船闸安全状态评估与加固技术探讨

谢先坤

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061）

1 概述

内河航运以其运量大、成本低及污染小的优势在基础设施中发挥了其它运输方式不可替代的作用。随着经济快速发展，内河航运发挥越来越大作用，据有关数据统计分析，上海内河运量占社会总运量的1/4，其中建材运量占城市建材运量的4/5 以上。为满足工程建设、工农业产品及生活用品运输需要，大多数航道都超设计负荷运行。超标准船只的通行一方面由于船只尺寸增大，闸首、闸室及引航道富裕宽度小，增加了船只与钢筋混凝土墙碰撞的频率；另一方面，船舶吨级加大，船只与两岸钢筋混凝土墙之间的碰撞力较原设计加大。

船只首先将护舷等凸出闸室墙面建筑物碰损，然后船只直接碰撞闸室钢筋混凝土墙面，撞击力超过混凝土局部受压承载力，导致钢筋混凝土墙体表面混凝土出现开裂、破碎及露筋现象，特别是在闸室位置的墙顶及竖向分缝处等边角部，由于船只撞击时，其局部受压面积较小，局部压应力更大，受损现象更为普遍。闸室相邻段受力差异大，挡墙分缝处止水带拉裂。船只碰撞闸首门槽，导致门槽弯曲变形。

墙体表面混凝土的破碎脱落：一方面使墙体的抗弯刚度和结构承载力降低，抵抗外荷载能力减弱；另一方面混凝土保护层厚度减小甚至钢筋出露，导致钢筋锈蚀，进一步导致混凝土胀裂剥落。墙体表面裂缝的存在，一方面导致钢筋直接与空气接触，加速钢筋锈蚀，影响其安全性和耐久性；另一方面，裂缝降低了墙体的整体性。墙段之间止水带的拉裂，导致墙后土体流失，影响工程的安全。门槽弯曲变形，使闸门启闭运行不灵活，止水不严，漏水现象严重，影响船闸正常运行。

为避免损坏部分对结构安全影响和防止船只进一步撞坏钢筋混凝土墙体，危及工程的安全，船闸工程需定期进行安全鉴定评估，根据鉴定评估成果采取措施进行维修加固。

目前，对船闸安全评估及加固研究鲜见，本文在总结相关工程经验的基础上，对船闸安全评估内容与方法及船闸加固技术进行探讨，为类似工程提供借鉴。

2 船闸安全状态评估

船闸安全状态鉴定评估通过现状调查、现场安全检测、工程复核计算、安全评价等形成安全鉴定报告。

2.1 现状调查分析

船闸工程现状调查分析的内容包括技术资料收集、工程现状全面检查和对工程存在问题进行初步分析。

收集的资料主要包括船闸设计资料、施工资料及运行管理资料。设计资料主要有船闸的设计文件及图纸、工程地质勘测报告等，对设计水文资料、地质条件进行分析。施工资料主要有施工技术总结、工程质量检测、观测设施及观测数据资料等，分析工程施工期间遇到的问题及设计变更情况，施工质量是否满足设计要求。运行管理资料主要包括管理规章制度、运行操作规程、日常与定期检查维修情况及相关观测资料，分析船闸是否按设计工况运行。

工程现状全面检查主要包括船闸通航情况、土建结构、金属结构及机电现状外观情况。调查船闸现状通航情况，分析通航船只吨位及年均通航量是否超过设计通航能力及超设计程度，分析超负荷通航对工程的影响。对船闸内外河引航道、闸室、内外闸首及内外河护岸的钢筋混凝土结构损坏情况、裂缝分布状况、钢筋锈胀、止水分缝拉裂及沉降错位情况进行调查统计，对水下结构进行探测，检查内外河冲刷情况。金属结构检查主要为钢闸门与机电设备的保养情况，闸门表面是否有锈迹、支撑机构运转的灵活性、启闭设备运转制动准确性，启掉钢丝是否满足强度要求。机电设备检查为照明与显示设备是否正常，各种开关、继电保护装置是否清洁、触点是否良好、接头是否牢固、各主令控制器及限位装置定位是否准确，电气接地、导线绝缘、变压器及发电机是否合格。

根据前述的资料收集及现场检查情况，对存在的问题进行初步分析，提出需进行现场安全检测和工程复核计算的项目。

2.2 现状安全检测

船闸现场安全检测的项目应根据工程情况、管理运营中存在的问题及具体条件等因素综合研究确定。一般包括地基土、填料的基本工程性质，防渗、导渗和消能防冲设施的有效性和完整性，混凝土结构外观质量，混凝土结构强度、变形和耐久性，闸门、启闭机的安全性，电气设备的安全性等。

