水口水電廠2號(hào)泄水底孔檢修門槽修復(fù)工程的設(shè)計(jì)與施工

鄭金泰

福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004

0 引言

水口水電廠大壩為混凝土重力壩。溢洪道布置在河床中間，兩側(cè)各設(shè)一個(gè)深式泄水底孔，承擔(dān)樞紐工程的泄洪和水庫(kù)放空任務(wù)。泄水底孔采用短管壓力流后接明渠方式，進(jìn)水口為喇叭形，壓力段孔口尺寸5m×8m（寬×高），設(shè)有5m×9.6m平板式事故檢修閘門，出口處設(shè)弧形工作閘門。

2003年12月對(duì)大壩水工建筑物進(jìn)行水下檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)泄水底孔事故檢修左側(cè)門槽鋼襯板和閘門鋼軌之間嚴(yán)重開裂，開裂處出現(xiàn)較大范圍混凝土掏空破壞。2005年8月在關(guān)閉檢修閘門進(jìn)行弧形工作閘門檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)破壞進(jìn)一步發(fā)展，事故檢修閘門左側(cè)門槽距頂部約 1.0m處發(fā)現(xiàn)噴射水流，最大噴水距離約5m，由于滲水量太大，弧形工作閘門檢修工作無法進(jìn)行。曾采用水下拼裝焊接鋼襯板和澆筑水下混凝土的方案進(jìn)行水下修復(fù)，但由于受水下施工條件限制，施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

1 修復(fù)工程設(shè)計(jì)

擬采用旱地修復(fù)施工方案。在泄水底孔喇叭口前設(shè)一道浮體擋水檢修閘門（以下簡(jiǎn)稱為浮體閘門），閘門止水橡皮直接壓在混凝土面上封水，使門后形成旱地條件，以便進(jìn)一步查清檢修門槽破壞情況，確定可靠的修復(fù)方案，并進(jìn)行下一步修復(fù)施工。

1.1 浮體閘門

泄水底孔喇叭口尺寸為7.7m×14.06m，設(shè)計(jì)浮體閘門封水尺寸8.7m×15m，設(shè)計(jì)水頭47m，總水壓力51548 kN。閘門支承跨度8.7m，吊點(diǎn)間距9.7m，閘門寬10.5m、高15.6m、厚1.8m，總重約173t，總浮力約230t。設(shè)8個(gè)充水艙和6個(gè)空氣艙，總充水量約89t。閘門分成6節(jié)，按設(shè)計(jì)要求由工廠分節(jié)制造，整體拼焊在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行（見圖1）。

圖1 泄水底孔剖面圖

1.2 測(cè)量試探框

泄水底孔封堵工程關(guān)鍵技術(shù)是止水，浮體閘門水下安裝施工的難度是準(zhǔn)確就位。而浮體閘門橡膠主水封必須針對(duì)封水壩面的不平度進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，為確保封堵工程能夠安全可靠的一次封堵成功，需對(duì)浮體閘門橡膠主水封止水壩面進(jìn)行不平整度測(cè)量。

因此，專門設(shè)計(jì)一扇具有相當(dāng)剛度的假門—測(cè)量試探框，框的長(zhǎng)寬尺寸與浮體閘門相同。在主水封（即閘門支承）位置，沿喇叭口四周長(zhǎng)度方向每隔100mm設(shè)置一個(gè)尼龍棒，共1220個(gè)尼龍棒測(cè)點(diǎn)。試探框封水面測(cè)量寬度為400mm。另外，在試探框頂部角上安裝2個(gè)水下攝像頭。當(dāng)試探框靠在喇叭口四周壩面上固定好后，由潛水員在水下正對(duì)攝像頭的壩面上采用射釘槍固定2個(gè)醒目的圓形標(biāo)記。

測(cè)深裝置安裝在鋼結(jié)構(gòu)施工平臺(tái)左右兩側(cè)的對(duì)稱位置。每側(cè)安裝鋼卷尺和測(cè)深裝置，用于互相驗(yàn)證。試探框和浮體閘門的水平姿態(tài)偏角由左右兩側(cè)的測(cè)量深度差值來計(jì)算和控制。

