某水電站導(dǎo)流洞出口圍堰選型及施工技術(shù)

方 琳，趙旭峰，孫家波，李長(zhǎng)明，陳 誠(chéng)

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心，河南 開(kāi)封 475004；3.中國(guó)水利水電第一工程局有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；4.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；5.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南鄭州 450045；6.河南省黃河流域環(huán)境保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003）

水利工程建設(shè)中圍堰類型主要有鋼板樁格型圍堰、混凝土圍堰以及土石圍堰等［1］。工程地質(zhì)、地形、水文要素、樞紐布置方式、工程造價(jià)、拆卸難易程度和施工總進(jìn)度等不同,圍堰選型設(shè)計(jì)也不相同［2-6］。苗尾水電站導(dǎo)流洞出口采用洞內(nèi)水下混凝土圍堰技術(shù)［7］,縮短了施工工期,為導(dǎo)流洞封堵?tīng)?zhēng)取了時(shí)間；小灣水電站導(dǎo)流隧洞進(jìn)、出口采用重力式混凝土圍堰［8］,保證了施工質(zhì)量、工期,并節(jié)省了投資；三門峽黃河大橋承臺(tái)圍堰采用雙壁鋼圍堰［9］,解決了施工中下沉遇阻等難題；南水北調(diào)東線楊官屯河閘的施工采用了灌注樁結(jié)合鋼板樁圍堰［10］,取得了良好效果,其技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)了又好又快的建設(shè)理念；金沙江魯?shù)乩娬旧嫌芜^(guò)水圍堰采用土石-碾壓混凝土混合過(guò)水圍堰［11］,經(jīng)歷3 個(gè)汛期過(guò)水考驗(yàn),運(yùn)行狀況良好；糯扎渡水電站3＃導(dǎo)流洞出口下閘時(shí)間晚且工期短,采用水下混凝土重力式圍堰［12］,克服了其余導(dǎo)流洞動(dòng)水影響；楠溪江供水工程攔河閘一、二期上下游圍堰綜合考慮水文地質(zhì)、地形地貌情況采用砂礫石圍堰［13］；績(jī)溪抽水蓄能電站下水庫(kù)大壩上游圍堰采用土石圍堰［14］,降低了施工難度、節(jié)省了材料、縮短了工期,技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益較好?？梢?jiàn),圍堰類型及布置需結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

某水電站導(dǎo)流洞出口附近河道較窄,底部天然河床寬度為90.00 m 左右,汛期圍堰若采用土石圍堰則對(duì)河道占?jí)簢?yán)重,施工布置困難,施工導(dǎo)流處理不當(dāng)極易造成水位壅高,給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)帶來(lái)破壞,并影響工程安全度汛。開(kāi)展導(dǎo)流洞出口圍堰選型及施工技術(shù)探究,合理布置導(dǎo)流洞出口圍堰是必要的。

1 工程概況

某水電站正常蓄水位1 735.00 m(庫(kù)容12.15 億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容2.58 億m3),死水位1 725.00 m,壩頂高程1 740.00 m,壩頂長(zhǎng)498.00 m,最大壩高158.00 m,樞紐主要建筑物有擋水建筑物、泄洪消能建筑物、右岸地下輸水發(fā)電系統(tǒng)等,屬Ⅰ等大(1)型工程。壩址所在河谷狹窄,呈基本對(duì)稱的V 形谷,河床高程1 603.00～1 613.00 m,枯水位1 618.00 m 時(shí)的河水面寬度50.00～60.00 m。壩址兩岸山體雄厚,地形較齊整,左岸地形坡度35°～55°,其中高程1 635.00～1 645.00 m 為殘存的Ⅱ級(jí)階地,最大寬度100.00 m；右岸地形較陡,地形坡度一般為40°～55°,其中高程1 720.00 m 以下為臨河陡崖。壩址河床覆蓋層厚度5.00～37.00 m,壩線左岸上游分布BT2 堆積體,左岸下游河流拐彎處分布S0 滑坡體。

