楊 帥，高 鵬，馬 棟，楊玉廣

（德州市水利局，山東 德州 253000）

目前，我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段[1]，城鎮(zhèn)化水平與水資源（工業(yè)和生活用水）的消耗量成明顯對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系[2]，水資源的供求矛盾引起了各界的普遍關(guān)注，也成為不少學(xué)者重點(diǎn)討論的問(wèn)題。其中，平原地區(qū)解決此問(wèn)題的主要手段是修建一定數(shù)量的水庫(kù)，通過(guò)對(duì)水的蓄、放，有效緩解了水資源分配不均和供需緊張的問(wèn)題。但是，平原水庫(kù)建設(shè)起步早，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，供水泵站裝機(jī)容量偏小，已不能滿足目前日益增長(zhǎng)的用水需求。為此，新建、擴(kuò)建泵站，提高供水能力已顯得刻不容緩。

本文以丁東平原水庫(kù)為研究對(duì)象，通過(guò)新建泵站和管線來(lái)實(shí)現(xiàn)供水能力的提升。按設(shè)計(jì)要求，新建泵站與原城市供水泵站需共用同一個(gè)進(jìn)水池，因此要對(duì)原進(jìn)水池側(cè)墻進(jìn)行開(kāi)孔接管取水，同時(shí)還要保證原泵站在不停機(jī)狀態(tài)下穩(wěn)定持續(xù)向城區(qū)供水。為保證工程順利進(jìn)行，亟需一種水下封堵技術(shù)，解決在不放空原進(jìn)水池的情況下進(jìn)行臨時(shí)封堵的問(wèn)題，為側(cè)墻開(kāi)孔作業(yè)創(chuàng)造干地條件。

研究發(fā)現(xiàn)，水下封堵施工常采用澆筑封堵墻或設(shè)計(jì)制造疊梁閘門的技術(shù)方案。簡(jiǎn)震等[3]以混凝土預(yù)制塊和專用水泥為封堵體，進(jìn)行水下封堵研究；徐同良等[4]編制并實(shí)施了一種在非靜水高水位條件下的混凝土施工技術(shù)。考慮到水下混凝土施工工期長(zhǎng)、安全可靠性低的缺點(diǎn)，近幾年來(lái)，疊梁閘門作為水下封堵技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，尤其常作為臨時(shí)擋水或檢修閘門之用[5，6]。隨著研究的深入，學(xué)者發(fā)現(xiàn)疊梁閘門的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、適用條件也不盡相同，嚴(yán)勵(lì)[7]設(shè)計(jì)了一種在靜水條件下的疊梁閘門，其優(yōu)點(diǎn)為閘門的全部操作均在水面上進(jìn)行，具有很強(qiáng)的安全性；吳永強(qiáng)[8]設(shè)計(jì)了在動(dòng)水條件下進(jìn)行水下探摸研究的疊梁閘門。與此同時(shí)，還有學(xué)者圍繞鋼疊梁與混凝土疊梁之間優(yōu)缺點(diǎn)[9]、閘門防滲體系[10]等問(wèn)題展開(kāi)研究。但本工程的原進(jìn)水池水下情況經(jīng)蛙人探摸發(fā)現(xiàn)，墻體的垂直度、平整度與原設(shè)計(jì)誤差較大，且底部淤泥雜物及田螺較多，利用疊梁閘門進(jìn)行水下封堵，效果可能不理想。本文通過(guò)借助疊梁鋼閘門設(shè)計(jì)思路，研制了一種新型水下封堵閘門。

1 工程概況

現(xiàn)狀城市供水泵站始建于1997 年，是丁東水庫(kù)的主要工程之一，擔(dān)負(fù)向德州城區(qū)供水的任務(wù)，位于大壩樁號(hào)8+133 處，由水閘、進(jìn)水池、主副廠房等建筑物組成。進(jìn)水池底板高程15.5 m，頂高程25.5 m，長(zhǎng)19.2 m，寬為8 m，墻體厚度1 m，在其西面墻體上現(xiàn)有4 條引水管道，管徑50 cm，管中心高程17.0 m，邊管中心距進(jìn)水池側(cè)墻1.85 m。本工程引水管由進(jìn)水池南側(cè)墻體中心偏下位置開(kāi)孔接入，新接入引水管為2 根DN2000 鋼管，管中心高程16.8 m，側(cè)墻開(kāi)孔示意如圖1所示。