船闸闸首地基渗流异常或过闸水流流态异常的，应重点检测水下部位有无止水失效、结构断裂、基土流失、河道冲坑和岸墙护坡塌陷等异常现象。闸室或岸墙翼墙发生异常沉降倾斜滑移等情况除应检测水下部位结构外还应检测地基土和填料土的基本工程性质指标。

混凝土结构的检测应包括：主要结构构件或有防渗要求的结构，出现破坏结构整体性或影响工程安全运用的裂缝，应检测裂缝的分布宽度长度和深度，必要时应检测钢筋的锈蚀程度分析裂缝产生的原因；对承重结构荷载超过原设计荷载标准而产生明显变形的，应检测混凝土强度、结构的应力和变形值；对主要结构构件表面发生锈胀裂缝或剥蚀磨损保护层破坏较严重的，应检测钢筋的锈蚀程度，必要时应检测混凝土的碳化深度和钢筋保护层厚度；结构因受侵蚀性介质作用而发生腐蚀的应测定侵蚀性介质的成分含量检测结构的腐蚀程度。

通过照相、目测及量测等手段，检查闸门的外观形态与闸门的锈蚀情况，采用超声测厚仪对闸门面板、主梁、边梁、次梁及桁架等构建进行蚀余厚度检测，并进行锈蚀频数统计，分析闸门的锈蚀速率是否在正常范围内。检查启闭机涂层的完好性，电气及传动设备磨损、变形情况，钢丝绳是否有断痕、弯折、挤压、变形局部增大、局部减少及变扁等现象，齿轮磨损及硬度情况，卷筒表面及轮缘有无损伤裂缝。通过对电机测量绝缘电阻，判断有无局部贯穿性缺陷、绝缘老化和受潮现象。

2.3 工程复核计算

船闸复核计算应以最新的规划数据、检查观测资料和安全检测成果为主要依据，因规划数据的改变而影响安全运行的，应区别不同情况进行闸室岸墙和翼墙的整体稳定性、抗渗稳定性、消能防冲或结构强度等复核计算，船闸结构因荷载标准的提高而影响工程安全的应复核其结构强度和变形，闸室或岸墙翼墙发生异常沉降倾斜滑移应以新测定的地基土和填料土的基本工程性质指标核算闸室或岸墙翼墙的稳定性与地基整体稳定性，闸室或岸墙翼墙的地基出现异常渗流应进行抗渗稳定性验算。需要限制裂缝宽度的结构构件，出现超过允许值的裂缝应复核其结构强度和裂缝宽度；需要控制变形值的结构构件，出现超过允许值的变形应进行结构强度和变形验算；对主要结构构件发生锈胀裂缝或表面剥蚀磨损而导致钢筋保护层破坏和钢筋锈蚀的，应按实际截面进行结构构件强度复核。闸门应对面板、梁体技启闭力进行强度复核。

2.4 安全评价

总体安全性评估主要考虑船闸通航能力、结构完好程度、结构的稳定与强度、防洪标准、抗冲能力及抗渗稳定性等方面内容，根据现场调查报告、现场安全检测报告及复核计算报告，分析运用指标达到设计标准的程度，将船闸评定分为四类。根据鉴定成果提出合理措施。

3 船闸加固技术

对于评定为一类、二类闸及三类闸的分别应进行常规养护、大修加固及除险加固才能满足设计要求正常运行。船闸加固主要包括结构破损加固、止水带拉裂处理、防撞加固及闸门启闭维修等。

3.1 混凝土结构修复

（1）混凝土破损缺陷修复

对于混凝土缺失较深面积较大以及钢筋出露部位采用细石混凝土修补，其强度较原设计强度提高一级，对于混凝土缺失浅面积小的部位采用聚合物水泥砂浆进行修补。加固前，应对混凝土表面凿毛，并露出混凝土坚硬部分，清除表面的松散层、附着物、油污、污垢及灰尘等，裸露的钢筋应除锈，并涂一层环氧浆液，在尚未固化前再压抹修补材料。

（2）混凝土裂缝修补

根据裂缝的宽度和深度分为两类：一是未超标裂缝，即裂缝的宽度不超过规范允许值且裂缝深度不超过保护层的厚度；二是超标裂缝，即裂缝的宽度超过规范允许值或裂缝深度超过保护层的厚度。

