姚江大闸加固改造工程的设计与施工

陆安泉,施宗多

(宁波市汇通工程建设有限公司,浙江 宁波 315020)

1 老闸现状

姚江大闸位于宁波市区甬江支流姚江下游,距三江口3.5 km。控制姚江干流集雨面积1 934 km2,是姚江流域最主要的阻咸蓄淡、抗旱排涝骨干水利工程。工程始建于1958年9月,次年7月竣工后投入运行至今。

大闸原设计排涝标准为20 a一遇,设计过闸流量725 m3/s。水闸共设36孔,每孔净宽为3.3 m,净高为4.4 m,总净宽118.8m,闸全长165.2 m。底板每3孔为一联,每联垂直水流方向长13.9 m,顺水流方向宽14.2 m,闸底板设计顶高程为-2.87 m,厚0.8 m。底板为无桩基础,采用1.2 m厚黄泥垫层。闸墩材料为浆砌条石,中墩厚1.2 m,缝墩厚1.6 m。闸墩顶高程2.13 m,以上采用钢筋混凝土排架结构形式。水闸上游侧设有公路桥,桥面高程3.63 m,净宽5.5 m,两边为1.5 m宽的人行道。下游侧闸室宽4 m,高程1.73 m处设简易工作桥,桥面宽0.6 m。

随着使用年限的增加,一些问题也逐渐暴露出来,主要表现在结构安全方面存在闸墩开裂、变形及钢筋混凝土老化日趋加剧、漏水严重等诸多安全隐患;运行管理方面存在检修不便、时而闸门难以关闭、电气设备陈旧老化等问题。虽然经多次维修和养护,但已不能适应现代水闸管理的需要。经2006年安全鉴定,姚江大闸安全类别为二类,急需加固改造,以确保大闸安全运行。

2 加固改造设计

大闸枢纽工程设计洪水标准为20 a一遇,校核洪水标准为100 a一遇,最大下泄流量为1 043 m3/s,工程等别为Ⅱ等,水闸主要建筑物为2级。

加固改造设计主要包括闸墩加固改造、闸门及门槽改造、闸室水工结构、闸室上部启闭房、管理房建设、景观绿化工程、电气测控及相关启闭检修设备等。其中水工部分包括:①拆除闸墩顶部以上启闭机房、启闭机排架、交通桥、胸墙及检修桥等所有混凝土建筑物;②工作门槽位置向上游平移2m,需在原浆砌条石闸墩上重新切割出工作门槽,并采用不锈钢门槽内衬,原工作门槽改为检修门槽;③闸墩以上人行桥、胸墙、启闭机排架、启闭平台等全部新建;④原钢筋混凝土闸门换成钢闸门,启闭设备全部更新,但启闭方式仍采用螺杆启闭机;⑤闸墩伸缩缝缝内止水重新处理;⑥为不增加闸室基底应力,闸室上部结构全部采用钢结构和玻璃幕墙方案。

3 主要施工方案

在无类似工程施工经验参考的情况下,首先按设计要求确定对第1联(1～3#孔)作为试验段,在取得一定施工经验的基础上再逐段循序渐进正常施工。

3.1 施工程序

试验段各主要项目施工程序如下:

钢围堰制作——原建筑物拆除——钢围堰安装——水下部分闸门槽切割——底槛凿毛及安装——不锈钢门槽制作——门槽安装——原工作门槽改检修门槽——水工混凝土浇筑——水上部分门槽安装——闸门安装——启闭机安装、调式——水下工程验收——钢围堰拆除——试验段结束。

3.2 主要施工方案

在试验段施工过程中,对出现的各种技术问题,参建各方共同分析研究,确定处理和解决的对策和方法。主要的施工方案如下:

3.2.1 施工围堰

大闸担负着姚江排涝任务,不能全部封闭施工,按照排涝要求只能允许2联6孔同时施工,待1联3孔完成并具备运行条件后才能继续下1联3孔施工,以此往复,直到全部完成。

闸室高度为4.7 m,净宽3.3 m。首先要在上、下游检修门槽中设置定制的叠梁钢围堰,并采取措施保证钢围堰的止水效果,以确保闸室门槽改造在无水条件下施工。叠梁钢围堰设计断面采用5 mm厚钢板槽钢框架梁板结构,分1.05～1.55m不等高4块制作,这样不仅围堰安装、拆卸、移动比较方便,而且对倾斜变形后的闸槽适应性好。每节钢围堰及闸底板间的水平止水采用橡胶、海绵及养生布等综合措施止水;与闸墩两侧连接处设置L16挡泥角钢止水井,井内设5 mm厚平面橡胶,并填塞塑料袋装黏性土的办法止水,这样既防止冲刷,用土量少,塑性好,又易压实密封,从而达到了较好的止水堵漏效果。该工程上下游围堰共制作6孔,保证了2联6孔的交替施工。水闸结构示意图见图1。

