大沙河閘門及箱涵改造工藝及質量管控研究

陳文淵

(深圳市深水水務咨詢有限公司， 廣東 深圳 518000)

隨著城市水利建設的深入發展，傳統原有水工建筑物在長期運營過程中普遍出現建筑結構功能性損害和完整性不足，無法滿足現有的防洪排澇、雨污分流整治等標準，難以與當地城市的發展架構和自然景觀適應匹配，因此現有城市水務發展的目標必須提升至水環境綜合治理的高度[1-2]。

在南山區小微水體綜合治理兜底工程中，大沙河河口右岸箱涵為合流系統，導致雨季大量雨水和污水混合，并且排海閘存在滲漏，啟閉機損壞無法提升，上部排架結構存在隱患。針對水域箱涵及閘門等水工建筑修繕改造問題，國內學者普遍從結構安全設計[3-5]、修繕改造工藝[6-7]、結構性能試驗及功能提升[8-9]、建筑安全監測及評價[10-11]等方面展開研究。本文從大沙河閘門及箱涵改造工藝及質量管控的角度出發，采用一體化預制智慧截流井通過配置SCADA控制系統等新工藝，對大沙河箱涵及閘門在運行中存在的一系列問題進行改造，以保證其穩定有效運行，維護區域的水環境健康，可為類似水利工程修繕提供技術參考。

1 工程概況

工程位于深圳市南山區，大沙河流域下游出海口，河水流入深圳灣。工程為南山區小微水體綜合治理兜底工程——大沙河河口閘門修繕改造及雨水箱涵改造項目。工程包括右岸箱涵改造、右岸排海閘改造、左岸排海閘改造工程。左岸排海閘、右岸排海閘的功能為防止旱季漏排污水直接排放至大沙河，雨季開閘泄洪排澇。左岸排海閘，閘門凈尺寸3.5 m×3.0 m。右岸排海閘，閘門凈尺寸6.0 m×3.0 m。

根據現場調研及咨詢，主要存在以下情況:

(1)右岸箱涵為合流系統，現有一條雨水箱涵(3.0 m×1.5 m)接入，導致雨季大量雨水和污水混合，不利于整個截流系統運行。

(2)右岸排海閘存在滲漏現象，上部混凝土排架已經開裂，無法承受閘門啟閉需要。

(3)左岸排海閘存在滲漏現象，啟閉機損壞無法提升，上部排架結構存在隱患。

因此本項目對大沙河箱涵及閘門在運行中存在的一系列問題進行改造，以保證其穩定有效運行，維護區域的水環境健康。

2 水工建筑改造工藝

2.1 箱涵改造工藝

本項目現狀右岸箱涵6.0 m×3.0 m為合流系統，現有3.0 m×1.5 m雨水箱涵接入箱涵中。導致雨季大量雨水和截流污水混合，不利于泵站的維護運行及河道的水質保障。因此，本項目對右岸箱涵進行改造，改造范圍YJ0+012.09-YJ0+113.06(端墻內側里程)，長度100.97 m。通過設置中隔墻，將右岸箱涵分隔為1.8 m×3.0 m和3.8 m×3.0 m兩孔箱涵，使3.0 m×1.5 m雨水箱涵雨水從合流污水中分離出來，實現污水、雨水分流管理。

2.2 閘門改造工藝

大沙河河口右岸排海閘現狀尺寸為B×H=6.0 m×3.0 m，安裝于右岸箱涵排海口位置。左岸排海閘現狀尺寸為B×H=3.5 m×3.0 m，安裝于左岸污水提升泵站左側截流箱涵內。根據箱涵改造及雨污水分流管理需要，本項目將原閘門更換為一體化預制智慧截流井，由旋轉堰門和配置SCADA控制系統組成。一體化預制智慧截流井通過配置SCADA控制系統，實現3種運行模式:

(1)晴天截流模式。在晴天時，箱涵水位較低，全部為污水，排水堰門完全關閉。

(2)降雨模式。降雨時，當水位達到1.8 m時，旋轉堰門逐漸打開至-0.7 m，阻擋下層污溢到大海。

(3)防倒灌模式。當外河水位高于污水管水位時，排水堰門自動完全關閉，阻止海水倒灌。

根據箱涵改造后渠道尺寸，旋轉閘門孔口尺寸為B×H=1.8 m×3.0 m、B×H=3.8 m×3.0 m，雙向擋水。箱涵改造后，為實現箱涵初期雨水和中后期雨水的控制，設置2套限流閘門，分別為DN500限流閘門和1100 mm×1300 mm限流閘門，啟閉機采用液壓式啟閉機。本工程水閘為1孔3.8 m,1孔1.8 m,采用一體化旋轉堰門。