圖1 側(cè)墻開(kāi)孔示意

2 設(shè)計(jì)原理

封堵鋼閘門的結(jié)構(gòu)特征是“簸箕”型閘門和千斤頂背后支撐的組合形式。“簸箕”型鋼閘門兩側(cè)及底邊設(shè)有橡膠止水，為增加橡膠止水與側(cè)墻面接觸強(qiáng)度，在鋼閘門的迎水面安裝2 臺(tái)100 t 的油壓千斤頂，受力點(diǎn)為進(jìn)水池上方拉梁，通過(guò)鋼閘門自重和千斤頂加壓達(dá)到理想的封堵效果，側(cè)墻開(kāi)孔接管完成后，千斤頂泄壓，閘門吊出，新接引水管實(shí)現(xiàn)通水。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 結(jié)構(gòu)和尺寸

閘門高度5 m、寬6.0 m，選用雙主梁，下主梁距閘門底部1 600 mm，上主梁距閘門上緣1 000 mm，主梁間距2 400 mm，布置2 根水平次梁。根據(jù)主梁的跨度，布置3 道隔板，其間距1.4 m，橫隔板兼作豎向次梁，兩側(cè)邊板和底板長(zhǎng)1.81 m，面板采用Q235B鋼板作為主要制作材料。閘前設(shè)計(jì)水頭5 m，閘門承受單向水頭作用，擋水側(cè)面板的局部彎曲應(yīng)力可按四邊固定的彈性薄板承受均布荷載計(jì)算，面板厚度可按式（1）計(jì)算，由表1 的計(jì)算結(jié)果再加上2 mm的腐蝕裕度，最終選用鋼閘門面板厚度為10 mm。

表1 面板區(qū)格厚度計(jì)算結(jié)果

式中：δ為鋼面板的厚度（mm）；kγ為彈性薄板支承長(zhǎng)邊中點(diǎn)彎曲應(yīng)力系數(shù)；a，b分別為面板計(jì)算區(qū)格的短邊和長(zhǎng)邊長(zhǎng)度（mm），從面板與主（次）梁的連接焊縫算起；α為彈性調(diào)整系數(shù)，b/a＞3時(shí)α=1.4，b/a≤3時(shí)α=1.5；q為面板計(jì)算區(qū)格中心的水壓力強(qiáng)度（MPa）；（σ）為鋼材的抗彎容許應(yīng)力（N/mm2），取160 N/mm2。

由于封堵閘門未設(shè)置閘門槽，同時(shí)池內(nèi)水流持續(xù)產(chǎn)生沖擊和渦流現(xiàn)象，僅靠進(jìn)水池內(nèi)的水壓力作用閘門，既無(wú)法保證閘門的穩(wěn)定性又不能實(shí)現(xiàn)止水與墻體的緊密貼合。為此，在封堵鋼閘門迎水面裝設(shè)2 臺(tái)液壓千斤頂，千斤頂?shù)牧硪欢丝ü淘谶M(jìn)水池拉梁上，通過(guò)高壓油泵工作將活塞頂起，使鋼閘門三邊上的橡膠止水緊貼墻體，達(dá)到止水的目的。封堵鋼閘門示意，如圖2所示。

圖2 封堵鋼閘門示意

3.2 止水與防腐

因鋼閘門承受單向水頭作用，故止水采用單向止水形式?！棒せ毙弯撻l門三邊均設(shè)置U 形橡膠止水帶，該止水除具有普通橡膠止水帶的各種性能外，還增加了構(gòu)筑物與止水帶結(jié)合的緊密度，增強(qiáng)了防止?jié)B水、漏水的能力。安裝時(shí)，在橡膠止水帶上打孔，孔的間距為100 mm，預(yù)埋錨栓的間距尺寸與打孔間距相符，并用螺栓止水壓板固定。U 形止水帶布設(shè)不留接頭，只在側(cè)邊與底邊結(jié)合的槽溝粘貼面上刷結(jié)構(gòu)膠，膠層厚度2 mm。為延長(zhǎng)鋼閘門的使用壽命，對(duì)鋼閘門整體結(jié)構(gòu)及埋件進(jìn)行熱噴鋅金屬保護(hù)，檢驗(yàn)合格后及時(shí)對(duì)熱噴鋅涂層進(jìn)行封閉處理。止水示意，如圖3所示。

圖3 止水示意

4 封堵閘門安裝

4.1 施工平臺(tái)搭建

搭設(shè)橫跨進(jìn)水池上口的鋼桁架施工平臺(tái)，寬度0.8 m，腳手板滿鋪固定牢靠，平臺(tái)四周安裝高度為1.2 m 的安全防護(hù)欄桿，平臺(tái)用于材料運(yùn)輸和人員輔助吊裝作業(yè)。