1.3 浮體閘門水封設(shè)計(jì)

浮體閘門設(shè)兩道水封。第一道為橡膠主水封，設(shè)置于浮體閘門下游面板周框上，封水中心尺寸約為8.7m×15m。橡膠水封寬280mm，高350mm，端頭為R150mm，整體重約6.1t。第二道為輔助水封，位于主水封四周外側(cè)，采用棉毯卷成φ150mm的圓柱形，中心為φ30mm的PVC硬管，用于自動(dòng)封堵局部小縫隙漏水。

1.4 浮體閘門支承設(shè)計(jì)

利用橡膠水封的承壓力，浮體閘門直接采用閘門四周的橡膠主水封作為支承。

浮體閘門封水尺寸8.7m×15m，承受總水壓力為51548kN。水封平均線壓強(qiáng)約1088 kN/m。按線壓強(qiáng)1088kN/m計(jì)算，橡膠水封承受的壓應(yīng)力為3.7N/mm2，滿足強(qiáng)度要求。

1.5 檢修門槽修復(fù)設(shè)計(jì)

1）原門槽設(shè)計(jì)

事故檢修閘門采用定輪支承。閘門采用下游止水，止水座面設(shè)在門槽下游埋件上。門槽采用Ⅱ型門槽。閘門鋼軌和反軌按閘門孔口高度的兩倍設(shè)置，鋼軌采用QU120起重機(jī)軌和厚度為40mm的鋼板（Q235）組合斷面，反軌為型鋼與鋼板的組焊結(jié)構(gòu)。

由于底孔運(yùn)行水頭較高，在設(shè)計(jì)中采用了一些預(yù)防高速水流沖蝕的措施：事故閘門前一段和事故閘門與工作門之間均采用一期鋼板襯砌，鋼板襯砌和門槽鋼埋件焊接在一起，閘門底坎全部采用一期鋼板襯砌。

2）門槽破壞情況及原因分析

瀉水底孔成功封堵后，對(duì)孔內(nèi)流道破壞情況進(jìn)行全面檢查。門槽鋼軌工作踏面上有較多的氣蝕凹坑，鋼軌軌道和護(hù)角鋼襯之間的焊縫已經(jīng)大部分開裂，護(hù)角鋼襯在門槽底部區(qū)域已經(jīng)脫開鋼軌，內(nèi)部部分二期混凝土被嚴(yán)重淘蝕。

現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為：原門槽鋼軌安裝施工質(zhì)量欠佳、鋼軌和護(hù)角鋼襯之間的連接薄弱，是造成門槽破壞的主要原因。

3）修復(fù)鋼軌優(yōu)化設(shè)計(jì)

重新設(shè)計(jì)門槽鋼軌，在鋼軌側(cè)加設(shè)一個(gè)與護(hù)角鋼板錨固連接的平臺(tái)，將焊縫連接改為螺栓錨固連接，避免此處的工地焊縫（見圖2）。新設(shè)計(jì)的門槽鋼軌在工廠分段鑄造，材料選用ZG42CrMo，調(diào)質(zhì)處理。鋼軌踏面形狀和尺寸均按原設(shè)計(jì)保持不變，護(hù)角通過螺栓與鋼軌連接。對(duì)修改后的鋼軌按150t輪壓進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，各項(xiàng)應(yīng)力均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

圖2 門槽剖面圖

2 工程施工

整個(gè)工程施工分為：前期施工準(zhǔn)備、壩面平整度水下測(cè)量、浮體閘門制造、大型橡膠水封制造與安裝、浮體閘門的就位封孔、檢修門槽制造與旱地修復(fù)、浮體閘門拆除等。

2.1 前期施工準(zhǔn)備

前期施工準(zhǔn)備主要完成施工平臺(tái)的搭設(shè)、試探框制作、導(dǎo)向重錘制作和安放、導(dǎo)向繩固定、后拉支架制作及卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝等。

