儲水式擋水墻在葛洲壩船閘檢修中的應用

王 輝，廖 源，唐艷平，史冬慶

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩三線船閘、三峽雙線五級船閘是長江三峽河段的兩座大型高水頭船閘，是貫穿東中西部地區的咽喉要道，近年來兩壩船閘通過能力呈飽和狀[1]。為保證船閘的安全運行，葛洲壩船閘按次序每兩年就有其中一線船閘進行計劃性大修，三峽雙線船閘根據實際運行情況進行換線檢修，若停航檢修時間較長，在過閘需求趨于飽和的狀態下，將會對航運造成較大影響，導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行，受上下游擋水設施局部滲漏水影響，閘室排干后，人字門庫、輸水廊道等檢修區仍處于潮濕積水狀態，須設置圍堰擋水以滿足干地施工的檢修要求。

傳統船閘檢修時，黏土圍堰所需材料轉運及搭設耗時多、人力消耗大、不方便、不環保，受這些因素的困擾，提出船閘排干后檢修干區快速圍堰制作，以期替代傳統黏土圍堰，縮短圍堰搭設時間，改善檢修施工環境，實現船閘快速檢修。當前關于淺水域快速擋水設施的研制，主要集中于河流及城市防洪抗澇[2-4]，針對船閘檢修臨時擋水設施的研制十分缺乏，因此，船閘排干后檢修干區快速圍堰制作研制具有重大意義。

1 船閘檢修擋水滲漏現狀分析

1.1 滲漏情況

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

圖1 葛洲壩一號船閘下游門庫

積水存在使船閘檢修質量和效率受到影響，檢修設備設施及作業人員也存在一定的安全隱患。據歷次大修實踐，滲漏積水主要影響兩方面檢修：1)影響人字門檢修。積水條件下，人字門頂門固門、底樞拆裝、止水更換等作業受到影響，用于檢修的電氣設備設施無干地安放條件，設備在操作過程中受積水影響易發生故障甚至出現短路損壞等情況，線路連接存在安全隱患，門庫段泥沙和積水混合形成泥漿，造成門庫底板濕滑，給作業人員施工帶來不便和安全隱患。2)影響水工結構修補。包括閘室底板縱、橫結構縫滲漏處理，消能明溝破損修補，輸水廊道結構破損、氣蝕面修補以及結構縫滲漏處理，均需要在干燥清潔的環境下進行，積水或濕潤狀態下修復砂漿和基面粘接不牢固，粘接強度不足，影響工程質量。灌漿環節中常用的彈性聚氨酯類灌漿材料容易遇水提前發生化學反應而失效，達不到防滲堵漏效果。

1.2 滲漏積水處理

針對檢修期流入檢修區的滲漏積水，歷次大修中主要采取搭設黏土圍堰的方式來進行擋水，基本能夠滿足檢修干區施工的要求，但存在圍堰搭設速度慢、人力消耗大、作業區施工環境差、圍堰穩定性不夠需要經常修補處理等缺陷，易使設備設施和作業人員存在安全隱患，不利于滿足船閘快速檢修的需求。

下游人字門門庫積水通常較深，嚴重影響人字門檢修作業。通常采用傳統的黏土圍堰，圍堰搭設須耗費較多人力和時間，在下游擋水門不斷漏水、沒有引流設施的情況下，圍堰擋水面不斷壅高，積水漫過堰頂進入人字門檢修區域。且泥沙搭筑的圍堰本身有一定的缺陷，在積水長時間浸泡下，易被沖刷，滲透率大，吸水后易軟化坍塌，堰身不穩定，需要反復加高加固，導致增加成倍的人力和時間。據測算，兩個人搭設和反復加固人字門門庫黏土圍堰所耗時間在2017年葛洲壩一號船閘大修中接近1.5 d，占閘室排干后剩余時間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沖刷下，泥漿會進入檢修區，導致施工環境差，設備設施和作業人員在潮濕有水的狀態下存在安全隱患。

輸水廊道破損修補是水工結構修補的關鍵工程，在停航檢修期，主廊道內水深維持在10～25 cm，具體視檢修平板門漏水情況而定，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時，須搭設擋水圍堰，形成局部檢修干區，大修中主要采用黏土圍堰(圖2)或者黏土圍堰和鋼板結合擋水的形式，積水深5 cm左右采用黏土圍堰，大于20 cm采用黏土和鋼板結合的圍堰擋水形式。圍堰材料選用高嶺土，在廊道中搬運、存放困難，鑒于鋼板過于笨重，其吊裝和在廊道內搬運十分不便，近來較少使用。通常輸水廊道破損面較多，所需搭設的黏土圍堰數量大、范圍廣。據統計，歷次大修輸水廊道破損修補項目，耗費在黏土圍堰的搭設和拆除上所消耗的人力和時間可達整個項目的14。

輸水廊道破損修補完成后，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值低、較難儲存等特點，一般對圍堰未進行清理，對水體有一定的污染。

