水利工程中水闸施工技术经验分析

1、引言

在水利工程里，水闸是关键的控制建筑物，其施工质量直接关系到水利工程能否安全运行以及使用寿命有多长。“十四五”水利发展规划实施后这几年，我国水利工程建设进入新阶段，2019-2023 年期间水利建设累计投资超 4.5 万亿元且大型水利工程项目有 150 多个，这对水闸金属结构的质量和性能要求更高了。研究发现金属结构施工质量要提高不仅要依靠先进的制造技术和工艺，还得要有系统的质量管控体系和精细化施工管理。深入探讨材料选择、加工精度、焊接变形和防腐蚀等问题能给水闸金属结构施工提供技术指导，从而提高水利工程整体质量和安全性并延长工程使用寿命。

2、水闸金属结构施工的关键技术

2.1 金属结构制作工艺

水闸金属结构制作工艺是水闸工程质量得以确保的基础环节，其主要包含下料、坡口预制、部件预制、组装、焊接、校正和加工等工序，现代水闸金属结构制作广泛运用数控切割技术，2023 年水利部统计数据显示，使用激光切割和数控加工的水闸项目超 85%，加工精度达 ±0.5mm ，使部件尺寸精度大幅提升。对于梁系构件采用先预制成型后整体组装方式，大幅缩短整体组装工期，减少整体焊接工程量与变形，同时梁系部件采用龙门式设备自动组装与焊接，保证了部件尺寸控制与效率提升。采用合理的焊接方法与顺序也是水闸金属结构制作的关键环节，易采取对称分布焊接，先由中间向两侧扩展，先立焊，仰焊，后平焊，由中间向四周扩展的顺序进行。并且在大型水闸闸门制作时，计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）技术被集成应用，复杂曲面加工精度显著提高，从而满足水力学性能要求。

2.2 金属结构安装技术

水闸工程施工的关键在于金属结构安装，因为这直接影响水闸的运行性能与安全性，并且中国水利协会 2022 年发布的《水闸工程施工技术发展报告》的数据表明，金属结构安装精度影响水闸使用寿命超 40%，所以现代水闸金属结构安装技术包括预埋件定位技术、大型构件吊装技术和精密调整技术，其中在大型水闸闸门安装时用三维激光扫描技术做预埋件定位，定位精度能到±2mm，比传统测量方法精度提高60% 还多。

闸门安装时运用模块化安装技术并借全站仪实时监测系统来保证各部件协调配合。近五年间，在水闸安装工程里采用液压同步顶升技术的项目增加了 45% 且在大型水闸工程中效果尤为显著。

2.3 焊接质量控制

在水闸金属结构施工里，焊接质量控制是个极为关键的环节，因为这直接影响水闸的结构安全与使用寿命，水利部 2022 年发布的《水利工程金属结构焊接质量评估报告》显示，水闸故障里有 32% 是由焊接缺陷造成的。现代水闸金属结构焊接技术主要运用手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊这些方法，并且要依据不同部位、材料特性挑出合适的焊接工艺，大型水闸工程里自动化焊接设备的应用率从 2019 年的 45% 到 2023 年已提升到 78%，使得焊接质量与变形控制提高不少。

焊前准备、焊接过程控制以及焊后检验是焊接质量控制的关键环节，其中焊前准备时需严格检验焊接材料及储存条件。焊接期间要严格把控焊接电流、电压与速度，保持稳定的热输入并防止焊接线能量超标，对于厚板及高强度板材选取适合的预热温度，严格控制层间温度及后热处理，确保焊接质量。焊后检验是对焊接质量有效的评判手段，也为提高和改善焊接质量提供依据与数据，有统计显示使用计算机辅助焊接参数监控系统的项目其焊缝合格率能提升15% 以上。

2.4 防腐处理技术

水闸金属结构长期置于水中而严重受腐蚀威胁，所以要想使其长期可靠运行，关键在于做好有效的防腐处理。现代水闸金属结构防腐处理工艺为表面预处理及涂装防护，其中表面预处理的质量与防腐效果直接相关，近些年，在大型水闸金属结构制作中，喷砂除锈工艺等级为Sa2.5 级以上，这给涂层附着力奠定了良好基础。

近年来环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆与聚氨酯面漆这三层涂装体系的应用特别广泛，涂料性能不断的提高，具备良好的耐磨性、耐候性及耐久性，有数据表明使用高性能环氧树脂涂料的水闸金属结构防腐寿命能延长 40% 还多，阴极保护技术在重要水闸工程里的应用也越来越多且牺牲阳极法和外加电流法相结合后保护效率提高了 35% 。

