劉康云

摘要：文章以貴港航運(yùn)樞紐一線船閘為例，結(jié)合該船閘輸水閥門及門槽損壞維修情況，分析了船閘輸水系統(tǒng)閥門及門槽損壞的原因，闡明了船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型、定型原則和輸水系統(tǒng)水力特性分析計(jì)算、水力模型試驗(yàn)的重要性，同時(shí)根據(jù)該船閘水力特性分析計(jì)算結(jié)果，提出了船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理中需要注意的事項(xiàng)，并介紹了該船閘閥門門槽維修加固的措施，對山區(qū)河段中高水頭船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理和維修養(yǎng)護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：船閘;輸水系統(tǒng);閥門;門槽;灌泄水;模型試驗(yàn);水力特性;原型觀測

0 引言

船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船閘工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作，輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和布置決定閘首、閘墻及閘室底板的主體構(gòu)造和結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理決定了其灌泄水效果和使用耐久性。一旦船閘輸水系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將影響船閘的整體運(yùn)營。所以，在船閘工程設(shè)計(jì)之初，應(yīng)該在合理選型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輸水系統(tǒng)水力分析計(jì)算，合理確定各部位參數(shù)，確定輸水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)布置方案，然后提供給水力試驗(yàn)部門，通過水力模型試驗(yàn)，進(jìn)一步核實(shí)水力分析計(jì)算無法準(zhǔn)確確定的部分參數(shù)。準(zhǔn)確的輸水系統(tǒng)水力模型試驗(yàn)結(jié)果有較高的參考作用，但是由于水力模型的縮尺效應(yīng)（原型、模型過流表面糙率不相似和局部阻力系數(shù)不同等客觀原因，導(dǎo)致原型、模型部分水力特性參數(shù)不相似），造成某些水力特性參數(shù)與原型差異較大（個(gè)別參數(shù)差異在50%以上），船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了理論分析計(jì)算、模型試驗(yàn)，還應(yīng)參考類似工程原型觀測數(shù)據(jù)或者使用經(jīng)驗(yàn)，采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施。

1 影響船閘運(yùn)行的關(guān)鍵問題

船閘工程是利用其輸水系統(tǒng)反復(fù)灌泄水，使閘室與上下游航道水位齊平，克服上下游水位落差，讓船舶能夠滿足來往上下游航道的水運(yùn)交通運(yùn)輸要求。所以，輸水系統(tǒng)是船閘重要且關(guān)鍵的組成部分，船閘輸水系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定問題是影響船閘運(yùn)行的關(guān)鍵問題。由于其隱藏在船閘主體結(jié)構(gòu)下部且處于水下，維修難度往往比較大。

2 工程實(shí)例分析

貴港航運(yùn)樞紐一線船閘于1998年年初建成，投入運(yùn)行至今達(dá)22年，狀況良好。期間由于灌泄水閥門及門槽損壞，于2011年初做了一次輸水系統(tǒng)維修。業(yè)主單位邀請廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司專業(yè)總工程師到現(xiàn)場察看并研究處理措施，筆者作為該船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人一同前往現(xiàn)場。由于左右側(cè)上下游灌泄水閥門分期檢修，現(xiàn)場看到檢修更換下來的上游灌水閥門導(dǎo)輪明顯磨蝕、輪軸磨損嚴(yán)重，門扇邊柱也明顯磨蝕、損壞。說明灌水閥門導(dǎo)輪有跑偏甚至脫落的情況發(fā)生，導(dǎo)致門扇邊柱貼到門槽導(dǎo)軌產(chǎn)生嚴(yán)重磨蝕。筆者隨同業(yè)主單位檢修工程師一同乘坐簡易吊籃進(jìn)入上游灌水閥門廊道段進(jìn)行察看，發(fā)現(xiàn)閥門槽主軌側(cè)混凝土崩塌嚴(yán)重，錨筋裸露、主軌松脫。