图1 水闸结构示意图 单位:mm

3.2.2 门槽切割

设计要求在原浆砌条石闸墩上切割出宽350 mm,深270 mm的新门槽,市场上无相应切割设备。施工单位根据工程实际情况,成功试制出1套上下左右能灵活调节的多功能切割设备。多功能切割机由机座、电动机、锯盘和导向架等4部分组成。机座为500 mm×1 000 mm×20 mm钢板制作,上配7.5 kW电动机;根据切割深度,配备了φ 300,φ 600,φ 1 000 mm 3种合金钢锯盘 (见图2)。经大闸多孔切割试验均很成功,既保证了门槽一次性切割深度,又保证了垂直度和切割进度要求,为整个工程的顺利进行发挥了突出作用,并获参建各方和专家的一致认可。

图2 移动式闸槽切割机结构图

3.2.3 不锈钢门槽内衬制作

设计图纸要求不锈钢门槽内衬采用16 mm厚不锈钢板焊接而成,要求开口尺寸(290±1)mm,垂直度±2 mm。

不锈钢制作厂家采用等离子切割16 mm不锈钢板,保证了钢板切割质量;但在焊接时出现了严重的焊接变形,是普通钢变形量的数倍,校正、调试工作量大,而且难以达到设计要求的精度,对于大闸36孔的大批量生产尚值得商榷。后经参建各方多次实地察看、研究,制作厂家也多次改进焊接工艺,终于基本保证了门槽的制作质量。

3.2.4 不锈钢门槽内衬安装

不锈钢门槽内衬安装分水下和水上2部分。水下部分即围堰内闸室部分,包括底槛、门槽和门楣;水上部分即为胸墙以上启闭机平台排架柱上的门槽。

按照设计图纸要求,水下工作门槽切割后先抹903砂浆,后装不锈钢门槽 (采用螺栓、锚杆固定位置),再灌注HK963环氧材料。但由于人工砂浆抹面平整度难以达到金属结构安装精度要求,且工时过长,因此刚开始灌注HK963环氧材料较多,成本较高。后采用分节的带微调螺栓和铰链的定型钢模板,先立模再灌注903砂浆,砂浆外观尺寸精度相对较高,HK963环氧灌注材料用量相对较少。水上部分门槽安装相对较简单,在保证混凝土门槽垂直度的情况下,在预留的混凝土门槽内采用螺栓和锚杆固定不锈钢门槽后,再灌注HK963环氧材料。

3.2.5 伸缩缝缝内止水再造

在闸墩伸缩缝上、下游各1.0 m位置钻骑缝孔,孔径为120 mm,深度为5.0 m(孔底至钢筋混凝土底板),后先灌注HK—9105油溶性聚氨酯固结体,初步封闭原闸墩漏水,再对原钻孔重新扫孔,再灌注LW/HW水溶性聚氨酯溶液。

4 经验与体会

通过姚江大闸加固改造工程的施工实践,总结出以下几点施工经验和体会:

4.1 加固改造工程设计需在施工中不断优化完善

由于姚江大闸是20世纪50年代建造在软土地基上的无桩基础的大型水闸,结构老化变形较大,施工中出现许多难以预料的问题,需要按照实际情况加以修改和完善,不能完全按原图施工。

4.2边施工边运行的加固改造工程必须加强施工中的变形观测

由于大闸为无桩基础,工程施工过程中,须经历卸荷(拆除)、逐步加载(混凝土结构浇筑)过程,因此必须对闸墩变形进行定期观测,发现异常及时进行分析处理。姚江大闸施工过程中的定期观测数据表明,未发现异常的沉降变形,确保了大闸正常施工和运行。

4.3 采用定型叠梁板钢围堰止水效果好

大闸试验段开始采用木叠梁围堰,由于分节多、重量轻、漏水严重,难以抽干。后改用钢围堰,止水效果较好,保证了底槛、门槽的无水施工。

4.4 不锈钢门槽内衬厚度

据日本 《港口建筑物设计标准》所提供的实验数据表明,钢衬在海水中腐蚀速度从高潮位到海底为0.2 mm/a,海底淤泥层为0.05 mm/a。而姚江大闸加固改造设计采用的不锈钢门槽内衬厚度为16 mm,耐腐蚀作用更强。通过安装、灌浆工艺后基本与二期混凝土受力状况相同,完全可由闸墩承担,而闸墩以上槽柱仅起导轨作用。因此,内衬厚度可以减小,不仅焊接变形小、制作难度小,施工成本也降低,而且可节约了不锈钢材料。

5 结 语

在姚江大闸加固改造工程的施工实践中,首先通过试验段的摸索,历时4个月,取得了许多宝贵的经验,其中最明显的收获是结合实际成功革新创造了一种行之有效的移动式切割机械,为大闸后续流水作业发挥了突出的作用,使得施工进度明显加快,此后闸室每联施工的时间只有1个月左右。经过1.5 a时间的共同努力,已提前完成了水闸部分的加固改造施工任务,在2011年8月6日“梅花”台风来袭时36孔全启的考验中,保证了大闸的安全正常运行。随着管理房、测控系统等配套设施的相继完成,必将进一步提高大闸的现代化运行管理水平。