船閘護(hù)坦水下修復(fù)技術(shù)應(yīng)用研究

郭瑋

（揚(yáng)州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 揚(yáng)州 225003）

1 基本情況

1.1 研究背景

江蘇省瀕江臨海，河流成網(wǎng)，水運(yùn)資源十分豐富，內(nèi)河等級(jí)航道總里程8700 余公里，交通管轄船閘多達(dá)80 多座。2021 年，江蘇省內(nèi)河航道貨運(yùn)量約9.68 億噸。為適應(yīng)交通水運(yùn)事業(yè)快速發(fā)展的形勢(shì)和船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)，十三五以來(lái)，江蘇加快了航道、船閘基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和改造步伐，通過(guò)基本建設(shè)手段從根本上提升通航能力，消除通航安全隱患。但除此之外，仍存在一部分60 年代至80 年代建造的，分布在較低等級(jí)航道上的船閘，這部分船閘的共性特點(diǎn)為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、船閘尺度小，無(wú)法滿足船舶大型化的發(fā)展需求，近期內(nèi)也不能通過(guò)基本建設(shè)程序完全實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容改造，只能結(jié)合船閘養(yǎng)護(hù)工程的實(shí)施，“短、平、快”地解決重點(diǎn)問(wèn)題，消除安全隱患。

1.2 船閘概況

高郵運(yùn)西船閘建成于1986 年，上游為京杭大運(yùn)河，下游為高郵湖，是連接蘇皖兩省、溝通淮河和京杭運(yùn)河的重要水運(yùn)通道。船閘單線雙向通航，基本尺度：100×16×2.5 米（閘室有效長(zhǎng)度×閘室有效寬度×門檻水深），上游設(shè)計(jì)最高通航水位為 8.2 米，設(shè)計(jì)最低通航水位為 5.5 米。下游設(shè)計(jì)最高通航水位為 8.5 米，設(shè)計(jì)最低通航水位為 5.0 米[1]。年設(shè)計(jì)船舶通過(guò)量為350 萬(wàn)噸，2019 年實(shí)際船舶通過(guò)量已經(jīng)達(dá)到905 萬(wàn)噸，船閘運(yùn)行較為繁忙。

1.3 護(hù)坦修復(fù)的必要性

運(yùn)西船閘護(hù)坦為干砌塊石結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，因自身結(jié)構(gòu)耐久性較差，加之受大型船舶過(guò)閘、船閘運(yùn)行灌泄水形成的水流沖刷等因素影響，護(hù)坦塊石大面積松動(dòng)、翻起，主要帶來(lái)三方面的問(wèn)題：一是護(hù)坦塊石堆積在護(hù)坦表面，成為水下礙航物，易造成擱淺、船損事件，影響船舶通航安全[2]；二是護(hù)坦塊石被帶至閘首門檻部位，卡阻閘門啟閉，損壞閘門底部橡膠止水等運(yùn)轉(zhuǎn)件，對(duì)閘門結(jié)構(gòu)和船閘運(yùn)行帶來(lái)不利影響；三是塊石松動(dòng)后，護(hù)坦失去護(hù)底功能，水流沖刷會(huì)造成引航道口門區(qū)斷面土方流失，時(shí)間長(zhǎng)久沖刷嚴(yán)重后將影響鄰近導(dǎo)航墻等助、導(dǎo)航建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為此，需要對(duì)運(yùn)西船閘上游護(hù)坦實(shí)施修復(fù)工程以解決上述問(wèn)題。

2 護(hù)坦修復(fù)技術(shù)方案的確定

在船閘水工建筑設(shè)施受損修復(fù)技術(shù)中，護(hù)坦修復(fù)難度較大。對(duì)于本次工程來(lái)說(shuō)，一是因?yàn)樽o(hù)坦處于閘首修理門槽外側(cè)，無(wú)法通過(guò)安裝修理門抽水后實(shí)施；二是因?yàn)樽o(hù)坦修復(fù)必須停航，且實(shí)施快速修理難度大，船閘停航時(shí)間長(zhǎng)會(huì)造成較大的社會(huì)影響；三是如果實(shí)施水下施工，工程質(zhì)量和安全控制難度大。為此，我們經(jīng)過(guò)實(shí)踐探索，總結(jié)研究了一套較為快捷有效的護(hù)坦水下修復(fù)技術(shù)。下面，以高郵運(yùn)西船閘上游引航道護(hù)坦修復(fù)為例，總結(jié)護(hù)坦水下修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究。