对未超标裂缝按保护性修补要求处理，即对其用环氧树脂水泥砂浆进行保护性修补，嵌入裂缝中。首先用钢丝刷子将混凝土表面打毛，清除表面附着物，用水冲洗干净后充分干燥，然后用树脂充填混凝土表面的气孔，再用修补材料涂覆表面。

对于超标裂缝，拟对其进行压力灌浆修补，灌浆浆液采用双酚A 型环氧树脂。修补工序如下：裂缝清理-试漏-配制注浆液-压力注浆-二次注浆-清理表面。

为达到加固效果，应清除混凝土裂缝表面的松散物和缝内异物；注浆材料应按试验确定的配比，准确称量各组材料，搅拌均匀，浆液随配随用；灌浆顺序，垂直缝应自下而上，水平缝应自一端向另一端逐一进行。灌浆的压力应由地下水的压力或缝隙的阻力大小确定。

3.2 分缝处止水带拉裂加固

分缝处止水带拉裂，容易造成墙后土体流失，主要有两种修补加固方案：（1）将墙后土体挖除，在缝内塞遇水膨胀止水条，并在分缝处的墙后铺设一层土工布，然后采用强度较高的粘土回填；（2）将墙后土体加固，一般采取劈裂注浆法，并在迎水侧缝内塞遇水膨胀止水条。

劈裂注浆顺序由外向内，注浆浆液采用水泥-水玻璃浆液，采用425#普通硅酸盐水泥，水灰比为0.7～1.0。水玻璃模数为3.0，掺入量为水泥用量的0.5～3%。浆液注入率为20%左右。注浆压力为0.2～0.5MPa 左右，注浆流量控制在 7～10l/min。

3.3 侧墙防撞加固

由于超大船只超频率船只通行，如采用钢护舷加固，一方面减少航道净宽，另一方面钢护弦容易被船只撞击脱落，故一般在两侧的墙体贴强度高、刚度大的钢板加固，船只碰撞直接作用在钢板上，经钢板再传递到钢筋混凝土墙体，通过钢板的缓冲和扩散作用，大大减少了作用在钢筋混凝土墙体上的局部应力，避免两岸墙体混凝土损坏。钢板加固效果关键在于钢板与混凝土的连接。通常的钢板与混凝土连接有粘结连接和螺栓连接方法。

粘结连接法是在被粘结的混凝土表面凿毛清污后，采用胶粘剂涂抹在钢材或混凝土被粘面上，然后将钢板准确地粘贴到混凝土表面上。螺栓连接法是首先在钢板预留螺孔，混凝土墙体相应位置上钻孔，将钢板紧贴在混凝土表面，然后在两者之间采用螺栓锚固连接。普通螺栓与混凝土墙体之间有较大的缝隙，在受到船只的反复撞击后容易松动，导致钢板固定失效，故一般采用特制液压膨胀螺栓或化学螺栓固定钢板。为保证墙体表面的平整，螺栓采用沉孔式结构，由预制沉杯连接螺栓与钢板，避免了螺栓凸出钢板表面影响通航。为减少钢板与混凝土之间的空隙，增加钢板与混凝土墙体之间整体性，钢板固定后，用速凝耐压胶将钢板四周与混凝土之间缝隙密封，待密封胶干硬后，用机械方法，从预留槽孔将灌注型粘钢胶慢慢压入钢板与混凝土之间，使钢板与混凝土之间牢固粘结为一体。

3.4 闸门及启闭设备的维修

闸门及启闭设备根据检测情况进行更换和维修养护：船闸闸门主要对止水橡皮进行调整或更换，对活动门槽局部变形弯曲进行校正或更换。对闸门锈蚀部位进行局部防腐处理，局部除锈达Sa2.5 级后涂环氧富锌底漆80μm，环氧云铁中间漆100μm，氯化橡胶面漆80μm。对启闭机的大小齿轮更换，新的启闭机大小齿轮的各项技术要求必须满足相关规范的要求。

4 结束语

随着经济快速发展，内河航运量大大增加，超负荷超大船只对船闸碰撞作用远超设计标准，造成船闸墙体混凝土破损、钢筋出露、裂缝出现、止水带拉裂、启闭设备磨损及机电设备老化，很多船闸存在安全隐患。为确保船闸运行安全，须对船闸进行安全状态鉴定评估，对于不符合运行要求的船闸需进行维修或除险加固。本文在相关工程鉴定评估及加固设计实践的基础上，总结相关经验，为类似工程提供借鉴。