1＃、2＃導(dǎo)流洞沿水電站左岸平行布置,導(dǎo)流洞全洞段巖性單一、巖體相對(duì)較完整,巖體以微風(fēng)化為主,局部(進(jìn)出口段)為弱風(fēng)化。導(dǎo)流洞由進(jìn)口明渠段、洞身段、出口明渠段和導(dǎo)流洞施工支洞等組成。進(jìn)口位于壩軸線上游370.00～502.00 m,出口位于壩軸線下游1 080.00～1 160.00 m,兩洞洞軸線中心距50.00 m,斷面為城門洞形,尺寸11.50 m×15.00 m、中心角120°,采用鋼筋混凝土襯砌。導(dǎo)流洞參數(shù)見(jiàn)表1,三維模型如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)流洞三維模型

表1 導(dǎo)流洞參數(shù)

2 圍堰設(shè)計(jì)

該工程兩條導(dǎo)流洞出口圍堰防護(hù)范圍較大,地質(zhì)條件較差,且處在河流拐彎處。按水文情況及施工安排,該出口圍堰施工分為枯水期和汛期兩階段。枯水期圍堰擋水水位較低,采用土石圍堰連接兩側(cè)山體形成封閉基坑進(jìn)行施工；汛期圍堰應(yīng)考慮圍堰施工造成河流斷面被壓縮后,流速增大引起水流對(duì)圍堰、河床的集中沖刷以及對(duì)導(dǎo)流的影響［15］,故合理選取汛期圍堰最優(yōu)布置形式以滿足安全、工期、造價(jià)等要求顯得尤為重要。

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1)根據(jù)導(dǎo)流洞洞口邊坡地形、洞口設(shè)計(jì)特征、河道水文等自然條件,圍堰布置不得對(duì)原河床過(guò)流能力產(chǎn)生較大影響。汛期圍堰須具備抵擋20 a 一遇洪水能力,設(shè)計(jì)洪水流量為6 320.00 m3/s。工程所在流域枯水期為11 月—翌年5 月,汛期為6—10 月。

(2)受疫情影響,工程實(shí)際于2020 年2 月29 日開(kāi)工,因所?？菟跁r(shí)間過(guò)短,故枯水期圍堰調(diào)整至2020 年6—10 月汛期結(jié)束后的下一枯水期開(kāi)始施工。2020 年12 月枯水期圍堰施工完成,為汛期圍堰提供干地施工條件,汛期圍堰須2021 年5 月31 日前完成。導(dǎo)流工程工期務(wù)必滿足總工期要求,同時(shí)在保證圍堰抵抗設(shè)計(jì)洪水、防滲等功能的前提下降低工程造價(jià)。

(3)圍堰布置必須充分利用導(dǎo)流洞洞口地質(zhì)地形條件,盡量不影響導(dǎo)流洞進(jìn)、出口建筑物結(jié)構(gòu),同時(shí)方便施工后期圍堰拆除、清渣。

(4)圍堰設(shè)計(jì)斷面應(yīng)滿足抗滑、抗剪及抗傾覆穩(wěn)定要求。

(5)綜合考慮圍堰施工道路和圍堰布置對(duì)施工交通的影響。

(6)預(yù)計(jì)和考慮外部條件影響引起的河水壅高、水流沖刷破壞等不利因素影響。

2.2 汛期圍堰方案比選

導(dǎo)流洞出口區(qū)地形狹長(zhǎng),明渠段布置混凝土底板、邊坡和鋼筋籠護(hù)底等構(gòu)筑物,且洞口段河道狹窄,圍堰布置空間受限。結(jié)合1＃、2＃導(dǎo)流洞出口地形地質(zhì)及出口工程設(shè)計(jì)特征等實(shí)際條件,提出土石圍堰、混凝土圍堰、鋼筋混凝土疊梁門、鋼結(jié)構(gòu)疊梁門、混凝土截水墻5 種方案。

(1)土石圍堰(方案1)。采用石渣料調(diào)整,擋水高度為20.88 m,圍堰高度為21.50 m,堰頂寬度7.00 m,迎水側(cè)坡比取1 ∶1.5,背水側(cè)坡比取1 ∶1.2(見(jiàn)圖2)。優(yōu)點(diǎn):施工方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安全可靠,可就地取材填筑,可利用機(jī)械設(shè)備直接拆除。缺點(diǎn):體積較大,河床占?jí)罕却?抗沖刷能力弱。