4.2 基礎(chǔ)面清理

吊裝前，潛水員需要在水面以下進(jìn)行開(kāi)孔側(cè)墻的打磨清理，尤其是與橡膠止水帶貼合處的混凝土面要剔除凸坎、填補(bǔ)坑洼，并清除底板淤沙，保證封堵閘門與側(cè)墻壁有良好的接觸面，避免安裝完成后出現(xiàn)漏水、滲水情況。

4.3 封堵閘門安裝過(guò)程和注意事項(xiàng)

封堵鋼閘門安裝采用140 t汽車吊，在吊裝過(guò)程中應(yīng)注意U 形止水帶的平整無(wú)脫落、粘結(jié)牢靠。閘門順利放置進(jìn)水池內(nèi)后，將千斤頂自由端通過(guò)螺栓連接L形鋼墊板，墊板卡固在進(jìn)水池的拉梁上，通過(guò)高壓油泵工作，將千斤頂活塞緩慢頂起。同時(shí)，封堵鋼閘門兩側(cè)各安排1 名水下作業(yè)潛水員，密切關(guān)注閘門頂進(jìn)過(guò)程中偏移情況，并通過(guò)吊車和液壓油泵兩者共同調(diào)整閘門位置，閘門落位后，再用千斤頂將橡膠止水與墻體壓緊，實(shí)現(xiàn)封堵閘門止水效果，為后續(xù)側(cè)墻開(kāi)孔創(chuàng)造干地條件。

5 側(cè)墻開(kāi)孔接管

現(xiàn)狀城市供水泵站進(jìn)水池建造于20 世紀(jì)90 年代，已運(yùn)行近25 a，考慮到現(xiàn)狀進(jìn)水池的整體安全，為減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，必須保證切割面的平整度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，需拆除的混凝土塊基本處于地面且周邊環(huán)境較為平坦，適合吊裝機(jī)械及平板車等大型機(jī)械操作，側(cè)墻開(kāi)孔時(shí)采用金鋼石繩鋸靜力切割拆除。金剛石繩鋸切割是由液壓馬達(dá)帶動(dòng)金剛石繩繞切割面高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)切割體進(jìn)行研磨，完成切割作業(yè)。該項(xiàng)操作主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在混凝土塊切割不受干擾，并且震動(dòng)和噪音都很小，作業(yè)過(guò)程中高速運(yùn)轉(zhuǎn)的繩鋸和切割產(chǎn)生的粉塵用水進(jìn)行冷卻、降塵，達(dá)到安全、環(huán)保的效果。

5.1 施工準(zhǔn)備

依據(jù)施工圖現(xiàn)場(chǎng)放樣，側(cè)墻開(kāi)孔尺寸寬5.4 m、高3.7 m、厚1 m，其重量約為50 t。為了方便移出切割下來(lái)的混凝土塊，制定了切割路線，以1.8 m×3.7 m見(jiàn)方為一個(gè)切割單元，由外側(cè)至內(nèi)側(cè)的順序進(jìn)行切割。

5.2 繩鋸切割

根據(jù)切割路線，先采用水鉆打排孔代替部分切割，用于解決繩鋸穿墻的問(wèn)題。水鉆采用直徑5 cm鉆頭打孔，打孔盡量使鉆孔與墻體垂直，排孔盡量在一條水平或豎直線上，孔深按設(shè)計(jì)深度即1 m 控制。先打水平向排孔，再打豎直向排孔。水鉆排孔打完后即可進(jìn)行繩鋸切割。將混凝土塊分3 段進(jìn)行切割，切割時(shí)注意控制切割面的偏差，位置偏差不得超過(guò)10 mm，保證切割面的順直、切割尺寸的準(zhǔn)確。

5.3 切塊吊裝

混凝土塊分段切割后，進(jìn)行吊裝。在每個(gè)切割單位上打2個(gè)深120 cm、直徑35 mm的孔，植入直徑30 mm螺紋鋼，螺紋鋼端部焊吊環(huán)，用吊車將切割塊吊至合適位置。

6 結(jié)語(yǔ)

水下封堵閘門設(shè)計(jì)與安裝為后續(xù)側(cè)墻開(kāi)孔接管、管道安裝及城市供水的順利進(jìn)行打下了良好基礎(chǔ)，同時(shí)保證了現(xiàn)有水庫(kù)正常運(yùn)行不受影響。尤其是在使用疊梁或砌筑防水墻困難的情況下，該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更為顯著。而側(cè)墻開(kāi)孔采用了金鋼石繩鋸靜力切割技術(shù)，該技術(shù)對(duì)原有結(jié)構(gòu)破壞較小，切口平整，有利于后期結(jié)構(gòu)的修復(fù)。這2 項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用保證了工程整體質(zhì)量，加快了施工效率，為后續(xù)類似工程提供了借鑒和參考。