現(xiàn)場勘察分析后認(rèn)為，輸水閥門磨損、門槽損壞的原因，主要是由于輸水時(shí)產(chǎn)生的高速激流和強(qiáng)大水動力作用或氣蝕作用導(dǎo)致輸水系統(tǒng)工作閥門劇烈振動，敲擊軌道導(dǎo)致軌道振動、錨筋松動，直至軌道繼續(xù)松動，撞擊軌道處門槽混凝土，使其逐漸開裂、損壞;軌道失去支撐后變形，致導(dǎo)輪跑偏，加速工作門槽及軌道損壞，同時(shí)導(dǎo)致門槽后局部廊道壁混凝土剝落，其輕度損壞會增加閥門啟閉力，產(chǎn)生劇烈異響，嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，閥門提起后無法正常下放、關(guān)閉，必須放下檢修門維修，以免影響船閘正常運(yùn)行。

3 關(guān)于輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

貴港航運(yùn)樞紐一線船閘為一級船閘，船閘有效尺度為（長×寬×檻上水深）190m×23m×3.5m，最大設(shè)計(jì)水頭為H=15.0m，屬于高水頭船閘（H≥15.0m）。設(shè)計(jì)輸水系統(tǒng)為第二類分散輸水系統(tǒng)，閘墻長廊道、側(cè)向短支孔出水，墻趾長明溝消能。主廊道斷面尺寸4.5m×3.5m，輸水閥門段廊道斷面尺寸3.5m×3.5m，閥門段廊道頂高程24.2m，最小淹沒水深4.4m。上游進(jìn)水口雙側(cè)4孔2.4m×2.7m×3.5m，進(jìn)水口總面積75.6m2。

設(shè)計(jì)階段通過水力分析計(jì)算確定主要參數(shù)，布置輸水系統(tǒng)方案圖提供給水力試驗(yàn)單位進(jìn)行輸水系統(tǒng)水力模型試驗(yàn)。輸水系統(tǒng)布置如圖1～2所示。

水力分析計(jì)算采用主要基礎(chǔ)參數(shù)如表1、表2所示。

船閘水力特性分析計(jì)算比較復(fù)雜。目前主要是依據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ306-2001）中相關(guān)條款和公式，結(jié)合船閘輸水系統(tǒng)擬定方案布置情況（基于通過能力要求確定船閘有效尺度、細(xì)部構(gòu)造和相關(guān)水位、高程等）初步計(jì)算，確定相關(guān)參數(shù)或者指標(biāo)，然后根據(jù)規(guī)范中相關(guān)公式利用Excel電子表格或者編寫計(jì)算程序進(jìn)行分析計(jì)算，理論上確定輸水系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，布置輸水系統(tǒng)初步方案，然后提供給試驗(yàn)單位通過水力模型試驗(yàn)進(jìn)一步核實(shí)相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)，最后做必要的修改完善，確定船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，理論分析計(jì)算和水力模型試驗(yàn)都很重要，由于兩者都存在一定局限性，為了相互佐證、兩者缺一不可。

從計(jì)算結(jié)果看，按照當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)布置的輸水系統(tǒng)方案，上游輸水閥門灌水時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)比較理想，都符合規(guī)范要求，如果灌水時(shí)，閥門啟閉時(shí)間采用8min、總輸水時(shí)間約11min，灌水閥門后基本無負(fù)壓;下游輸水閥門泄水時(shí)，閥門啟閉時(shí)間采用6～7min、總輸水時(shí)間約10.5～11min，下游引航道流速略偏大，閥門后有2.64～2.92m水柱負(fù)壓（接近規(guī)范允許上限值3.0m），閥門啟閉時(shí)間采用8min、總輸水時(shí)間約11.5min，下游引航道流速接近規(guī)范允許上限值1.0m/s，閥門后有2.38m水柱負(fù)壓。水力模型試驗(yàn)單位提供的試驗(yàn)結(jié)果與上述計(jì)算結(jié)果相近，理論計(jì)算和水力模型試驗(yàn)結(jié)果說明原來輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案各項(xiàng)參數(shù)基本符合規(guī)范要求，設(shè)計(jì)方案合理、可行。按照設(shè)計(jì)要求閥門啟閉時(shí)間采用8min、灌泄水時(shí)間分別為11.1min和11.5min，能夠滿足使用要求（下游泄水閥門后瞬間最大負(fù)壓值接近規(guī)范允許上限可采用門后開敞通氣減壓，或者不采取措施也基本不影響輸水系統(tǒng)使用）。