2.2.1 旋轉堰門主要功能及技術參數

旋轉堰門主要由堰板、側板、側板與底密封、推力螺母、螺桿及連接桿等部件構成，三維圖見圖1。堰門主要功能為:堰門開啟后不影響行洪；堰門的開啟由液力驅動；能自動實現堰門門板位置精確定位，精確度在2 mm；所供密封件耐磨性能好，使用壽命長，無泄漏；堰門門板能保證6.0 m深的水頭下整體的剛性；能實現遠程智能運維；能實現防倒灌；能實現在防止城市內澇的情況下最大限度截污；斷電情況下，能保證不影響行洪。

圖1 旋轉堰門三維圖示

其中各結構部件控制標準如下:

(1)堰板。材料采用不銹鋼材料制造，在面板上設有兩條水平方向的梯形筋，根據受壓確定筋的斷面尺寸，以滿足堰板撓度不大于板寬的1/1000 mm要求。堰板上部中心處設置吊耳與螺桿連接，吊耳中心偏差不大于1 mm。

(2)側板。采用不銹鋼材料制造，并具有足夠的厚度保證其平整度，側板在安裝前與土建的預埋件采用焊接方式連接，側板的平行度偏差應小于1 mm。

(3)側板密封與底密封。堰板與二側板的支承面采用丁腈橡膠板密封，并能夠牢固地安裝在門體二側的迎水面處，通過壓板用不銹鋼螺栓固定，橡膠密封板具有20 mm左右的側向調整余量，以作安裝及今后磨損時調節用。堰板底部橡膠密封條主要與堰板及堰板支架連接，材料為丁腈橡膠，厚度不小于8 mm，密封條能夠承受一定的彎曲強度，所有密封處能夠保證止水效果良好。

(4)推力螺母。材料采用銅合金制造，驅動裝置采用油浴潤滑，齒輪設計符合ISO、DIN或等同標準，服務系數≥1.4，齒輪材料采用低合金鋼，滲碳淬火處理，齒面硬度大于HRC58，軸承壽命不小于100 000 h。行程控制由輸出齒輪帶動“計數”進位的凸輪鎖定機構達到選定堰門的行程，而控制堰門的啟閉，并在液壓設備上設置有刻度盤來指示堰門的開閉全過程。轉矩限制機構，采用安全可靠，易調整和高精度的凸輪銷定機構進行行程控制及過力矩保護，當超過力矩時凸輪轉移，通過轉矩限位電器接觸開關動作，切斷電源，控制堰門開啟或關閉的雙向“力矩”保護作用，最大轉矩大于額定轉矩的5倍，連續運行時間不低于30 min。 主要技術參數如表1所示。

表1 旋轉堰門主要技術參數

2.2.2 SCADA系統智能控制終端

國內目前泵站的管理多數還是采用在附件設置配備人員的管理或在汛期需要開泵放閘時現場人工操作的方式，這樣不僅增加人力、物力、財力的開支，并且無法及時準確掌握現場的最新信息，而且達不到良好的控制效果。現存主要問題為:

(1)泵站有人值守，但巡查時間、效率無法準確掌握。

(2)主管部門不能隨時掌握泵站情況，如閘前水位、水泵開啟狀態、流量等信息。

(3)泵站設備隱患不能及時發現，如水泵是否斷電、故障等。

(4)管理效率偏低，發現問題靠打電話或者派人到現場解決。

為了保證泵站安全穩定運行，同時降低運營成本以及生產管理過程中的各種潛在風險，建立一套為該工程配套的SCADA系統。通過無線物聯網結合有線網絡，實現 “現地手動操作優先，分散自律自動運行，統一調度遠程監控，運營數據記錄保存”。