2.1 護(hù)坦修復(fù)的平面位置

本次修復(fù)位置位于上游引航道口門區(qū)外側(cè)，原有護(hù)坦為干砌塊石結(jié)構(gòu)，頂高程2.5m，厚度350mm，護(hù)坦損壞位置從上游導(dǎo)航墻外側(cè)沿船閘軸線方向75m 長(zhǎng)，橫向20m 寬，需要修復(fù)面積約1500m2，具體見(jiàn)圖1。

圖1 高郵運(yùn)西船閘護(hù)坦修復(fù)平面位置圖

2.2 護(hù)坦修復(fù)工程量

清除1500 m2范圍內(nèi)的水下護(hù)坦干砌塊石和砼格埂，共525m3；澆筑厚度350 mm 砼（C40）[3]，共525 m3，護(hù)坦砼頂高程嚴(yán)格控制在2.45—2.5m 之間。

2.3 技術(shù)方案選擇

本次護(hù)坦修復(fù)遵循以下原則：一是結(jié)構(gòu)整體性、耐久性較好，適應(yīng)大型船舶航行時(shí)產(chǎn)生的船行波的沖刷，不易損壞；二是工期相對(duì)較短，將因?qū)嵤┬迯?fù)工程造成的船閘停航時(shí)間盡量縮短，減少航運(yùn)企業(yè)、船員的等待時(shí)間；三是技術(shù)成熟、施工較為便捷，能夠用常規(guī)的施工機(jī)械、工藝工法施工，符合養(yǎng)護(hù)工程投資少見(jiàn)效快的要求。目前能夠?qū)嵤┑男迯?fù)方案主要有三種：構(gòu)筑圍堰抽水修復(fù)法、氣壓沉柜修復(fù)法、水下砼澆筑法。三種修復(fù)技術(shù)方案比選見(jiàn)表1。

表1 修復(fù)技術(shù)方案比選表

綜上所述，綜合考慮設(shè)備、工期、投資、實(shí)施效果等因素，水下砼澆筑法盡管護(hù)坦砼頂高程和澆筑質(zhì)量控制難，施工中需要潛水人員在水下進(jìn)行作業(yè)控制，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，但能夠通過(guò)建立安全保障措施，優(yōu)化施工工藝來(lái)保證工程順利實(shí)施。這是最快捷的修復(fù)方案，投資較小，縮短了停航時(shí)間能帶來(lái)最大的經(jīng)濟(jì)效益和最小的社會(huì)影響。因此，選定了水下砼澆筑技術(shù)方案。

3 護(hù)坦修復(fù)技術(shù)方案的實(shí)施要點(diǎn)

3.1 總體施工流程

總體施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 總體施工流程圖

3.2 水下地形測(cè)量放樣

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件進(jìn)行水下斷面測(cè)量復(fù)核，工序要點(diǎn)是須由潛水員摸清施工區(qū)域現(xiàn)狀護(hù)坦周圍的混凝土格梗位置，在水下插好定位標(biāo)志桿，確定施工范圍的邊界線，以利下一步清除工作的順利進(jìn)行。

3.3 原護(hù)坦塊石、格埂清除

采用抓斗挖泥船，將塊石、格梗混凝土破碎，貨駁配合裝運(yùn)。工序要點(diǎn)是控制好開(kāi)挖邊線和挖掘高程，按照“先中間，后邊界”的原則，保護(hù)好邊界格埂混凝土，高程上嚴(yán)格控制超挖，保護(hù)基底不受擾動(dòng)。

3.4 水下測(cè)量精確放樣

原護(hù)坦塊石清理結(jié)束后進(jìn)行水下精確測(cè)量，確保原護(hù)坦塊石、格埂清除干凈。

3.5 水下立模

由于修復(fù)面積較大，水下混凝土澆筑需分區(qū)塊進(jìn)行。分塊形狀和面積大小考慮充分利用施工區(qū)域邊界現(xiàn)有完好格梗混凝土作為邊模，且方便澆筑后潛水員在水下平整混凝土表面。按沿垂直船閘軸線方向20m、順船閘軸線方向3m 進(jìn)行分塊，一次澆筑面積60m2，澆筑方量21m3，共分25 塊澆筑。為控制護(hù)坦頂高程，在施工區(qū)域按照井字型布設(shè)水下高程樁，高程控制為▽2.5，間距約3m。水下打鋼管樁及立模水上有人配合，由水上人員控制高程和位置，并且由水上人員施打。控制樁總計(jì)大約有504根，預(yù)計(jì)每天完成打樁200根，打樁需2.5天，布設(shè)控制鋼管需1 天，水下立模（大運(yùn)河面）需1 天，則水下立模總計(jì)約5 天時(shí)間。

