新型临时封堵钢闸门的研制与应用

杨 帅，高 鹏，马 栋，杨玉广

（德州市水利局，山东 德州 253000）

目前，我国正处于城镇化快速发展阶段[1]，城镇化水平与水资源（工业和生活用水）的消耗量成明显对数增长关系[2]，水资源的供求矛盾引起了各界的普遍关注，也成为不少学者重点讨论的问题。其中，平原地区解决此问题的主要手段是修建一定数量的水库，通过对水的蓄、放，有效缓解了水资源分配不均和供需紧张的问题。但是，平原水库建设起步早，设计标准偏低，供水泵站装机容量偏小，已不能满足目前日益增长的用水需求。为此，新建、扩建泵站，提高供水能力已显得刻不容缓。

本文以丁东平原水库为研究对象，通过新建泵站和管线来实现供水能力的提升。按设计要求，新建泵站与原城市供水泵站需共用同一个进水池，因此要对原进水池侧墙进行开孔接管取水，同时还要保证原泵站在不停机状态下稳定持续向城区供水。为保证工程顺利进行，亟需一种水下封堵技术，解决在不放空原进水池的情况下进行临时封堵的问题，为侧墙开孔作业创造干地条件。

研究发现，水下封堵施工常采用浇筑封堵墙或设计制造叠梁闸门的技术方案。简震等[3]以混凝土预制块和专用水泥为封堵体，进行水下封堵研究；徐同良等[4]编制并实施了一种在非静水高水位条件下的混凝土施工技术。考虑到水下混凝土施工工期长、安全可靠性低的缺点，近几年来，叠梁闸门作为水下封堵技术得到了广泛应用，尤其常作为临时挡水或检修闸门之用[5，6]。随着研究的深入，学者发现叠梁闸门的材质、结构形式、适用条件也不尽相同，严励[7]设计了一种在静水条件下的叠梁闸门，其优点为闸门的全部操作均在水面上进行，具有很强的安全性；吴永强[8]设计了在动水条件下进行水下探摸研究的叠梁闸门。与此同时，还有学者围绕钢叠梁与混凝土叠梁之间优缺点[9]、闸门防渗体系[10]等问题展开研究。但本工程的原进水池水下情况经蛙人探摸发现，墙体的垂直度、平整度与原设计误差较大，且底部淤泥杂物及田螺较多，利用叠梁闸门进行水下封堵，效果可能不理想。本文通过借助叠梁钢闸门设计思路，研制了一种新型水下封堵闸门。

1 工程概况

现状城市供水泵站始建于1997 年，是丁东水库的主要工程之一，担负向德州城区供水的任务，位于大坝桩号8+133 处，由水闸、进水池、主副厂房等建筑物组成。进水池底板高程15.5 m，顶高程25.5 m，长19.2 m，宽为8 m，墙体厚度1 m，在其西面墙体上现有4 条引水管道，管径50 cm，管中心高程17.0 m，边管中心距进水池侧墙1.85 m。本工程引水管由进水池南侧墙体中心偏下位置开孔接入，新接入引水管为2 根DN2000 钢管，管中心高程16.8 m，侧墙开孔示意如图1所示。

图1 侧墙开孔示意

2 设计原理

封堵钢闸门的结构特征是“簸箕”型闸门和千斤顶背后支撑的组合形式。“簸箕”型钢闸门两侧及底边设有橡胶止水，为增加橡胶止水与侧墙面接触强度，在钢闸门的迎水面安装2 台100 t 的油压千斤顶，受力点为进水池上方拉梁，通过钢闸门自重和千斤顶加压达到理想的封堵效果，侧墙开孔接管完成后，千斤顶泄压，闸门吊出，新接引水管实现通水。

3 设计方案

3.1 结构和尺寸

闸门高度5 m、宽6.0 m，选用双主梁，下主梁距闸门底部1 600 mm，上主梁距闸门上缘1 000 mm，主梁间距2 400 mm，布置2 根水平次梁。根据主梁的跨度，布置3 道隔板，其间距1.4 m，横隔板兼作竖向次梁，两侧边板和底板长1.81 m，面板采用Q235B钢板作为主要制作材料。闸前设计水头5 m，闸门承受单向水头作用，挡水侧面板的局部弯曲应力可按四边固定的弹性薄板承受均布荷载计算，面板厚度可按式（1）计算，由表1 的计算结果再加上2 mm的腐蚀裕度，最终选用钢闸门面板厚度为10 mm。

表1 面板区格厚度计算结果

式中：δ为钢面板的厚度（mm）；kγ为弹性薄板支承长边中点弯曲应力系数；a，b分别为面板计算区格的短边和长边长度（mm），从面板与主（次）梁的连接焊缝算起；α为弹性调整系数，b/a＞3时α=1.4，b/a≤3时α=1.5；q为面板计算区格中心的水压力强度（MPa）；（σ）为钢材的抗弯容许应力（N/mm2），取160 N/mm2。