4 輸水系統(tǒng)閥門槽損壞原因分析與應(yīng)對措施

從以上分析可知，貴港航運(yùn)樞紐一線船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基本合理，各部位設(shè)計(jì)尺度、各項(xiàng)水力特性參數(shù)基本符合規(guī)范要求。建成投入使用13年后開始出現(xiàn)閥門槽損壞問題，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）船閘輸水系統(tǒng)的水力計(jì)算是個(gè)比較復(fù)雜的問題，現(xiàn)有理論計(jì)算方法存在不足，水力模型試驗(yàn)手段也有局限性（如受縮尺效應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果部分參數(shù)可能與原型實(shí)際有出入，國內(nèi)在用三峽樞紐船閘原型觀測數(shù)據(jù)可以說明上述問題），所以在高水頭船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了理論計(jì)算、水力模型試驗(yàn)外，應(yīng)參考同類或者類似工程實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)或者原型觀測數(shù)據(jù)修正完善設(shè)計(jì)方案，或者采取適當(dāng)?shù)臏p壓防空化防氣蝕措施，盡量避免工作閥門劇烈振動、敲擊軌道導(dǎo)致軌道振動、門槽混凝土損壞崩塌進(jìn)而損壞輸水閥門。

（2）船閘輸水系統(tǒng)門槽二期混凝土施工必須保證質(zhì)量。粗骨料粒徑、級配應(yīng)優(yōu)化并盡量采用質(zhì)量堅(jiān)硬粗骨料，注意振搗密實(shí)保證質(zhì)量。

（3）根據(jù)船閘水頭和受力情況，設(shè)計(jì)閥門槽時(shí)，軌道的錨筋應(yīng)適當(dāng)加密。

（4）設(shè)計(jì)輸水系統(tǒng)時(shí)，可以適度限制閥門門槽寬度（順?biāo)鞣较虻膶挾龋ｉT槽寬度采用合理小值（滿足閥門上下運(yùn)行的最小值），減小富余寬度以便減小閥門在激流和巨大外力作用下的振動振幅、進(jìn)而減小閥門振動對軌道和門槽邊基礎(chǔ)混凝土的沖擊，可以減少門槽邊混凝土的損壞。

（5）日常船閘運(yùn)營管理必須科學(xué)合理并規(guī)范化。業(yè)務(wù)繁忙時(shí)段必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求在啟閉時(shí)間開啟輸水閥門，不得隨意縮短輸水閥門開啟時(shí)間，非繁忙時(shí)段（例如每次灌泄水前，船閘上游或者下游等候過閘船舶數(shù)量過少、估計(jì)灌泄水完畢仍需要長時(shí)間等待船舶進(jìn)閘時(shí)，此時(shí)的閥門開啟時(shí)間不成為本次船舶過閘時(shí)間的決定因素）可以適當(dāng)延長閥門開啟時(shí)間，改善閥門工作狀況以延長輸水閥門使用壽命。

（6）加強(qiáng)船閘日常運(yùn)營管理和監(jiān)控。輸水閥門開啟或者關(guān)閉時(shí)注意觀察或者監(jiān)聽是否有異響或者振動，必要時(shí)適當(dāng)延長閥門開啟時(shí)間，或者將閥門關(guān)閉等待檢查清楚再做進(jìn)一步處理。