圖2 方案1 示意

(2)混凝土圍堰(方案2)。擋水高度為20.88 m,頂寬取2.00 m,迎水側(cè)坡比取1 ∶0.1,背水側(cè)坡比取1 ∶0.6(見(jiàn)圖3)。優(yōu)點(diǎn):體積小、自身防滲效果好。缺點(diǎn):對(duì)地基承載力要求高,需經(jīng)專業(yè)爆破設(shè)計(jì)、使用炸藥進(jìn)行控制爆破拆除,拆除要求高、專業(yè)性強(qiáng)。

圖3 方案2 示意

(3)鋼筋混凝土疊梁門(方案3)。采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),分19 節(jié)預(yù)制,長(zhǎng)13.15 m,總高15.70 m(見(jiàn)圖4)。優(yōu)點(diǎn):工程量小、布置占地少,制作便捷,可提前預(yù)制,分節(jié)安裝、拆除,施工簡(jiǎn)便、工期短。缺點(diǎn):需準(zhǔn)備預(yù)制場(chǎng)地制作、堆存,質(zhì)量相對(duì)較大,安裝拆除吊裝難度相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疊梁門大,不具有回收利用價(jià)值。

圖4 方案3 示意

(4)鋼結(jié)構(gòu)疊梁門(方案4)。采用9 節(jié)倒鉤式鋼結(jié)構(gòu)平面疊梁門,長(zhǎng)13.15 m,總高15.70 m(見(jiàn)圖5)。優(yōu)點(diǎn):可提前制作、分節(jié)安裝拆除,施工簡(jiǎn)便、工期短,可永臨結(jié)合、重復(fù)使用。缺點(diǎn):需專業(yè)廠家制作,尺寸較大,運(yùn)輸不便。

圖5 方案4 示意

(5)混凝土截水墻(方案5)。布置于洞內(nèi)臨洞口處,采用C15 混凝土重力式結(jié)構(gòu),頂寬2.00 m,底寬11.00 m,高15.00 m(見(jiàn)圖6)。優(yōu)點(diǎn):工程量相對(duì)較小,施工方便。缺點(diǎn):需完成截水墻部位開(kāi)挖、支護(hù)、混凝土襯砌后才具備施工條件,工序多,工期要求高；需經(jīng)專業(yè)爆破設(shè)計(jì)、爆破拆除。

圖6 方案5 示意

分析圍堰占?jí)汉哟脖?、防滲能力、穩(wěn)定性、工程造價(jià)以及施工工期(見(jiàn)表2),選取有利于該工程汛期施工的最優(yōu)圍堰設(shè)計(jì)方案。

表2 汛期圍堰5 種方案指標(biāo)對(duì)比

當(dāng)度汛圍堰采用土石圍堰時(shí),施工工期相對(duì)較長(zhǎng),且對(duì)天然河床占?jí)罕冗_(dá)63.03%,汛期將造成河道水位壅高,影響工程度汛安全。

當(dāng)度汛圍堰采用混凝土圍堰時(shí),因其對(duì)地基承載力要求高,基礎(chǔ)下挖深度大,緊鄰河道下挖存在地質(zhì)條件變化大、透水等風(fēng)險(xiǎn),故需采取技術(shù)措施進(jìn)行處理,限制爆后粒徑,避免阻塞洞口影響泄流,需經(jīng)專業(yè)爆破設(shè)計(jì)后采用控制爆破拆除,拆除專業(yè)性強(qiáng),且該方案造價(jià)是其他方案的2 倍,經(jīng)濟(jì)可行性差、風(fēng)險(xiǎn)大。

當(dāng)度汛圍堰采用鋼筋混凝土疊梁門時(shí),造價(jià)、工期等處于5 種方案中間區(qū)域,但受制作材料限制,其單件自重大,受現(xiàn)場(chǎng)吊裝條件限制,其吊裝難度大。

當(dāng)度汛圍堰采用鋼結(jié)構(gòu)疊梁門時(shí),所需構(gòu)件可通過(guò)專業(yè)廠家提前制作,構(gòu)件單件質(zhì)量較混凝土疊梁門的小,安裝拆除吊裝相對(duì)方便,且工程蓄水后,導(dǎo)流洞封堵時(shí)仍可用于出口封堵,可重復(fù)使用,造價(jià)較混凝土疊梁門低,可行性較強(qiáng)。

