储水式挡水墙在葛洲坝船闸检修中的应用

2020-02-26唐艳平史冬庆

水运工程 2020年2期

王辉，廖源，唐艳平，史冬庆

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

葛洲坝三线船闸、三峡双线五级船闸是长江三峡河段的两座大型高水头船闸，是贯穿东中西部地区的咽喉要道，近年来两坝船闸通过能力呈饱和状[1]。为保证船闸的安全运行，葛洲坝船闸按次序每两年就有其中一线船闸进行计划性大修，三峡双线船闸根据实际运行情况进行换线检修，若停航检修时间较长，在过闸需求趋于饱和的状态下，将会对航运造成较大影响，导致大量船舶滞留待闸。

船闸停航期检修在闸室水体排干后进行，受上下游挡水设施局部渗漏水影响，闸室排干后，人字门库、输水廊道等检修区仍处于潮湿积水状态，须设置围堰挡水以满足干地施工的检修要求。

传统船闸检修时，黏土围堰所需材料转运及搭设耗时多、人力消耗大、不方便、不环保，受这些因素的困扰，提出船闸排干后检修干区快速围堰制作，以期替代传统黏土围堰，缩短围堰搭设时间，改善检修施工环境，实现船闸快速检修。当前关于浅水域快速挡水设施的研制，主要集中于河流及城市防洪抗涝[2-4]，针对船闸检修临时挡水设施的研制十分缺乏，因此，船闸排干后检修干区快速围堰制作研制具有重大意义。

1 船闸检修挡水渗漏现状分析

1.1 渗漏情况

船闸停航检修期间，船闸上下游检修挡水设施分别落放，从而阻断上下游水体，形成上下游门库段、闸室段及输水廊道的检修干区。但历次大修表明，上下游挡水设施均存在不同程度渗漏水，导致原本应是干区的检修部位有积水。影响检修的积水主要分布在上下游人字门门库(图1)、上游胸墙、闸室底板、消能明沟以及输水廊道。

图1 葛洲坝一号船闸下游门库

积水存在使船闸检修质量和效率受到影响，检修设备设施及作业人员也存在一定的安全隐患。据历次大修实践，渗漏积水主要影响两方面检修：1)影响人字门检修。积水条件下，人字门顶门固门、底枢拆装、止水更换等作业受到影响，用于检修的电气设备设施无干地安放条件，设备在操作过程中受积水影响易发生故障甚至出现短路损坏等情况，线路连接存在安全隐患，门库段泥沙和积水混合形成泥浆，造成门库底板湿滑，给作业人员施工带来不便和安全隐患。2)影响水工结构修补。包括闸室底板纵、横结构缝渗漏处理，消能明沟破损修补，输水廊道结构破损、气蚀面修补以及结构缝渗漏处理，均需要在干燥清洁的环境下进行，积水或湿润状态下修复砂浆和基面粘接不牢固，粘接强度不足，影响工程质量。灌浆环节中常用的弹性聚氨酯类灌浆材料容易遇水提前发生化学反应而失效，达不到防渗堵漏效果。

1.2 渗漏积水处理

针对检修期流入检修区的渗漏积水，历次大修中主要采取搭设黏土围堰的方式来进行挡水，基本能够满足检修干区施工的要求，但存在围堰搭设速度慢、人力消耗大、作业区施工环境差、围堰稳定性不够需要经常修补处理等缺陷，易使设备设施和作业人员存在安全隐患，不利于满足船闸快速检修的需求。

下游人字门门库积水通常较深，严重影响人字门检修作业。通常采用传统的黏土围堰，围堰搭设须耗费较多人力和时间，在下游挡水门不断漏水、没有引流设施的情况下，围堰挡水面不断壅高，积水漫过堰顶进入人字门检修区域。且泥沙搭筑的围堰本身有一定的缺陷，在积水长时间浸泡下，易被冲刷，渗透率大，吸水后易软化坍塌，堰身不稳定，需要反复加高加固，导致增加成倍的人力和时间。据测算，两个人搭设和反复加固人字门门库黏土围堰所耗时间在2017年葛洲坝一号船闸大修中接近1.5 d，占闸室排干后剩余时间18 d的8.3%，较大程度影响了船闸检修效率。黏土围堰在水流的反复冲刷下，泥浆会进入检修区，导致施工环境差，设备设施和作业人员在潮湿有水的状态下存在安全隐患。

输水廊道破损修补是水工结构修补的关键工程，在停航检修期，主廊道内水深维持在10～25 cm，具体视检修平板门漏水情况而定，维持20 cm左右水深；支廊道维持5 cm左右水深。因此在输水廊道破损修补时，须搭设挡水围堰，形成局部检修干区，大修中主要采用黏土围堰(图2)或者黏土围堰和钢板结合挡水的形式，积水深5 cm左右采用黏土围堰，大于20 cm采用黏土和钢板结合的围堰挡水形式。围堰材料选用高岭土，在廊道中搬运、存放困难，鉴于钢板过于笨重，其吊装和在廊道内搬运十分不便，近来较少使用。通常输水廊道破损面较多，所需搭设的黏土围堰数量大、范围广。据统计，历次大修输水廊道破损修补项目，耗费在黏土围堰的搭设和拆除上所消耗的人力和时间可达整个项目的14。