圖2 輸水廊道結構縫破損修補

2 船閘快速檢修擋水需求分析

黏土圍堰有成本低、操作簡單、適用性較強的優越性，特別是對于5 cm左右的淺水，能夠快速搭設起一道擋水圍堰。但對于10 cm以上的積水，需要搭設較高的圍堰，存在一些的缺點：1)圍堰搭設速度慢，耗費較多的人力；2)黏土圍堰穩定性不夠，容易被沖刷，吸水軟化；3)對基面清洗時，容易引入新的雜質，影響混凝土破損修補時基面清洗和修補材料的粘接；4)造成作業區施工環境差，設備設施和作業人員存在安全隱患；5)黏土的搬運、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。

針對船閘快速檢修的需求，結合檢修期不同部位作業需求，新型擋水圍堰應能較好地滿足以下要求：1)同時適用于門庫、閘室和輸水廊道，即要求圍堰能夠可長可短；2)同時實現擋、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、兩側與閘墻或者廊道側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)圍堰須有足夠的穩定性；5)圍堰具有足夠強度和耐久性，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，同時方便施工人員通過；7)圍堰能夠快速實現安裝和拆卸，方便運輸和搬運，可循環使用，無污染。基于上述需求，提出一種折疊式可儲水式擋水墻，具有運輸方便、搭設簡單、無須對基礎進行處理、可回收再利用等特點。

3 儲水式擋水墻設計

3.1 基本原理

儲水式擋水墻(圖3)是利用不透水的柔性材料制成的充水袋，通過向其充灌水后利用水的重力形成擋墻來擋水，達到“以水堵水”的效果。堵水墻的整體外形為長條形，內部設有剛性骨架，每段擋水墻長度為6 m，可折疊收縮，段與段之間通過魔術貼連接，從而實現長度的變化。據測試，2～3人在2～3 min便可迅速搭建起一道6 m長的擋水墻，搭建起一道用于門庫擋水的34 m長的擋水墻僅需40 min左右，較傳統黏土圍堰搭設效率提升了20倍。

圖3 儲水式擋水墻

3.2 設計計算

據以往船閘檢修實踐，地面均為平整混凝土面，擋水墻與地面摩擦系數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，無法確定其大小，為簡化計算，滲透壓力取三角形分布，折減系數α取0.3[6]。計算時考慮重力、靜水壓力、揚壓力，主要驗算擋水墻的抗滑、抗傾和抗浮穩定性。

3.2.1斷面比選

常用擋水設施有梯形、矩形和圓形3種斷面形式，為選擇最優斷面形式，對各斷面受力進行計算，對擋水墻而言，抗滑穩定性較難滿足要求，因此選擇3種斷面形式下的抗滑進行驗算。

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。計算時垂直于水流方向均取單位長度。

P(x)為靜水壓力沿水平方向的分力，Fd為抗滑力，G為擋水墻重力，W為靜水壓力豎直方向分力，U為底面揚壓力，見圖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。

圖4 斷面受力計算簡圖(單位：mm)

計算可得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，圓形斷面形式更易發生滾動，滾動摩擦力只有滑動摩擦力的140到160，因此實際上，此斷面形式是不合適的，抗滑力遠遠小于滑動力。

對3種不同形式斷面進行比選，可知在相同斷面面積下，梯形斷面安全系數最高，因此采用梯形斷面進行設計。

3.2.2斷面設計

擋水墻擋水高度為20 cm，波浪爬升高度5 cm，則前沿擋水總高度為25 cm，考慮到人員通過以及搬運、儲存的方便，結合安全系數要求，經過多次計算，擬定梯形斷面尺寸為上寬20 cm、底寬40 cm、高40 cm。

3.2.3穩定性復核

穩定性復核主要驗算抗滑、抗傾和抗浮穩定性，受力見圖5。經驗算，抗滑安全系數為1.8，抗傾安全系數為8.85，抗浮安全系數為8.52，均滿足穩定性要求。

圖5 設計斷面受力計算簡圖(單位：mm)

3.3 細部優化設計

3.3.1引排水裝置

因擋水墻迎水面不斷有來水，為防止壅水過高導致漫堰，需要對擋水墻增加引排水裝置(圖6)，在擋水墻內部設有兩根不與腔內連通的D50排水管，排水管端部設有絲口和堵頭，可根據需要進行開閉，排水管與消防水管連接可將來水排放到指定部位，從而保證不漫堰影響檢修區域的干燥工作面，滿足上下游門庫的檢修需要。擋水完成后，打開出水口，可迅速將圍堰腔內水體排出，實現快速折疊回收。

圖6 儲水式擋水墻(單位：mm)

3.3.2兩端與側墻連接處理

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

為不破壞原有閘墻結構，考慮在擋水墻兩端與側墻之間布置柔性橢球型擋水墻(非標準段)，加大與閘墻的接觸面積，增大側壓力，一端通過魔術貼與標準段擋水墻連接(圖7)，從而達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到擋水防滲的目的，能夠適應閘室底板和廊道底板以及地面輕微凹凸不平的條件，經現場試驗，底部防滲效果良好。

4 結語

1)方便。儲水式擋水墻分節安裝，適應多種擋水長度需求；質量較輕，運輸方便；可彎曲走向，地面輕微高低不平不受影響，無須對地面進行特殊處理。

2)快捷。配合水泵作業，只需2～3人在2～3 min便可快速搭建一道6 m長的儲水式擋水墻，代替了傳統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，使用后對水體完全無污染，綠色環保，大大改善了施工環境。