“現地手動操作優先”是指可對現地電控柜進行初始參數設置，“分散自律自動運行”是指在無須外界干預(即使網絡斷線等情況下)，系統可對相關設備各單元進行自動控制，實現設備的全自動化控制自動運行；“統一調度遠程監控”是指不受地域距離影響，可進行異地遠程監控，“運營數據記錄保存”是指對各點的水位、水質、設備動作運行數據自動記錄保存，可通過觸摸屏、手機、監控電腦終端等實時監控設備運行狀態和數據。

系統可實現異地遠程監控，區域、流域內統一調度，智慧運行，主要技術參數見表2。

表2 SCADA系統主要技術參數

3 水工建筑施工質量管控

3.1 箱涵施工質量管控

箱涵施工主要涉及圍堰加固和內部隔墻施工。

(1)箱涵圍堰加固。場地處于現狀暗涵排口處，暗涵內存在大量合流水排入深圳灣，首先對施工點上下游進行擋水施工，上游擋水采用沙袋砌筑，黏土心墻防滲，并埋設直徑1000 mm混凝土管自排入下游泵站，并輔以水泵抽排。下游排海口擋水采用沙袋砌筑，黏土心墻防滲。在保證沒有水的影響下進行舊閘門的拆除。

河道上游圍堰采用沙袋砌筑，400 g/m2兩布一膜心墻防滲，土工膜基礎采用黏土固定。土工膜防滲接縫采用焊接。

下游圍堰采用充填膜袋砂砌筑，迎水坡面采用400 g/m2兩布一膜防滲，上鋪200 mm厚C20膜袋混凝土防護。土工膜防滲接縫采用焊接，堰腳處平鋪2000 mm，堰頂處平鋪2000 mm。膜袋混凝土堰腳處平鋪2000 mm，堰頂處平鋪4000 mm。

(2)箱涵隔墻施工。箱涵中隔墻施工工序為:現狀線路地勘→定線放樣→搭設圍擋→暗涵底板鑿毛→轉孔、植筋→綁扎鋼筋→支模板→澆筑混凝土→拆模版→養護→清理現場。箱涵中隔墻采用鑿毛植筋連接，植筋構造根據規范《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2013)應滿足: ① 植筋鉆孔前應探明原構件鋼筋位置,以保證鉆孔不得傷及原有結構鋼筋。 ② 植筋施工區域兩側應設置臨時支撐。 ③ 鋼筋的混凝土保護層厚度50 mm。植筋用膠黏劑采用HILTI-RE500型錨固膠黏劑。

3.2 閘門施工質量管控

旋轉堰門安裝工序為:基礎校核→開箱檢查→基礎放線→不銹鋼旋轉堰門框安裝→液壓驅動設備安裝→二次找正→二次澆注混凝土→檢驗與調試。旋轉堰門安裝過程按以下標準進行質量控制:

(1)土建預留出水口墻面上標出出水口豎直中心線及堰門框底部水平標高線偏差不大于10 mm。

(2)將門框緊貼于一體化截污井內部洞孔的井壁上，用基礎螺栓將門框緊固，同時應保證門框底槽、二側導軌的水平度與垂直度偏差均小于1/1000。

(3)堰門門框采用焊接螺栓方式與預埋鋼板固定，安裝上部啟閉裝置，其中心線應與二側板的位置中心重合。

(4)液壓驅動裝置，采用雙吊點啟閉時，二側應同步，堰門側向及底部橡膠密封板接觸緊密。

(5)安裝及檢測無誤后，在側板與土建留槽處鑿毛，用細石混凝土二次灌漿，保證密實無滲漏，門框基礎螺栓緊固，旋轉堰門安裝首先對設備與底板連接處安裝。

4 結 論

本文針對大沙河河口閘門及雨水箱涵水工建筑物結構缺陷、功能退化的問題，采用一體化預制智慧截流井對其進行修繕改造，并重點研究改造過程中的工藝及質量管控，結果顯示，箱涵設置中隔墻可實現雨污分流。原閘門更換為由旋轉堰門和配置SCADA控制系統組成的一體化預制智慧截流井，可實現晴天截流、降雨和防倒灌三種運行模式，實現現地手動操作優先，分散自律自動運行，統一調度遠程監控，運營數據記錄保存，工程改造后可實現雨污分流，維護區域的水環境健康。

文章重點研究水工建筑改造過程的特色工藝，由于篇幅原因對工程整體施工工序和分項工藝論述較少，但對于類似水工建筑修復工程具有一定參考意義。