閘運(yùn)轉(zhuǎn)件受力復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行頻繁、磨損嚴(yán)重等問題，采用激光熔覆技術(shù)作為閥門主軌道鑲面板的表面強(qiáng)化處理工藝，采用Ni40 合金粉末作為熔覆層材料，熔覆層厚度大于1mm，表面硬度大于40HRC，對(duì)船閘重要運(yùn)轉(zhuǎn)部件進(jìn)行表面強(qiáng)化。該技術(shù)利用高功率激光束照射，將高性能涂層材料（Ni40 合金粉末）和基材表面共同熔化，快速凝固形成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基材表面耐磨、耐蝕等性能。（圖5、6）

圖5 激光熔覆

圖6 閥門主軌道鑲面板成品

4 結(jié)論

2020 年11 月交通運(yùn)輸部在在洪藍(lán)船閘現(xiàn)場召開全國平安百年品質(zhì)工程（船閘工程）現(xiàn)場會(huì)，與會(huì)代表和專家對(duì)工程采用的耐久性技術(shù)創(chuàng)新予以了高度肯定。預(yù)應(yīng)力方法防治閘室結(jié)構(gòu)裂縫、三角閘門防撞、閥門主軌道鑲面板防磨損可提升船閘工程使用壽命，其他工程在耐久性方面可參考應(yīng)用。