一种双线船闸及其施工方法和互灌互泄控制方法与流程

本发明涉及水利工程，特别是一种双线船闸及其施工方法和互灌互泄控制方法。

背景技术：

1、船闸是一种用于上下游互通的通航建筑，一般至少包含沿河流方向依次布置的上闸首、闸室和下闸首；上闸首和下闸首均设置有可开合的闸门；闸室可以从上游充水或向下游排水，从而使其内部水位分别与上游或下游平齐，进而使其内部的船只可以前往上游或下游；而双线船闸是一种利用闸室工作原理省水的船闸，一般包含两个并排布置的闸室，当其中一侧闸室需要充水，而另一侧闸室需要排水时，可以将排水闸室中的水排入待充水的闸室中，从而实现两侧闸室的互灌互泄，进而减少对上游水资源的消耗。由于双线船闸的尺寸巨大，因此在其混凝土主体结构的浇筑过程中，极易发生混凝土开裂现象，从而导致主体结构的承载能力和使用寿命下降，因此混凝土的控裂措施是施工过程的重中之重；对于基础强约束区内的混凝土，由于其受基础岩石约束作用较强，从而会产生较强的内部应力，目前行业规范普遍认为应减少基础强约束区内的混凝土厚度从而减小开裂风险，具体应控制其厚度在1.5m至2m之间，而对于其它区域，例如弱约束区域和脱离约束区域，则应控制其厚度在2m至3m之间。

2、但是在某长度超过1500米，宽度超过130m，所需混凝土总量超过110万立方米的双线船闸的设计规划中，若采用目前行业规范所推荐的混凝土层厚度区间进行施工，则会导致混凝土层数过多、进而导致施工工期过长；因此需要指定新的混凝土控裂措施。同时，在双线船闸的互灌互泄过程中，随着两侧闸室的水头差逐渐减小，两侧闸室之间的水流速度会越来越慢；因此若等待两侧闸室水位完全平齐，再分别将两侧闸室与上游和下游连通，会导致闸室的充水和排水时间过长，进而严重影响双线船闸的运行效率；因此也急需一种新的互灌互泄控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：解决现有双线船闸施工规范给出的混凝土层厚度会导致强约束区内混凝土层数过多，从而导致施工工期增加；且现有的互灌互泄控制方法充水和排水时间过长的技术问题，提供了一种双线船闸及其施工方法和互灌互泄控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种双线船闸，包含上闸首、下闸首、闸室和输水廊道，上闸首、下闸首和闸室中的至少一者沿高度方向分为多个混凝土层，位于基础强约束区的混凝土层厚度大于或等于其它区域的混凝土层厚度。

4、其它区域，即基础强约束区以外的区域；混凝土所在区域的划分可参考现有理论，例如距离基础高度0～0.2l的区域为强约束区，距离基础高度0.2l～0.4l的区域为弱约束区，距离基础高度0.4l以上的区域为脱离约束区；l为混凝土板的最大边尺寸，例如当混凝土板为长方形，则取混凝土板的长边长度为l。

5、如背景技术所说，强约束区内的混凝土层开裂风险高，因此现有规范中规定强约束区的混凝土层厚度薄于位于其他区域的混凝土层厚度；然而申请人发现虽然增加混凝土层的厚度会导致混凝土层中心温度和内表温差增大，但同时也会减小混凝土层的降温速率，因此混凝土层厚度的增加不会必然导致混凝土层的抗裂安全系数低于规范值；且申请人在后续的论证过程中得出，即使将混凝土层的厚度扩大到3m甚至以上，仍然能保证混凝土层的抗裂安全系数大于或等于1.8，因此本方案推荐位于强约束区的混凝土层厚度大于或等于3m，在保证混凝土层的开裂风险满足规范的同时，也有助于减少基础强约束区内的混凝土层的数量，从而提高施工速度，减少施工时间。

6、作为本发明的优选方案，每层混凝土层沿河流方向分为多个混凝土板，相邻两个混凝土板之间具有施工缝，相邻两层混凝土层中的施工缝相互错开。

7、本方案将相邻两个混凝土层之间的施工缝之间位置错开，一方面，错开处的上层混凝土板底面能够与下层混凝土板顶面贴合，即施工缝左右两侧的混凝土板能够相互咬合，形成类似于榫卯连接的结构并增加施工缝左右两侧混凝土板的接触面积，进而能确保浇筑完成的混凝土主体的刚度与承载能力；另一方面，相邻两层混凝土层的施工缝相互错开，还能使施工缝在混凝土主体上形成的整体路径包含多处曲折，从而形成迷宫密封结构，大幅降低水流在多个混凝土层之间的渗透难度，进而确保混凝土主体的水密性和使用寿命。