输水廊道破损修补完成后，由于土料围堰吸水后易散烂，再次回收较难和土料的回收利用价值低、较难储存等特点，一般对围堰未进行清理，对水体有一定的污染。

图2 输水廊道结构缝破损修补

2 船闸快速检修挡水需求分析

黏土围堰有成本低、操作简单、适用性较强的优越性，特别是对于5 cm左右的浅水，能够快速搭设起一道挡水围堰。但对于10 cm以上的积水，需要搭设较高的围堰，存在一些的缺点：1)围堰搭设速度慢，耗费较多的人力；2)黏土围堰稳定性不够，容易被冲刷，吸水软化；3)对基面清洗时，容易引入新的杂质，影响混凝土破损修补时基面清洗和修补材料的粘接；4)造成作业区施工环境差，设备设施和作业人员存在安全隐患；5)黏土的搬运、存放存在一定的难度。因此，黏土围堰一定程度上不能完全适应船闸快速检修的需求，新型挡水排水装置的研究十分必要。

针对船闸快速检修的需求，结合检修期不同部位作业需求，新型挡水围堰应能较好地满足以下要求：1)同时适用于门库、闸室和输水廊道，即要求围堰能够可长可短；2)同时实现挡、排水两方面功能；3)有较好的防渗堵水效果，要求围堰在底面与底板接触部位、两侧与闸墙或者廊道侧墙的接触部位以及围堰中间连接段部位能够较好地防渗；4)围堰须有足够的稳定性；5)围堰具有足够强度和耐久性，另需一定的刚性；6)围堰具有合适的高度，能够保证迎水面水体壅高不致漫堰，同时方便施工人员通过；7)围堰能够快速实现安装和拆卸，方便运输和搬运，可循环使用，无污染。基于上述需求，提出一种折叠式可储水式挡水墙，具有运输方便、搭设简单、无须对基础进行处理、可回收再利用等特点。

3 储水式挡水墙设计

3.1 基本原理

储水式挡水墙(图3)是利用不透水的柔性材料制成的充水袋，通过向其充灌水后利用水的重力形成挡墙来挡水，达到“以水堵水”的效果。堵水墙的整体外形为长条形，内部设有刚性骨架，每段挡水墙长度为6 m，可折叠收缩，段与段之间通过魔术贴连接，从而实现长度的变化。据测试，2～3人在2～3 min便可迅速搭建起一道6 m长的挡水墙，搭建起一道用于门库挡水的34 m长的挡水墙仅需40 min左右，较传统黏土围堰搭设效率提升了20倍。

图3 储水式挡水墙

3.2 设计计算

据以往船闸检修实践，地面均为平整混凝土面，挡水墙与地面摩擦系数f取0.5[5]，由于渗透压力与渗流路径、接触面平整程度等因素有关，无法确定其大小，为简化计算，渗透压力取三角形分布，折减系数α取0.3[6]。计算时考虑重力、静水压力、扬压力，主要验算挡水墙的抗滑、抗倾和抗浮稳定性。

3.2.1断面比选

常用挡水设施有梯形、矩形和圆形3种断面形式，为选择最优断面形式，对各断面受力进行计算，对挡水墙而言，抗滑稳定性较难满足要求，因此选择3种断面形式下的抗滑进行验算。

假定挡水高度相同，均为0.5 m，3种断面形式面积相同，取单位面积。则矩形断面高度为0.5 m、宽度为2 m，梯形断面高度为0.5 m、上底宽取1 m、下底宽3 m，圆形断面半径为0.564 m。计算时垂直于水流方向均取单位长度。

P(x)为静水压力沿水平方向的分力，Fd为抗滑力，G为挡水墙重力，W为静水压力竖直方向分力，U为底面扬压力，见图4。

(1)

Fd=f(G+W-U)

(2)

K=FdP(x)

(3)

式中：ρ为水的密度；h为挡水高度；K为安全系数。

图4 断面受力计算简图(单位：mm)

计算可得K梯形为3.6、K矩形为3.4、K圆形为3.14。另外相较于滑动，圆形断面形式更易发生滚动，滚动摩擦力只有滑动摩擦力的140到160，因此实际上，此断面形式是不合适的，抗滑力远远小于滑动力。

对3种不同形式断面进行比选，可知在相同断面面积下，梯形断面安全系数最高，因此采用梯形断面进行设计。

3.2.2断面设计

挡水墙挡水高度为20 cm，波浪爬升高度5 cm，则前沿挡水总高度为25 cm，考虑到人员通过以及搬运、储存的方便，结合安全系数要求，经过多次计算，拟定梯形断面尺寸为上宽20 cm、底宽40 cm、高40 cm。

3.2.3稳定性复核

稳定性复核主要验算抗滑、抗倾和抗浮稳定性，受力见图5。经验算，抗滑安全系数为1.8，抗倾安全系数为8.85，抗浮安全系数为8.52，均满足稳定性要求。

图5 设计断面受力计算简图(单位：mm)

3.3 细部优化设计

3.3.1引排水装置

因挡水墙迎水面不断有来水，为防止壅水过高导致漫堰，需要对挡水墙增加引排水装置(图6)，在挡水墙内部设有两根不与腔内连通的D50排水管，排水管端部设有丝口和堵头，可根据需要进行开闭，排水管与消防水管连接可将来水排放到指定部位，从而保证不漫堰影响检修区域的干燥工作面，满足上下游门库的检修需要。挡水完成后，打开出水口，可迅速将围堰腔内水体排出，实现快速折叠回收。