大孔口通航水闸设计建造关键技术研究及应用

祝 胜，程雪辰，张志建，董 建

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.浙江省围海建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315040)

姚江上游余姚西分工程位于浙江省宁波市余姚市，是浙江省重点建设工程。工程通过在姚江上游瑶街弄兴建调控枢纽，新增姚江分洪出路，减轻余姚城区及姚江干流的防洪压力。工程主要由瑶街弄调控枢纽、新开姚江至“北排”排涝通道及沿途泵闸站等建筑物组成。其中瑶街弄调控枢纽挡洪闸，孔口宽度45.3m，为大孔口通航水闸，其设计建造具有显著特点和难点。本文提出了该大孔口通航水闸地基处理、混凝土性能提升、大体积混凝土温控防裂和超大跨度闸门建造等关键技术研究和应用情况。

1 工程概况

余姚西分工程主要由瑶街弄调控枢纽(含挡洪闸、削峰调控闸、应急船闸，上下游连接堤防等)、斗门闸、管理用房及附属配套工程等组成；工程概算投资5.51亿元。工程于2017年8月25日开工，2023年6月28日完工。

瑶街弄调控枢纽按“三闸联建”方案布置，挡洪闸位于姚江河道正中间，南侧布置削峰调控闸，北侧布置应急船闸。为满足通航要求，挡洪闸上下游正对姚江Ⅲ级限制性航道(航道底宽45m)，设1孔x45m平面直升门，主要功能是在汛期下闸挡洪，平时常开过流通航。挡洪闸设计简介如下。

1.1 闸室设计

闸室底槛高程-3.67m，孔口结构宽45.3m，两侧闸墩宽3.5m，闸室底板垂直水流方向总宽52.3m；顺水流方向长20m。挡洪闸兼做通航孔，两侧闸墩设置钢护舷(单侧高0.15m)，通航孔净宽45.0m。对分离式底板闸室结构与整体式底板闸室结构进行技术经济比较，在投资相差不大的情况下，因整体式底板在抗超标准荷载的安全储备及运行期变形方面具有明显优势，故采用整体式底板结构方案；闸室整体式底板厚2.5m。闸室两侧闸墩上设闸门启闭排架，设锁定层、检修层、启闭层、连廊层，总高度42.17m。挡洪闸纵剖面如图1所示。

图1 挡洪闸纵剖面

1.2 地基处理

瑶街弄调控枢纽地基土层为Ⅲ1层淤泥质粉质粘土，为高压缩性、高含水量、低强度的软土，性质差，厚度大，允许承载力特征值fk=55kPa。经过经济技术比较，挡洪闸闸室下部地基处理采用钻孔灌注嵌岩桩，桩径1.0m，桩端进入弱风化凝灰岩层不小于0.5m；上、下游钢筋混凝土护坦采用水泥土搅拌桩进行地基处理。

1.3 防渗排水及消能防冲设计

挡洪闸桩基采用嵌岩桩，存在闸室底板与地基土脱离的可能性，在闸室底板上游端设置长4m的防渗板桩，以防止底板与土体脱空引起接触冲刷。经计算挡洪闸下游侧无远离水跃产生，无需修建消能工。下游侧设置长15m钢筋混凝土护坦及25m混凝土海漫进行防护。

2 大孔口通航水闸设计建造主要特点及难点

(1)闸室结构刚度差异大，荷载分布不均，不均匀沉降问题突出。闸室底板净跨45.3m，厚2.5m，两侧闸墩单宽3.5m，顶部高程11.0m，两侧闸墩刚度远大于底板刚度，底板薄壁效应明显。闸室竖向及水平荷载均主要作用在两侧闸墩，再由闸墩传递至底板，底板应力分布不均。闸室宽度与高度均较大，对变形十分敏感，闸室地基处理安全性、可靠性成为工程设计的重中之重。

(2)闸室底板和闸墩混凝土采用C30W4F100，二期混凝土为C35W4F100。根据当地政府有关规定，为减少环境污染，工程所需混凝土必须采用商品混凝土。商品混凝土与水工混凝土在配合比设计理念上有一定差别，商品混凝土更关注混凝土强度，而水工混凝土则对混凝土的耐久性能和抗裂性能提出了更高的要求。

(3)闸室底板和墩墙为大体积混凝土部位，采用泵送混凝土，水泥用量多、水化热大，施工期温控防裂问题较为突出。

(4)工作闸门为国内最大跨度平面直升钢闸门。在闸门入槽、质量控制等方面有较多难题需解决。

鉴于上述特点和难点，大孔口通航水闸设计建造具有较大的挑战性，特别是闸室地基处理、商品混凝土性能提升、大体积混凝土温控防裂措施和超大跨度闸门建造等关键技术问题，需开展专项研究。

3 关键技术研究及主要成果

3.1 闸室地基处理关键技术

(1)闸室底板设置宽缝(后浇带)分块浇筑，底板过宽缝主筋采用微弯弧形钢筋。闸室采用整体式底板结构，为减小差异沉降附加应力和施工期温度应力对闸室结构的影响，在两侧闸墩边联底板与中联底板设置宽缝，分块浇筑，如图2所示。