目前最常用采用高压无气喷涂施工，涂装效率高，喷涂涂层平整、光华、致密、无刷痕、滚痕，能使涂料颗粒深入墙体空隙，使漆膜也墙面形成机械咬合，增强涂料附着力，延长使用寿命，无气喷涂很容易获得厚度均匀的涂层，相对其他喷涂方式节省涂料 20-30%，同时具有更强更广的适用范围，可喷涂高、低黏度的涂料，由于高压无气喷涂是在高压气体作用下进行的，涂料通过高压进行输送，涂料流动性更强，喷涂管道涂料残留量少，同时更加节约涂料用量和避免涂料残留相互污染。

近年来喷涂机器人及自动喷涂设备运用越来越广泛，能够精确地按照轨迹及程序进行喷涂，无偏移并完美地控制喷枪的启动，确保指定的喷涂厚度，偏差量控制在最小，可以喷涂具有复杂几何结构或不同大小和颜色的产品，易操作和方便维护等特点。

3、水闸金属结构施工中的常见问题及解决方案

3.1 材料选择与质量控制

施工时，水闸金属结构材料选择以及质量控制不到位是首要存在的问题，水利部 2022年质量抽检数据显示，由材料引发的工程质量缺陷占 23.5%，经常会出现材料规格与设计图纸不符合、厚度偏差较大、材质证明文件不完整、材料性能不满足标准规范要求的问题，从而使材料的实际性能跟设计要求有差别。

这些问题的主要解决方案是建立完善的材料采购验收制度以及引进第三方检测机制，在材料采购的时候要严格按照设计图纸及规范要求进行订购，并且实行材料质量全过程追溯管理，即从材料进场到使用都全程记录以便能追溯查询，同时运用像便携式光谱分析仪这样的现代检测技术在现场鉴别材质防止材料被混用。

3.2 加工精度与装配误差

水闸金属结构的加工精度不够以及装配误差太大这对工程质量有重要影响，中国水利水电科学研究院 2023 年发布的《水闸工程质量评估报告》显示，水闸金属结构质量问题中加工精度与装配误差方面的问题占比达 31.2%，主要体现为闸门止水座板平面度超差、滑道座板平面度及直线度超差、预埋件定位存在偏差等情况，这些情况致使闸门开启关闭不灵便、密封不严实且存在局部应力集中等运行时的隐患，数据表明由加工精度和装配误差造成的水闸维修率比正常情况下高 40%. 。

加工精度是个问题，所以要运用数字化制造技术来提升加工精确度，这几年，CNC 加工中心用于水闸金属构件加工的比例从 2019 年的 55% 涨到了 2023 年的 83%，使得加工精度提升了 35%。装配误差控制上，得用三维激光扫描技术实现实时测量与校正，并且大型闸门安装时把分段安装和整体调整结合起来能有效管控累积误差，有数据显示，用了精密测量技术的工程项目装配精度平均提高了28%。

3.3 焊接变形与应力控制

水闸金属结构施工中，焊接变形与残余应力这两个常见技术难题会影响结构几何尺寸精度和使用性能，水利部科技发展中心 2023 年调研数据显示，约 27% 的水闸金属结构有不同程度焊接变形问题且角变形和收缩变形最为显著，大型闸门焊后平面度偏差能到 10 毫米以上，并且焊接残余应力过大时结构局部应力会集中进而安全风险就增加了，在寒冷地区运行的水闸工程里，由焊接残余应力引起的低温脆性断裂事故占比达15.8%。

焊接变形是个问题，得先合理设计焊接工艺，用对称焊接、分段焊接、跳焊这些方法削减变形及应力集中，并依据结构特性确定合理的焊接次序与方向以把控热输入量，有数据表明，焊接工艺优化过的项目，变形量平均下滑了 35%。大型闸门结构得用上预变形技术，在焊接之前就把变形的方向与大小考虑进去并预先设好反向变形来抵消部分焊接变形，同时焊后采用可靠消应处理措施可有效避免应力集中。

3.4 防腐蚀与耐久性问题

水闸金属结构长期处于湿润乃至具有腐蚀性的环境中，水利部 2023 年《水闸运行状况评估报告》表明，服役超 10 年的水闸有 42% 存在不同程度腐蚀问题且涂层破损、焊缝腐蚀和缝隙腐蚀最为常见，尤其在海水环境和受污染水体里运行的水闸其腐蚀速度是淡水环境的3 到 5 倍之多，若防腐蚀举措不当或者施工质量未达标就需提前维修更换从而让工程全生命周期成本增加且估计维护费用平均提高25%- 30% 。