5 閥門及門槽損壞維修方案

針對貴港樞紐一線船閘輸水閥門門槽損壞情況，經(jīng)研究后采取如下修復(fù)處理措施：

（1）將工作門槽下游側(cè)主軌處二期混凝土部分鑿除（可采用風(fēng)鎬鑿除，但必須輕打慢鑿），鑿除后形成的空腔大致呈方形（避免出現(xiàn)三角形特別是銳角三角形），廊道內(nèi)壁一側(cè)至少鑿除30cm。盡量不損傷原有一期混凝土預(yù)埋插筋，而且原有預(yù)埋插筋必須露出10～15cm（注意辨別原有預(yù)埋插筋與主軌上脫落的連接鋼筋，原設(shè)計(jì)預(yù)埋插筋間距為50cm），清除干凈鋼筋露頭。

（2）鑿除完畢后，可根據(jù)原有露頭鋼筋密度情況，間距大于50cm時(shí)在其中間打鉆一個(gè)30mm孔（水平、內(nèi)斜5°、深60cm）、植筋膠埋植25mm鋼筋（長約100cm）。

（3）主軌上原有力筋板間再增加一道力筋板，注意焊接牢固。

（4）主軌上外側(cè)板（廊道邊一側(cè)）上增加焊接短直鋼筋（Ⅱ級、直徑≥25mm），間距25～30cm，位置以與力筋板對應(yīng)為原則，其余內(nèi)插。長度以穿透整個(gè)新澆筑混凝土并與原有插筋露頭雙面焊接為原則現(xiàn)場確定。主軌內(nèi)側(cè)板也盡可能按照上述方法適當(dāng)增加焊接若干短直鋼筋（間距30～40cm）。

（5）新澆二期混凝土。采用C30混凝土，一級配，粗骨料碎石最大粒徑≤2.5cm、級配要良好，砂、石料沖洗干凈（基本無泥）。采用425或525硅酸鹽水泥，水灰比0.55～0.60，坍落度約70～80mm。每方混凝土水泥用量≥300kg。

（6）施工中澆筑混凝土?xí)r務(wù)必設(shè)法采用插入式振搗器并保證振搗充分，同時(shí)可在模板外采用掛壁式振搗器或用其他方法從下端外部加以適度振搗，保證主軌板格間填滿混凝土。

6 結(jié)語

（1）船閘輸水系統(tǒng)是船閘工程中最重要且關(guān)鍵的組成部分，輸水系統(tǒng)安全性影響船閘的正常使用。在船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，必須先進(jìn)行理論分析計(jì)算，合理確定相關(guān)參數(shù)、指標(biāo)，然后通過水力模型試驗(yàn)核實(shí)相關(guān)參數(shù)、指標(biāo)（特別是理論計(jì)算無法準(zhǔn)確確定的參數(shù)指標(biāo)），有條件時(shí)盡量結(jié)合同類或者類似工程（規(guī)模及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、等級相同或者類似）原型觀測數(shù)據(jù)或者運(yùn)行使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，修整完善船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，必要時(shí)采取適當(dāng)?shù)臏p壓防空化、防氣蝕措施。

（2）對于船閘工程施工，其主體工程必須嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求的技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，保證施工質(zhì)量。關(guān)鍵部位工程（如閥門門槽二期混凝土等）可以適當(dāng)提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工以保證其施工質(zhì)量。

（3）船閘輸水系統(tǒng)日常運(yùn)行操作必須按相關(guān)操作規(guī)程和設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。特別是中高水頭以上船閘當(dāng)其部分限制性指標(biāo)接近規(guī)范允許上限值時(shí)，日常操作必須更加謹(jǐn)慎。原則上輸水閥門開啟時(shí)間不得小于設(shè)計(jì)要求時(shí)間，可以適當(dāng)延長，并且在運(yùn)營條件允許情況下應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延長閥門開啟時(shí)間，可以減小閥門后負(fù)壓，減少門槽空化、氣蝕損害，延長輸水閥門使用壽命。

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