8、作为本发明的优选方案，输水廊道靠近下游一端的顶面设置有多个出水口，出水口沿输水廊道内水流方向间隔分布，各出水口的横断面积沿输水廊道内水流方向逐级递减。

9、本方案将出水口设置于输水廊道的顶面，排水时水流朝上方运动，部分动能会被转换为重力势能，从而能降低其最大速度，进而减小排水对周围船只的影响，以及排水对下游的冲刷作用；且考虑在输水廊道内水流速度沿水流方向会逐渐降低，因此本方案还将出水口的面积设置为沿水流方向逐级递减，从而与水流速度匹配，增加排水速度和排水效率。

10、作为本发明的优选方案，输水廊道内设置有隔流墩，隔流墩沿输水廊道的中线间隔设置。

11、本方案在输水廊道内设置沿中线间隔设置的隔流墩，能够使隔流墩两侧的水流相互交叉消能，从而降低输水廊道内沿输水廊道横向的水流速度，确保水流主要沿输水廊道的长度方向流动，进而确保输水廊道的输水效率和稳定性。

12、作为本发明的优选方案，上闸首和下闸首的迎水面设置有护面板，护面板为船用钢材质构件，护面板的等级大于或等于ah32。

13、ah32的含义参考船用钢的等级，即ah代表高强度钢，32代表屈服强度不小于315n/mm^2，抗拉强度440～570n/mm^2；等级大于或等于ah32，例如ah32、ah36、ah40。

14、本方案包含采用船用钢制作的护面板，能够兼顾护面板的耐磨性和耐腐蚀性，尤其适用于靠近海洋环境的水坝或船闸等混凝土结构。

15、作为本发明的优选方案，上闸首、下闸首和闸室中的至少一者内设有若干预制空心管，预制空心管中设有填充物；预制空心管的最大宽度小于或等于施工器械的回转半径，相邻两个预制空心管之间的间距大于或等于施工器械的通行宽度。

16、在大型混凝土建筑结构中，为了减少结构自重或混凝土的用量，常在混凝土结构不受力或受力较小的区域设置空腔，再在空腔内填充如土方、砂石一类成本低于混凝土的填充物；然而在双线船闸这种尺寸巨大的建筑结构中，空腔的尺寸也往往十分巨大，一方面在施工时需要沿空腔侧壁支模，施工工序繁杂、施工时间长；另一方面空腔的宽度常超过施工器械的回转半径，从而导致其内部，尤其中心部位的填充物填充作业难以进行。

17、本方案推荐采用预制空心管代替现有的空腔设计，一方面预制空心管的宽度小于或等于施工器械的回转半径，因此单个预制空心管内的所有位置均能被施工器械的工作范围覆盖，从而不会像现有的空腔设计一样在中心部位出现工作盲区；另一方面预制空心管之间的宽度也大于或等于施工器械的通行宽度，当预制空心管组合为阵列时，施工器械能够通过预制空心管之间行驶至阵列中任意一个预制空心管附近，从而能够避免预制空心管阵列中出现工作盲区。同时预制空心管本身也具有足够的强度，因此本方案还能取消传统空腔设计中的支模操作，从而提高施工效率和施工速度，降低施工成本。

18、一种双线船闸施工方法，应用于本发明的一种双线船闸，包含如下步骤：

19、sw1：将上闸首、下闸首和闸室中的至少一者沿高度方向分为多个混凝土层，确认混凝土层所处的区域；sw2：浇筑混凝土层，且位于基础强约束区的混凝土层浇筑厚度大于或等于3m。

20、本方案的双线船闸施工方法采用了使基础强约束区的混凝土层浇筑厚度大于或等于3m，相比于现有的使基础强约束区混凝土层厚度小于2m的做法，本方案能在保证混凝土层的开裂风险满足规范的同时，减少基础强约束区的混凝土层数量，从而提高施工效率，降低施工工期。

21、作为本发明的优选方案，还包含如下步骤：

22、在施工现场规划第一浇筑区域和第二浇筑区域，第一浇筑区域环绕第二浇筑区域设置；第一浇筑区域用于浇筑第一类混凝土，第二浇筑区域用于浇筑第二类混凝土，第一类混凝土的耐腐蚀能力大于第二类混凝土；浇筑第一类混凝土和第二类混凝土，第一类混凝土的体积大于第一浇筑区域的容积，从而使第一类混凝土侵入第二浇筑区域。