2.2 水下測(cè)量

將試探框下放至底孔喇叭口位置后，通過后拉支架的鋼絲繩將試探框收緊，經(jīng)潛水員水下檢查與導(dǎo)向繩核對(duì)位置無誤后將試探框固定。潛水員在水下將試探框上所有尼龍棒推到接觸壩面后擰緊螺釘固定，則所有的尼龍棒端點(diǎn)所組成的面即為混凝土壩面的封水面和支承面。將試探框吊出水面，平放在壩頂經(jīng)調(diào)平后，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行尼龍棒外伸長(zhǎng)度測(cè)量工作，取得尼龍棒實(shí)測(cè)的壩面平整度數(shù)據(jù)，為浮體閘門的水封設(shè)計(jì)和安裝提供依據(jù)。

2.3 浮體閘門制造

浮體閘門分6節(jié)制作，總重12.3t。按設(shè)計(jì)要求，每節(jié)門葉出廠前密封艙均進(jìn)行0.6MPa/20min加壓試驗(yàn)。

受場(chǎng)地限制，浮體閘門現(xiàn)場(chǎng)拼裝采用立式拼焊，先將3節(jié)拼焊為一組，再將2組拼焊為整體。對(duì)分節(jié)拼焊形成的中間艙，按要求進(jìn)行0.3MPa/20min氣密性檢查，。整體拼裝完成后，對(duì)閘門的充水艙和非充水艙均進(jìn)行0.6MPa/20min水壓、氣壓試驗(yàn)。

最后，將浮體閘門牽引至2號(hào)瀉水底孔壩前水面后，安裝水封和其他附屬構(gòu)件。

2.4 橡膠水封試驗(yàn)、制造與安裝

2.4.1 水封試驗(yàn)

委托武漢大學(xué)進(jìn)行大截面橡膠水封試驗(yàn)，并確定浮體閘門的設(shè)計(jì)水封斷面結(jié)構(gòu)及水封材質(zhì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)水封斷面結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)：水封安裝槽兩側(cè)夾板隨水封也做了相應(yīng)隨形設(shè)計(jì)；將側(cè)板端與水封接觸的內(nèi)側(cè)角倒成R10的圓弧,以免剪切水封下游側(cè)；水封夾槽內(nèi)側(cè)與水封間隙為單邊2mm。基于水封材質(zhì)試驗(yàn)，選擇相對(duì)變形量較大和變化曲線更穩(wěn)定的DL6674-5橡膠。

2.4.2 水封制造

按設(shè)計(jì)要求，橡膠水封在廠內(nèi)制作為整體框形結(jié)構(gòu)，水封接頭采用模具熱溶接，確保接頭的整體連接質(zhì)量，不留任何工地接頭。橡膠水封的隨形制造是在水封試驗(yàn)和壩面不平度測(cè)量完成后，以設(shè)計(jì)圖為準(zhǔn)進(jìn)行的。

2.4.3 水封安裝

將橡膠水封吊放到平臥在庫(kù)面的浮體閘門上，安裝在預(yù)設(shè)的水封槽內(nèi)，并用螺栓固定。

2.5 浮體閘門就位封孔

通過水泵和浮體閘門上的充排水管向充水艙緩慢充水、排氣，將浮體閘門由平臥調(diào)整到直立狀態(tài)，并使浮體閘門處于零浮力狀態(tài)。在裝好浮體閘門安全繩、測(cè)深裝置、導(dǎo)向繩及在檢修門槽吊放后拉支架后，繼續(xù)向充水艙內(nèi)充水，使浮體閘門緩慢下沉。觀測(cè)安裝在施工平臺(tái)左右兩側(cè)的測(cè)深裝置讀數(shù)，通過計(jì)算測(cè)量深度差值來確定充水艙的充水量，達(dá)到控制浮體閘門的下沉速度、位置和姿態(tài)。確定浮體閘門到達(dá)2號(hào)泄水底孔處后，收緊浮體閘門安全繩固定。潛水員從檢修門槽進(jìn)入底孔內(nèi)，將通過后拉支架定滑輪的4條鋼絲繩固定在浮體閘門上，由潛水員確定浮體閘門位置、姿態(tài)準(zhǔn)確無誤后，緩慢且同時(shí)拉緊4條鋼絲繩，使浮體閘門貼在壩面。緩緩開啟2號(hào)底孔工作閘門，將洞內(nèi)水排放，在巨大水壓力的作用下，浮體閘門緊緊地貼在壩面，就位封孔一次成功，整個(gè)封孔用時(shí)近5h。經(jīng)觀察，浮體閘門后漏水量小于0.1L/min，且未見變化，完全滿足洞內(nèi)旱地修復(fù)施工條件，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.6 檢修門槽制造與旱地修復(fù)施工