當(dāng)度汛圍堰采用混凝土截水墻時(shí),造價(jià)最低,所需工期適中,技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯,但該方案受工程開(kāi)工延后、汛前可利用施工時(shí)間不足等影響,在該工程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)比分析,結(jié)合該工程建筑物布置、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形地質(zhì)、水文條件等,經(jīng)綜合比選,選用造價(jià)相對(duì)較低、安裝拆除方便、可重復(fù)使用的鋼結(jié)構(gòu)疊梁門作為汛期擋水圍堰的施工方案最合適。

3 施工技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)平面疊梁門帶有倒鉤裝置,埋設(shè)于混凝土內(nèi)的門軌與導(dǎo)流洞出口混凝土結(jié)構(gòu)組成擋水體系,阻隔外部洪水,其正立面如圖7 所示。

圖7 疊梁門正立面

倒鉤式鋼結(jié)構(gòu)疊梁門水平方向傳力途徑:外水壓力→疊梁門門葉→閘門主滑塊→閘門軌道。閘門軌道將所受水平推力分散傳遞給與其相連的混凝土結(jié)構(gòu)。豎向通過(guò)各節(jié)疊梁門自身結(jié)構(gòu)自上而下將重力逐節(jié)向下傳遞至底部的閘門底坎及底板混凝土。鋼結(jié)構(gòu)疊梁門每扇閘門由9 節(jié)門葉組成,包含8 節(jié)互換節(jié)門葉、1 節(jié)頂節(jié)門葉,其中互換節(jié)門葉具有互換性。閘門通過(guò)布置于靠面板側(cè)的止水裝置止水,其中互換節(jié)門葉3 邊均設(shè)有止水裝置,分別位于門葉底部及兩側(cè)；頂節(jié)門葉四周均設(shè)止水裝置,分別位于門葉頂部、底部及兩側(cè)。止水裝置通過(guò)閘門自重將各節(jié)門葉底部及頂部止水板壓縮,通過(guò)外部水壓力形成的水平推力壓縮各節(jié)疊梁門兩側(cè)止水板,利用各節(jié)門葉受壓縮的止水板相互連接形成的平面式封閉止水框阻隔外部洪水。施工流程如下。

(1)施工測(cè)量。按照埋件安裝給定的圖紙尺寸,在距離安裝構(gòu)件100 mm 處設(shè)置孔口中心、高程及里程測(cè)量控制點(diǎn)。

(2)底坎及端坎安裝。底坎及端坎底部采用10＃槽鋼支撐,門型設(shè)置,排距為2.50 m。底坎吊裝入孔后,利用千斤頂及拉緊器進(jìn)行調(diào)整、定位。安裝過(guò)程中起吊設(shè)備及測(cè)量人員全程跟蹤,及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整就位后,將底坎與埋件焊接固定,加固完成,復(fù)測(cè)、驗(yàn)收合格后,澆筑二期混凝土。

(3)主軌安裝。主軌安裝前在門槽頂部設(shè)置鋼線吊架,分別在主軌滑道工作面、水封工作面和側(cè)面布設(shè)鋼線,用于軌道安裝時(shí)垂直度、間距、扭曲度等的控制和檢查。軌道安裝時(shí),首先安裝第一節(jié)主軌,先將主軌底部按照測(cè)放的沖眼點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)焊固定,上端部先使用拉緊器進(jìn)行臨時(shí)固定,待第一節(jié)全部吊裝就位后,再利用鋼線進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整完畢后焊接加固,加固時(shí)先焊接搭接筋與預(yù)埋板、搭接筋與軌道的焊縫,再進(jìn)行搭接筋焊接,減少焊接變形影響。其他主軌按照上述工序安裝。

(4)門楣安裝。門楣以下軌道安裝完成后進(jìn)行門楣安裝。門楣吊裝就位后,利用拉緊器、千斤頂、調(diào)整螺栓等調(diào)整門楣與底檻、孔口中心、門槽中心的距離,使之符合施工圖紙要求,然后將門楣與一期混凝土中的預(yù)埋鋼筋焊接牢固。