图2 闸室底板分块及宽缝布置(单位：mm)

基于实际施工安排偏不利情况，在两侧闸墩浇筑至墩顶11.0m高程后，再对两侧边联与中联底板进行并缝。两侧边联桩基需满足承受并缝前上部荷载要求。考虑到闸室水平荷载均直接作用于两侧闸墩上，增加靠近闸墩处桩基同样有利于减小底板由水平荷载引起的内力，对闸室结构安全有利。

底板预留宽缝的部位，布置有多层受力主筋，若过缝钢筋不截断，则钢筋对两侧浇筑块施工期的温度变形有限制作用，不能有效减小浇筑块的温度应力，钢筋也会出现较大应力，使钢筋在运行期出现钢筋承载力损失。若将过缝主筋先期截断，待分块混凝土浇筑且温度变形完成后连接主筋，则存在因钢筋密集、作业空间狭小导致施工困难，施工质量难以保证的缺点。结合工程研究成果和经验，采用将底板过缝上下层受力主筋加工成微弯圆弧形状，如图3所示。

图3 闸室底板过宽缝钢筋大样

宽缝回填前利用微弯圆弧段钢筋的伸缩适应混凝土温度变形，降低过缝钢筋及附近混凝土在施工期的温度应力。宽缝回填后微弯圆弧钢筋在混凝土约束下正常受力。相较于传统的过宽缝钢筋先截断再焊接或机械连接的施工工艺，提高了施工效率，保障施工质量。

(2)采用变刚度调平设计理念进行闸室桩基设计。针对闸室结构刚度差异大、荷载作用分部不均的特点，为避免桩基产生较大差异沉降和底板某些部位产生较大应力，引入高层建筑基础设计中的变刚度调平设计理念，通过调整桩基竖向支承刚度分布使差异沉降减小、底板应力降低。结合工程实际情况，桩基变刚度调平采用调整桩距布置来实现，如图4所示。

图4 底板桩基布置(变刚度桩基布置方案)(单位：mm)

根据计算，相较于传统均匀布桩方案(如图5所示)，采用变刚度方案在桩数减少2根(占总桩数4.3%)情况下，使并缝后闸室结构变形减小(最大水平位移降低15%，最大竖向位移降低2%)，结构拉应力水平明显降低(最大拉应力降低30%)，结构内力显著降低(最大弯矩值降低约30%)，桩基最大轴力值有所降低(1.1%)，同时不同部位桩轴力趋于均匀(最大最小轴力比值降低6%～12%)，闸室整体安全性明显提高。

图5 底板桩基布置(传统均匀布桩方案)(单位：mm)

3.2 商品混凝土性能提升关键技术

闸室底板和闸墩混凝土采用C30W4F100，二期混凝土为C35W4F100，由工地附近商品混凝土公司提供。对商品混凝土公司混凝土原材料、配合比、工作性、全面性能等各项指标进行试验复核，其原材料品质满足现行的规程、规范要求，混凝土拌合物性能、抗压强度、极限拉伸、抗渗等级满足设计要求。但抗冻试验表明：C30混凝土不能满足F100的抗冻要求。

3.2.1 商品混凝土抗冻、抗裂性能提升试验研究

为了提高商品混凝土的抗冻性能，进行了掺引气剂混凝土试验。试验结果表明：掺入1.2/万引气剂后，混凝土拌合物坍落度、含气量均有所增加，混凝土28d抗压强度超过配制强度；弹模、极限拉伸值变化均不大；抗渗及抗冻均满足设计要求。

为了提升商品混凝土抗裂性能，根据设计要求进行了掺微纤维混凝土试验。掺入聚丙烯纤维后，引气剂掺量需提高到1.5/万，混凝土拌合物的坍落度略有降低，混凝土抗压强度、弹模变化均不大；28d极限拉伸值略有提高；抗渗及抗冻均满足设计要求。平板法抗裂性试验结果表明：掺入微纤维后，仅出现非常细的裂纹，抗裂性等级均为Ⅲ级；说明掺入纤维后，对抑制混凝土裂缝产生、提高抗裂性能有利。

3.2.2提出满足水工混凝土性能要求、经济性较好的配合比

在C30、C35常规混凝土配合比基础上，通过掺加引气剂和聚丙烯微纤维试验研究，提出商品混凝土公司能稳定生产，满足水工混凝土性能要求的配合比，见表1。

表1 高性能水工混凝土配合比

经测算，在C30常规商品混凝土配合比中按0.059kg/m3掺加引气剂，成本增加0.47元/m3。在C30常规混凝土配合比中按0.9kg/m3掺加聚丙烯微纤维，成本(含人工费)增加16.39元/m3。