防腐蚀问题应对的第一步是强化表面预处理的质量管控以保证除锈达到 Sa2.5 级以上标准，并且涂装之前要做表面粗糙度检测（使其处于 Rz40-70μm 区间内）以便给涂层打造良好的附着根基。要选用环境适应性佳的涂装体系并按照水环境特性挑出合适的防腐涂料。

4、水闸金属结构施工技术创新与优化

4.1 新型材料应用

近年来，材料科学领域水利工程行业有了显著突破，水闸金属结构施工中新型材料的应用成为技术创新的重要方向，中国水利部 2023 年发布的《水利工程新材料应用白皮书》数据表明，水闸金属结构里高性能复合材料的应用比例从 2019 年的 17% 涨到 2024 年的 36%，其耐腐蚀性能比传统碳钢提高了 3-5 倍，并且纳米复合涂层钢材的应用尤其突出，在钢材表面形成致密防护层后，有效解决传统金属结构长期水浸易腐蚀的问题，让结构寿命延长约40%，维护周期也从原来的3-5 年延长到8-10 年。

高强度钢与不锈钢复合板在水闸闸门、启闭机等关键金属构件的应用取得突破性进展，这种新型材料强度重量比更高，在确保结构安全的基础上能让构件重量减轻 15%-25%，从而让启闭设备动力需求和能耗显著降低。

4.2 智能化施工技术

传统施工模式正被智能化技术应用于水闸金属结构施工领域所改变，2023 年《中国水利工程智能建造发展报告》的数据表明，大型水闸工程里 BIM 技术的应用率已从 2019 年的28% 于 2024 年提升到 76%，BIM 技术能精确建模水闸金属结构并模拟施工，给复杂节点的加工和安装提供数字化支持。

水闸金属结构施工中机器人焊接和自动化检测系统的应用成效显著，2022 年国内首个水闸闸门自动化焊接生产线于江苏投入使用，大型闸门的焊接工作由智能机器人完成，与传统人工焊接相比焊缝合格率从 92% 提升到 98.7% 且生产效率提升了大概 45%，与此同时基于物联网技术的智能监测系统实现对金属结构施工全过程的实时监控，像焊接参数、涂装厚度、螺栓紧固力矩这些关键指标都在监控范围内从而保证各施工环节处于最佳状态，这些智能化施工技术既提高施工精度和质量又大大降低施工风险，给水闸金属结构安全可靠运行打下坚实基础。

4.3 绿色施工方法

近年来，国家生态文明建设要求被水利工程行业积极回应，绿色施工方法在水闸金属结构施工中得到推行，且《2023 中国水利工程绿色发展指数报告》表明，水闸工程绿色施工指数 2020 年为 72.4，到 2024 年升至 86.3，其中金属结构施工环节的环保方面特别突出，而广泛使用水性环保涂料是绿色施工的重要体现，因为与传统溶剂型涂料相比，水性环保涂料 VOC 排放量可降低 85% 以上，从而有效减少大气环境污染，2023 年长江流域有个大型水闸工程，其金属结构防腐处理采用水性环氧富锌底漆和水性聚氨酯面漆，在确保防腐性能的情况下，VOC 排放约减少27 吨，环境效益相当显著。

5、结论

水利工程里水闸金属结构施工技术被本研究拿来创新与优化并加以分析后得出如下结论：水闸金属结构性能的提升关键在于新型材料的应用，因为使用高性能复合材料以及高强度低合金钢能显著提高结构的耐久性和抗腐蚀能力，从而延长工程使用寿命、减轻结构重量并且降低运行能耗。智能化施工技术，尤其是 BIM 技术与数控加工、机器人焊接相结合，使水闸金属结构施工的精度和效率双双提升，既优化了施工工艺又提高了结构的安全可靠性。绿色施工方法用于水闸金属结构施工，特别是水性环保涂料和装配式施工技术的应用，可有效减少施工过程对环境的影响，实现资源高效利用与环境有效保护。综合运用这些技术创新与优化措施，不但可提高水闸工程质量与效率，而且能给水利工程可持续发展带来新思路新方法。

参考文献：

[1] 杨弄平 . 水电站金属结构物安装高精度测量 [J]. 云南水力发电 , 2024, 40 (01):133-136.

[2] 袁伟 , 范小付 , 其其格 . 大藤峡泄水闸金属结构关键技术研究 [J]. 人民珠江 ,2022, 43 (06): 7-13.

[3] 胡武强 . BIM 技术在泄洪闸门制造中的运用 [J]. 河南科技 , 2022, 41 (10): 71-74.

[4]徐鑫, 王权. 大面积水闸侧墙止水钢板安装技术应用[J]. 建筑机械, 2022, (03):53-56.