(5)埋件焊接。閘門埋件安裝完成并檢查合格后,進(jìn)行各連接部位的焊接,不銹鋼材料之間的焊接采用相應(yīng)的不銹鋼焊條,普通材料之間的焊接采用結(jié)構(gòu)鋼焊條。底坎及端坎、軌道、門楣安裝及相互間的焊接完成后,進(jìn)行一次全面檢查,合格后交付,進(jìn)行二期混凝土的澆筑,澆筑過(guò)程中時(shí)刻觀察軌道變化情況。

(6)復(fù)測(cè)、接頭修磨、涂裝、終檢。二期混凝土澆筑完成后,對(duì)預(yù)埋件的安裝結(jié)果再進(jìn)行一次全面檢查,各項(xiàng)檢查數(shù)據(jù)都符合要求后,進(jìn)行各連接部位焊接接頭的修磨工作,使焊接部位與其工作面有同樣光潔度。緊接著進(jìn)行焊縫兩側(cè)及損傷部位的油漆涂裝工作,并妥善保護(hù)不銹鋼面,最后進(jìn)行預(yù)埋件安裝的最終檢查驗(yàn)收。

(7)門葉拼裝。疊梁門閘門門葉分節(jié)運(yùn)到安裝場(chǎng)地后,采用汽車吊將門葉放置在組裝平臺(tái)上,按照設(shè)計(jì)要求完成主滑塊裝置、倒鉤裝置等的安裝,達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后才能進(jìn)行水封等其他組件安裝,并采用相同工序安裝剩余門葉。

(8)水封安裝。水封安裝前進(jìn)行支承部件的安裝調(diào)整,各個(gè)滑動(dòng)支承面應(yīng)當(dāng)調(diào)到同一平面上。安裝閘門門葉的水封裝置時(shí),應(yīng)先將水封按需要的長(zhǎng)度黏結(jié)好,再與水封壓板一起配鉆螺栓孔。橡膠水封的螺栓孔采用專用鉆頭和旋轉(zhuǎn)法加工,其孔徑比螺栓直徑小1 mm。

(9)閘門安裝及拆除。疊梁門門葉的水封裝置安裝完成后,按照編號(hào)自上而下逐節(jié)進(jìn)行吊裝。安裝前應(yīng)先對(duì)底坎、端坎及倒鉤裝置、滑塊裝置等進(jìn)行全面檢查,防止吊裝過(guò)程中出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。第一節(jié)完成后,首先進(jìn)行底部及周側(cè)水封、滑塊等檢查,滿足要求后以相同工序進(jìn)行下一節(jié)的安裝,直至全部安裝完成。閘門各節(jié)門葉下放時(shí)必須注意閘門節(jié)兩端水平,適時(shí)調(diào)整下放速度,避免在下放過(guò)程中造成閘門節(jié)卡在門槽內(nèi)和門槽的損壞。若出現(xiàn)此類情況,則必須立即停止下放,進(jìn)行處理,待閘門節(jié)水平后繼續(xù)下放。疊梁門門葉的拆除與安裝次序相反,拆除后運(yùn)至指定位置堆存。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比該工程導(dǎo)流洞出口度汛圍堰設(shè)計(jì)方案,在滿足度汛要求的前提下:①采用鋼結(jié)構(gòu)疊梁門永臨結(jié)合度汛對(duì)整個(gè)水利工程最經(jīng)濟(jì),但鋼結(jié)構(gòu)疊梁門安裝受吊裝設(shè)備的限制較大；②采用洞內(nèi)混凝土截水墻度汛是施工最方便的,也較為經(jīng)濟(jì),但其受施工工期的約束比較大,若枯水期沒(méi)有足夠施工時(shí)間,將人為加大度汛風(fēng)險(xiǎn)；③采用鋼筋混凝土疊梁門度汛雖然制作便捷,但質(zhì)量相對(duì)較大,安裝拆除吊裝難度相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)疊梁門大；④土石圍堰及混凝土圍堰雖具有普適性,但水文、地質(zhì)條件及實(shí)際工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性影響較大。通過(guò)工程實(shí)踐,采用鋼結(jié)構(gòu)疊梁門度汛,其后布置的集水池基本無(wú)滲水匯集,隔水效果良好,且其經(jīng)濟(jì)性較好。