3.6 水下砼澆筑

模板及高程樁及高程鋼管布好后進(jìn)行水下砼澆筑。每塊區(qū)域?yàn)闄M向長(zhǎng)20m，縱向長(zhǎng)3m。澆筑時(shí)依次從一端向另一端推進(jìn)，完成一塊再澆筑相鄰的一塊。嚴(yán)格按配合比配制C40 水下混凝土，摻加早強(qiáng)不分散減水劑，塌落度在20cm 以上，保證混凝土拌合物和易性及流動(dòng)性良好，容易自流平，且在水下不易分散[4]。混凝土澆筑采用輸送泵，輸送導(dǎo)管與河底靠近，與邊界保持適當(dāng)距離。澆筑時(shí)，混凝土一次集中泵送一部分，保持導(dǎo)管位置不變，混凝土直接進(jìn)入護(hù)坦面里，減少了在水中沖刷。混凝土拌合物先自流平，潛水員在水下用掛尺將超出頂高程的部分刮平。本次水下砼總計(jì)約525m3，預(yù)計(jì)水下澆筑時(shí)間約2 天。考慮水下混凝土澆筑質(zhì)量不易控制，實(shí)際施工時(shí)實(shí)行首件認(rèn)可制，選擇第一塊護(hù)坦作為首件，將各工序技術(shù)要求進(jìn)行技術(shù)交底，明確澆筑方量控制、導(dǎo)管移動(dòng)、水下混凝土表面整平、水上水下配合等關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)要求，確保首件一次成功，并將施工參數(shù)固化以利后續(xù)護(hù)坦分塊澆筑遵循。

3.7 頂高程復(fù)測(cè)

每塊澆筑完成后，對(duì)頂高程進(jìn)行復(fù)測(cè)，按照“精準(zhǔn)控制，寧低勿高”的原則，控制頂高程不高于2.5m，且在2.45—2.5m 之間。復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)作為工序質(zhì)量驗(yàn)收原始資料。

3.8 水下混凝土養(yǎng)護(hù)

水下混凝土澆筑后，盡可能避免擾動(dòng)，在自然條件下養(yǎng)護(hù)14 天。

4 工程實(shí)施后使用效果

工程于2019 年當(dāng)年實(shí)施，工期22 天，在做好施工組織設(shè)計(jì)、優(yōu)化工期安排、加大機(jī)械設(shè)備班組保障的前提下，工程得以提前完工，為船閘盡早復(fù)航、水運(yùn)企業(yè)及船舶盡早恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)爭(zhēng)取了時(shí)間。

工程完工船閘復(fù)航以來(lái)至目前，管理人員在養(yǎng)護(hù)管理工作中對(duì)上游護(hù)坦的修復(fù)情況及使用效果進(jìn)行多次監(jiān)測(cè)。一是對(duì)引航道進(jìn)行斷面測(cè)量，根據(jù)測(cè)量水深結(jié)果顯示，修復(fù)區(qū)域的高程均在2.5m以下，基本上在2.45—2.5m之間，每年測(cè)量結(jié)果無(wú)較大變化，說(shuō)明護(hù)坦無(wú)掏空、翹起等情況，較為穩(wěn)定；二是采用多波束設(shè)備進(jìn)行掃測(cè)，與引航道斷面測(cè)量結(jié)果進(jìn)行印證，結(jié)果顯示修復(fù)區(qū)域混凝土表面較為平整，見(jiàn)圖3。兩種方法證明運(yùn)西船閘上游護(hù)坦屬下修復(fù)較為成功。同時(shí)，通過(guò)這幾年的船閘繁忙運(yùn)行，大型化的、深吃水的船舶頻繁進(jìn)出船閘，未出現(xiàn)過(guò)船舶碰損、閘門卡阻情況，說(shuō)明水下護(hù)坦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，船舶安全通航、船閘安全運(yùn)行得到了有效保障。

圖3 多波束掃測(cè)成果圖

5 結(jié)語(yǔ)

20 世紀(jì)60 至80 年代建造的船閘較多采用砌石結(jié)構(gòu)護(hù)坦，較易破損，需要通過(guò)實(shí)施養(yǎng)護(hù)工程來(lái)進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)在運(yùn)西船閘護(hù)坦修復(fù)中應(yīng)用水下混凝土修復(fù)技術(shù)，較好地解決了這一問(wèn)題，且具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、便捷高效且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。在后續(xù)的樊川船閘上游護(hù)坦修復(fù)和芒稻船閘下游引航道鋼板樁護(hù)岸靠船段墻前防沖刷中，應(yīng)用水下混凝土修復(fù)技術(shù)均取得了良好效果。實(shí)踐證明通過(guò)加強(qiáng)工序質(zhì)量控制，實(shí)施精細(xì)化施工管理，水下混凝土修復(fù)技術(shù)在船閘水下護(hù)坦修復(fù)及類似水下混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)中應(yīng)用效果較好，具有推廣價(jià)值。