由于封堵闸门未设置闸门槽，同时池内水流持续产生冲击和涡流现象，仅靠进水池内的水压力作用闸门，既无法保证闸门的稳定性又不能实现止水与墙体的紧密贴合。为此，在封堵钢闸门迎水面装设2 台液压千斤顶，千斤顶的另一端卡固在进水池拉梁上，通过高压油泵工作将活塞顶起，使钢闸门三边上的橡胶止水紧贴墙体，达到止水的目的。封堵钢闸门示意，如图2所示。

图2 封堵钢闸门示意

3.2 止水与防腐

因钢闸门承受单向水头作用，故止水采用单向止水形式。“簸箕”型钢闸门三边均设置U 形橡胶止水带，该止水除具有普通橡胶止水带的各种性能外，还增加了构筑物与止水带结合的紧密度，增强了防止渗水、漏水的能力。安装时，在橡胶止水带上打孔，孔的间距为100 mm，预埋锚栓的间距尺寸与打孔间距相符，并用螺栓止水压板固定。U 形止水带布设不留接头，只在侧边与底边结合的槽沟粘贴面上刷结构胶，胶层厚度2 mm。为延长钢闸门的使用寿命，对钢闸门整体结构及埋件进行热喷锌金属保护，检验合格后及时对热喷锌涂层进行封闭处理。止水示意，如图3所示。

图3 止水示意

4 封堵闸门安装

4.1 施工平台搭建

搭设横跨进水池上口的钢桁架施工平台，宽度0.8 m，脚手板满铺固定牢靠，平台四周安装高度为1.2 m 的安全防护栏杆，平台用于材料运输和人员辅助吊装作业。

4.2 基础面清理

吊装前，潜水员需要在水面以下进行开孔侧墙的打磨清理，尤其是与橡胶止水带贴合处的混凝土面要剔除凸坎、填补坑洼，并清除底板淤沙，保证封堵闸门与侧墙壁有良好的接触面，避免安装完成后出现漏水、渗水情况。

4.3 封堵闸门安装过程和注意事项

封堵钢闸门安装采用140 t汽车吊，在吊装过程中应注意U 形止水带的平整无脱落、粘结牢靠。闸门顺利放置进水池内后，将千斤顶自由端通过螺栓连接L形钢垫板，垫板卡固在进水池的拉梁上，通过高压油泵工作，将千斤顶活塞缓慢顶起。同时，封堵钢闸门两侧各安排1 名水下作业潜水员，密切关注闸门顶进过程中偏移情况，并通过吊车和液压油泵两者共同调整闸门位置，闸门落位后，再用千斤顶将橡胶止水与墙体压紧，实现封堵闸门止水效果，为后续侧墙开孔创造干地条件。

5 侧墙开孔接管

现状城市供水泵站进水池建造于20 世纪90 年代，已运行近25 a，考虑到现状进水池的整体安全，为减少对原结构的影响，必须保证切割面的平整度。根据现场勘查发现，需拆除的混凝土块基本处于地面且周边环境较为平坦，适合吊装机械及平板车等大型机械操作，侧墙开孔时采用金钢石绳锯静力切割拆除。金刚石绳锯切割是由液压马达带动金刚石绳绕切割面高速运动，对切割体进行研磨，完成切割作业。该项操作主要优点表现在混凝土块切割不受干扰，并且震动和噪音都很小，作业过程中高速运转的绳锯和切割产生的粉尘用水进行冷却、降尘，达到安全、环保的效果。

5.1 施工准备

依据施工图现场放样，侧墙开孔尺寸宽5.4 m、高3.7 m、厚1 m，其重量约为50 t。为了方便移出切割下来的混凝土块，制定了切割路线，以1.8 m×3.7 m见方为一个切割单元，由外侧至内侧的顺序进行切割。

5.2 绳锯切割

根据切割路线，先采用水钻打排孔代替部分切割，用于解决绳锯穿墙的问题。水钻采用直径5 cm钻头打孔，打孔尽量使钻孔与墙体垂直，排孔尽量在一条水平或竖直线上，孔深按设计深度即1 m 控制。先打水平向排孔，再打竖直向排孔。水钻排孔打完后即可进行绳锯切割。将混凝土块分3 段进行切割，切割时注意控制切割面的偏差，位置偏差不得超过10 mm，保证切割面的顺直、切割尺寸的准确。

5.3 切块吊装

混凝土块分段切割后，进行吊装。在每个切割单位上打2个深120 cm、直径35 mm的孔，植入直径30 mm螺纹钢，螺纹钢端部焊吊环，用吊车将切割块吊至合适位置。

6 结语

水下封堵闸门设计与安装为后续侧墙开孔接管、管道安装及城市供水的顺利进行打下了良好基础，同时保证了现有水库正常运行不受影响。尤其是在使用叠梁或砌筑防水墙困难的情况下，该项技术的优势更为显著。而侧墙开孔采用了金钢石绳锯静力切割技术，该技术对原有结构破坏较小，切口平整，有利于后期结构的修复。这2 项技术的应用保证了工程整体质量，加快了施工效率，为后续类似工程提供了借鉴和参考。