23、本方案即，在混凝土结构的外围和中心部分别采用第一类混凝土和第二类混凝土进行浇筑，且第一类混凝土的抗腐蚀能力高于第二类混凝土，即外围的第一类混凝土成本较高，而第二类混凝土成本较低，通过两者搭配，既能为建筑结构的外围赋予耐腐蚀性，又能降低耐腐蚀混凝土的使用量，从而能够降低耐腐蚀混凝土结构的施工成本。且考虑到混凝土的流动性，为了防止浇筑过程中第二类混凝土侵入到第一浇筑区域内部，从而导致对应区域的第一类混凝土的厚度减少，进而影响建筑结构耐腐蚀能力的情况，本方案采用了超量浇筑第一类混凝土，使第一类混凝土进入第二浇筑区域，用第一类混凝土的一定超耗，换取更大的安全系数与耐腐蚀能力的冗余。

24、作为本发明的优选方案，当第一浇筑区域和第二浇筑区域的交界面与铅垂面平行，有：

25、

26、当第一浇筑区域和第二浇筑区域的交界面朝第一浇筑区域倾斜角度为θ，有：

27、

28、当第一浇筑区域和第二浇筑区域的交界面朝第二浇筑区域倾斜角度为β，有：

29、

30、式中，a代表第一类混凝土侵入第二浇筑区域部分的断面面积，s代表第一类混凝土的拓展范围，h代表第一类混凝土的高度。

31、混凝土的拓展范围可以通过理论计算、实验等方式获得；第一类混凝土侵入第二浇筑区域部分的断面面积，具体是指第一类混凝土侵入第二浇筑区域部分，在垂直于第一浇筑区域和第二浇筑区域分界线的铅锤平面上的断面的面积。

32、申请人根据实际施工情况总结发现，当超量浇筑第一类混凝土，第一类混凝土侵入第二浇筑区域的断面形状可以等效为三角形，并推算出了本方案的公式，通过断面面积的取值范围指导第一类混凝土的超耗量，从而能在第一类混凝土和第二类混凝土之间不设置挡板或钢板网的情况下，确保第一类混凝土的有效厚度，并省去挡板或钢板网的制造成本和拆装工序；同时也由于第一类混凝土和第二类混凝土之间设置任何挡板或钢板网，第一类混凝土和第二类混凝土的结合会更加紧密，从而能得到更好的施工质量。

33、作为本发明的优选方案，当双线船闸包含护面板，还包含如下步骤：

34、在已浇筑的混凝土层的侧面安装磁吸式护面板支撑结构，磁吸式护面板支撑结构包含磁吸装置，通过磁吸装置将护面板固定于待浇筑的混凝土层的预定位置；浇筑待浇筑的混凝土层，待混凝土层和护面板结合后，分离磁吸装置和护面板。

35、磁吸装置包含但不限于永磁体、电磁铁，其具体尺寸和参数根据护面板的实际尺寸和重量而定。

36、当需要按照护面板时，现有技术一般是在待浇筑区域的外围设置支撑结构，再将护面板连接于该支撑结构，一方面能将护面板作为待浇筑混凝土的模板，从而减少模板的制造费用；另一方面能在浇筑混凝土时便完成混凝土结构与护面板的连接，无需再在后续施工中单独安装护面板，从而提高施工效率；然而现有技术往往采用在护面板上钻孔并插入螺栓的方式固定护面板，从而会对护面板的表面产生损失，需要在后期安排单独的修复工作，否则会导致护面板的使用寿命下降。因此本方案选择使用磁吸装置将护面板固定于预定位置，既能确保浇筑过程中的护面板固定可靠，又不会对护面板的表面造成损伤，因此无需在混凝土浇筑完成后，再安排单独的护面板修复工作，从而能够避免施工工序增加、施工成本上升的问题；同时采用磁吸的方式对护面板进行固定，还能免去固定护面板时旋紧螺纹紧固件的工作，从而提高护面板的固定速度，进而提高施工效率。

37、作为本发明的优选方案，磁吸式护面板支撑结构包含第一支撑部和第二支撑部，第二支撑部能够连接于混凝土层的侧面，第二支撑部顶部设置有滑轨；第一支撑部通过滑轨连接至第二支撑部，第一支撑部上设置磁吸装置。