2.6.1 新門槽鋼軌及配件制造

對(duì)鋼軌踏面形狀和尺寸均按原設(shè)計(jì)保持不變，護(hù)角通過螺栓與鋼軌連接。每側(cè)門槽鋼軌分為4段，每段2.5 m，兩側(cè)共8段，重約5676kg。鋼軌、錨固桿件、鋼料板制造、加工完成后進(jìn)行工廠預(yù)拼裝。

2.6.2 舊門槽鋼軌及埋件拆除

將舊鋼軌、鋼襯板分節(jié)切割拆除，發(fā)現(xiàn)門槽兩側(cè)原一期錨筋存在部分缺失。二期混凝土鑿除后，對(duì)分界面進(jìn)行鑿毛，同時(shí)清除存留的二期錨固鋼板上的鐵銹。

2.6.3 新門槽埋件、鋼軌及鋼襯板安裝

鋼軌埋件安裝前，對(duì)原缺失的錨筋，按設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行補(bǔ)充埋設(shè)。對(duì)一期混凝土預(yù)埋錨筋的位置、數(shù)量進(jìn)行檢查核對(duì)無誤后，開始鋼軌和鋼襯板的安裝。

每側(cè)門槽鋼軌由4節(jié)組成，安裝時(shí)由下而上逐節(jié)吊裝。鋼軌每安裝1節(jié)均進(jìn)行門槽中心線距、對(duì)孔口中心距、高程、工作表面接合處錯(cuò)位、表面扭曲度等部位的測(cè)量和控制，以確保安裝精度。

在鋼軌預(yù)埋件焊接固定后，先進(jìn)行非直線段的安裝。而直線段鋼襯板每2m為一段，從下往上安裝第一段，待新回填的二期混凝土澆筑完成24h后，再進(jìn)行上一段的安裝。

2.6.4 回填澆筑

新的二期回填C30混凝土，約15m3。

2.6.5 其它項(xiàng)目施工及工程驗(yàn)收

檢修門槽后與工作閘門間鋼襯板與混凝土間的脫空部位進(jìn)行環(huán)氧灌漿。底孔喇叭口段混凝土表面骨料裸露部分，采用環(huán)氧水泥砂漿抹面處理等的施工。

至此，檢修門槽修復(fù)施工結(jié)束。

2.7 浮體閘門拆除

先行關(guān)閉底孔事故檢修閘門，向孔內(nèi)充水；后又關(guān)閉工作閘門，檢修閘門前后全部充水。壓力平衡后，浮體閘門開始脫離孔口。接著，用壓縮空氣排出浮體閘門各充水艙內(nèi)的水量，浮體閘門緩慢浮出水面。為保護(hù)水封，將水封面朝下平浮在水面上，拖至指定地點(diǎn)存放。

3 結(jié)論

檢修門槽修復(fù)后，泄水底孔經(jīng)歷了2個(gè)汛期，運(yùn)行正常。該工程實(shí)施的關(guān)鍵是底孔進(jìn)水口的水下封堵，以形成旱地施工條件。浮體閘門水下封堵的定位，采用重錘、測(cè)深裝置、水下攝像和后拉支架相結(jié)合的定位方式，成功地解決了水下封堵的定位難題。而采用鋼軌側(cè)翼增設(shè)連接平臺(tái)、螺栓連接的方案，則有效地解決了閘門主軌與鋼襯板之間的連接難題。

[1]水口水電廠#2泄水底孔事故檢修門門槽修復(fù)工程可行性研究報(bào)告.中國(guó)水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2007，8.

[2]水口水電廠#2泄水底孔浮體閘門水封試驗(yàn)報(bào)告.武漢大學(xué)，2008，6.