3.3 大体积混凝土温控防裂关键技术

闸室地基为软基，对基础混凝土约束小，混凝土温度控制以控制内外温差为主。闸室底板厚2.5m，闸墩单侧宽度3.5m，为大体积混凝土浇筑部位。采用混凝土搅拌车运输，汽车泵浇筑。

根据工程区的气温水温条件，以及混凝土热学性能参数，对不同月份开浇情况下的闸室混凝土温度及温度应力进行计算分析，研究确定挡洪闸混凝土主要温控措施见表2。

表2 闸室混凝土最高温度控制措施表

按照施工进度计划，对闸室进行施工期温度及温度应力仿真计算。结果表明，采取上述温控措施后，闸室底板及墩墙各部位最高温度基本能满足温度控制标准，局部略有超标，但超标幅度不大；各部位的温控抗裂安全系数达1.87以上，满足规范规定，并符合设计抗裂安全系数不小于1.65的要求。

挡洪闸底板于2018年11月26日分3块、单层一次浇筑完成；左、右闸墩各分3层浇筑，首仓于2018年12月10日开始浇筑，2019年1月10日浇筑至高程11.0m，层间间歇均不超过14d。混凝土施工采取表2对应时段温控措施，通水冷却时间14d。

根据混凝土实体测温结果，底板混凝土温度在6.1～47.3℃之间，墩墙混凝土温度在5.8～40.4℃之间，各部位最高温度基本能满足温度控制标准，局部略有超标，但超标幅度不大。挡洪闸大体积混凝土部位施工完成后，参建单位按规范要求对混凝土质量进行检测和检查，检测项目质量全部满足规范要求，外观检查没有发现裂缝。

经测算除常规保温、保湿养护措施外，该工程温控防裂仅新增了预埋PE水管、通水冷却14d的措施，增加通水措施费约18.75元/m3。实践效果表明，采取的温控防裂综合措施是合理有效和较为经济的。

3.4 超大跨度平面直升门设计建造关键技术

挡洪闸工作闸门为露顶平面直升钢闸门，门叶宽47.60m，门高8.3m，门厚3.824m，重量约340t。门叶为桁架式结构，设置3榀水平主桁架，主要弦杆截面为焊接组合结构；水平梁系及纵向联结系等结构材质为Q345B。

工作闸门平时锁定在门槽顶部11.0m高程处，通过设置在22.0m高程启闭平台上的固定卷扬式启闭机进行启闭操作，如图6所示。

图6 挡洪闸工作闸门和启闭机布置

3.4.1 闸门分段分节入槽安装关键技术

针对现场作业面狭窄、闸门不能整体入槽，通过超限大件运输方案研究、闸门三维有限元结构分析验算，将闸门分段分节为8个单元体，如图7所示。

图7 工作闸门单元体划分

在工厂制造后运至现场，按顺序依次吊装入槽，在门槽内完成闸门整体焊接拼装。

闸门分段分节入槽安装关键技术解决了超大跨度闸门不能整体入槽的问题；既实现了闸门跨中不被分段，也保持了两端刚性区块完整和侧向水封安装面不被分割，有利保证两端水封、支承滑块安装精度。减少现场焊接工作量和工作面占压时间，缩短了工期。

3.4.2 智能测量及BIM虚拟拼装技术

将闸门分节、分段，主梁4次分割成为8件单元体，运到工地现场再用焊接方式拼接的方案，存在随着主梁被多次分割后，经焊接拼接形成整体的累积误差会呈线性增加的情况。

为此，在闸门建造过程中采用了智能测量及BIM虚拟拼装技术。通过激光跟踪智能测量，取得每个单元体的三维形位数据，并进行BIM虚拟拼装，复核单元体虚拟拼装形成整体后的相关尺寸，并进行实体修正。通过高精度大件三维测量能力输出精确的测量数据，为大跨度闸门整体拼装质量满足规范要求提供技术支撑。在此基础上，通过“整体预拼装精确定位装置、门槽设置可调拼装平台、门叶约束控制、控制焊接次序、精准预留焊接收缩量”等一系列关键技术，使超大跨度闸门在门槽内拼装的整体质量满足《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》(GB/T 14173—2008)宽度20m平面闸门质量标准要求，见表3。

表3 门叶整体尺寸检测表 单位：mm

4 结语

(1)大孔口通航水闸整体式底板设置宽缝、分块浇筑，过缝主筋采用微弯弧形钢筋的技术，以及采用变刚度调平设计理念进行闸室桩基设计的方法，可供类似工程结构借鉴和参考。

(2)常规商品混凝土配合比掺加适量外加剂后，可以满足本工程水工混凝土性能要求；水闸大体积部位采用泵送商品混凝土浇筑，采取科学合理的温控防裂措施，混凝土内部最高温度可基本满足要求，各部位的温控抗裂安全系数满足规范规定。由于各地商品混凝土配合比及原材料存在差异，建议对拟采用商品混凝土进行相关试验复核工作。

(3)智能测量及BIM虚拟拼装技术，能明显提高大尺寸金属结构拼装质量保障水平，建议水利行业推广使用。