38、若直接采用整体式的磁吸式护面板支撑结构，则在混凝土浇筑完成、分离护面板和磁吸式护面板支撑结构后，磁吸式护面板支撑结构处于无固定状态，需要使用吊车吊运至专用的固定装置或停放区域进行停放，从而会导致施工工序和施工成本的增加；而本方案的磁吸式护面板支撑结构包含能够相对移动的第一支撑部和第二支撑部，可通过调节第一支撑部相对第二支撑部的位置即可实现第一支撑部与护面板的分离，同时第二支撑部能保持与混凝土层的连接，进而保持本方案整体相对混凝土层的固定，不会发生倾倒或掉落；因此本方案在完成混凝土的浇筑后，既无需吊车反复吊运，也无需专用的停放装置或停放区域，从而能够降低施工成本和施工区域的占地面积。

39、作为本发明的优选方案，当双线船闸包含预制空心管，还包含如下步骤：

40、将施工器械行驶到预制空心管之间对预制空心管进行填充物填充作业。

41、当预制空心管组合为阵列时，对于位于阵列中部的预制空心管，相比于采用大臂展的大型施工器械从阵列边缘直接进行填充作业，采用本方案能够降低对施工器械回转半径的要求，从而减少施工器械的选型难度和使用成本。

42、作为本发明的优选方案，上闸首和下闸首均包含边闸墩、中闸墩和闸首底板，闸室包含边闸墙、中闸墙和闸室底板，按如下顺序进行施工：sws1：施工所有边闸墩、中闸墩，以及所有边闸墙和中闸墙；sws2：施工所有闸首底板和闸室底板。

43、本方案采用先施工边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙，再施工闸首底板和闸室底板的施工顺序，一方面是考虑到边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙的自重大，对地基的影响较大，先进行施工能够预留结构沉降时间，从而减少地基沉降对后续施工的影响，更有利于保护关键构造，例如闸门和输水廊道。

44、另一方面，在未施工闸首底板和闸室底板的状态下，边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙均为竖向结构且沿河流横向间隔布置，因此可以在边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙之间设置施工道路，从边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙的多个侧面同时开展混凝土浇筑作业，从而大幅提高施工速度，尽快完成混凝土用量最大的边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙。

45、同时，由于关键结构输水廊道是埋设于闸首底板和闸室底板的内部的，因此本方案选择完成边闸墩、中闸墩、边闸墙和中闸墙后，再施工闸首底板和闸室底板，能够避免输水廊道被作为施工道路并遭到设备碾压，从而发生损坏的情况。

46、作为本发明的优选方案，浇筑混凝土层后，在混凝土层的表面覆盖聚乙烯泡沫板进行保温。

47、本方案能够降低混凝土层的散热速率、避免混凝土层内外温差过大，从而导致混凝土层开裂的情况；聚乙烯泡沫板的具体厚度根据实际温控需求而定。

48、一种双线船闸互灌互泄控制方法，应用于本发明的一种双线船闸，包含如下步骤：

49、sc1：当一侧闸室待排水，另一侧闸室待充水时，将两侧闸室相互连通；

50、sc2：当两侧闸室的水头差与上下游水头差的比值大于12％且小于18％时，断开两侧闸室的连接；待排水的闸室与下游连通，待充水的闸室与上游连通。

51、如背景技术所说，两侧闸室水头差降低会减小水流速度，从而导致闸室的充水和排水时间过长；因此可以在两侧闸室还具有一定水头差时便中断两侧闸室之间的水流交换，改为两侧闸室分别与上游和下游连通，以提高闸室的充水和排水效率；然而提前中断两侧闸室之间的水流交换，会导致充水闸室中从上游取用的水含量、排水闸室中排入下游的水含量增加，从而降低双线船闸的省水率，即双线船闸的通行效率与省水率是相互矛盾的；而本方案则给出了中断两侧闸室连接的具体时机，能够在通行效率和省水率之间取得良好的平衡。

52、综上所述，上述技术方案的有益效果是：

53、1、上述方案中的双线船闸相比现有规范，重新规定了基础强约束区的混凝土层厚度，既能保证混凝土层的开裂风险满足规范要求，从而确保双线船闸的承载能力和使用寿命，又能减少混凝土层的数量，从而提高施工效率。

54、2、上述方案中的双线船闸施工方法相比现有规范增加了基础强约束区的混凝土层厚度，能够减少基础强约束区的混凝土层的数量，从而提高施工效率和施工速度，并降低施工成本。

55、3、上述方案中的双线船闸互灌互泄控制方法给出了中断两侧闸室连接的具体时机，能够在通行效率和省水率之间取得良好的平衡。