水口水电厂2号泄水底孔检修门槽修复工程的设计与施工

郑金泰

福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350004

0 引言

水口水电厂大坝为混凝土重力坝。溢洪道布置在河床中间，两侧各设一个深式泄水底孔，承担枢纽工程的泄洪和水库放空任务。泄水底孔采用短管压力流后接明渠方式，进水口为喇叭形，压力段孔口尺寸5m×8m（宽×高），设有5m×9.6m平板式事故检修闸门，出口处设弧形工作闸门。

2003年12月对大坝水工建筑物进行水下检查时，发现2号泄水底孔事故检修左侧门槽钢衬板和闸门钢轨之间严重开裂，开裂处出现较大范围混凝土掏空破坏。2005年8月在关闭检修闸门进行弧形工作闸门检修时，发现破坏进一步发展，事故检修闸门左侧门槽距顶部约 1.0m处发现喷射水流，最大喷水距离约5m，由于渗水量太大，弧形工作闸门检修工作无法进行。曾采用水下拼装焊接钢衬板和浇筑水下混凝土的方案进行水下修复，但由于受水下施工条件限制，施工质量达不到设计要求。

1 修复工程设计

拟采用旱地修复施工方案。在泄水底孔喇叭口前设一道浮体挡水检修闸门（以下简称为浮体闸门），闸门止水橡皮直接压在混凝土面上封水，使门后形成旱地条件，以便进一步查清检修门槽破坏情况，确定可靠的修复方案，并进行下一步修复施工。

1.1 浮体闸门

泄水底孔喇叭口尺寸为7.7m×14.06m，设计浮体闸门封水尺寸8.7m×15m，设计水头47m，总水压力51548 kN。闸门支承跨度8.7m，吊点间距9.7m，闸门宽10.5m、高15.6m、厚1.8m，总重约173t，总浮力约230t。设8个充水舱和6个空气舱，总充水量约89t。闸门分成6节，按设计要求由工厂分节制造，整体拼焊在施工现场进行（见图1）。

图1 泄水底孔剖面图

1.2 测量试探框

泄水底孔封堵工程关键技术是止水，浮体闸门水下安装施工的难度是准确就位。而浮体闸门橡胶主水封必须针对封水坝面的不平度进行专门设计，为确保封堵工程能够安全可靠的一次封堵成功，需对浮体闸门橡胶主水封止水坝面进行不平整度测量。

因此，专门设计一扇具有相当刚度的假门—测量试探框，框的长宽尺寸与浮体闸门相同。在主水封（即闸门支承）位置，沿喇叭口四周长度方向每隔100mm设置一个尼龙棒，共1220个尼龙棒测点。试探框封水面测量宽度为400mm。另外，在试探框顶部角上安装2个水下摄像头。当试探框靠在喇叭口四周坝面上固定好后，由潜水员在水下正对摄像头的坝面上采用射钉枪固定2个醒目的圆形标记。

测深装置安装在钢结构施工平台左右两侧的对称位置。每侧安装钢卷尺和测深装置，用于互相验证。试探框和浮体闸门的水平姿态偏角由左右两侧的测量深度差值来计算和控制。

1.3 浮体闸门水封设计

浮体闸门设两道水封。第一道为橡胶主水封，设置于浮体闸门下游面板周框上，封水中心尺寸约为8.7m×15m。橡胶水封宽280mm，高350mm，端头为R150mm，整体重约6.1t。第二道为辅助水封，位于主水封四周外侧，采用棉毯卷成φ150mm的圆柱形，中心为φ30mm的PVC硬管，用于自动封堵局部小缝隙漏水。

1.4 浮体闸门支承设计

利用橡胶水封的承压力，浮体闸门直接采用闸门四周的橡胶主水封作为支承。

浮体闸门封水尺寸8.7m×15m，承受总水压力为51548kN。水封平均线压强约1088 kN/m。按线压强1088kN/m计算，橡胶水封承受的压应力为3.7N/mm2，满足强度要求。

1.5 检修门槽修复设计

1）原门槽设计

事故检修闸门采用定轮支承。闸门采用下游止水，止水座面设在门槽下游埋件上。门槽采用Ⅱ型门槽。闸门钢轨和反轨按闸门孔口高度的两倍设置，钢轨采用QU120起重机轨和厚度为40mm的钢板（Q235）组合断面，反轨为型钢与钢板的组焊结构。

由于底孔运行水头较高，在设计中采用了一些预防高速水流冲蚀的措施：事故闸门前一段和事故闸门与工作门之间均采用一期钢板衬砌，钢板衬砌和门槽钢埋件焊接在一起，闸门底坎全部采用一期钢板衬砌。

2）门槽破坏情况及原因分析

泻水底孔成功封堵后，对孔内流道破坏情况进行全面检查。门槽钢轨工作踏面上有较多的气蚀凹坑，钢轨轨道和护角钢衬之间的焊缝已经大部分开裂，护角钢衬在门槽底部区域已经脱开钢轨，内部部分二期混凝土被严重淘蚀。

现场分析认为：原门槽钢轨安装施工质量欠佳、钢轨和护角钢衬之间的连接薄弱，是造成门槽破坏的主要原因。

3）修复钢轨优化设计

重新设计门槽钢轨，在钢轨侧加设一个与护角钢板锚固连接的平台，将焊缝连接改为螺栓锚固连接，避免此处的工地焊缝（见图2）。新设计的门槽钢轨在工厂分段铸造，材料选用ZG42CrMo，调质处理。钢轨踏面形状和尺寸均按原设计保持不变，护角通过螺栓与钢轨连接。对修改后的钢轨按150t轮压进行强度验算，各项应力均满足现行规范要求。

图2 门槽剖面图

2 工程施工

整个工程施工分为：前期施工准备、坝面平整度水下测量、浮体闸门制造、大型橡胶水封制造与安装、浮体闸门的就位封孔、检修门槽制造与旱地修复、浮体闸门拆除等。

2.1 前期施工准备

前期施工准备主要完成施工平台的搭设、试探框制作、导向重锤制作和安放、导向绳固定、后拉支架制作及卷扬机安装等。

2.2 水下测量

将试探框下放至底孔喇叭口位置后，通过后拉支架的钢丝绳将试探框收紧，经潜水员水下检查与导向绳核对位置无误后将试探框固定。潜水员在水下将试探框上所有尼龙棒推到接触坝面后拧紧螺钉固定，则所有的尼龙棒端点所组成的面即为混凝土坝面的封水面和支承面。将试探框吊出水面，平放在坝顶经调平后，采用水准仪进行尼龙棒外伸长度测量工作，取得尼龙棒实测的坝面平整度数据，为浮体闸门的水封设计和安装提供依据。

2.3 浮体闸门制造

浮体闸门分6节制作，总重12.3t。按设计要求，每节门叶出厂前密封舱均进行0.6MPa/20min加压试验。

受场地限制，浮体闸门现场拼装采用立式拼焊，先将3节拼焊为一组，再将2组拼焊为整体。对分节拼焊形成的中间舱，按要求进行0.3MPa/20min气密性检查，。整体拼装完成后，对闸门的充水舱和非充水舱均进行0.6MPa/20min水压、气压试验。

最后，将浮体闸门牵引至2号泻水底孔坝前水面后，安装水封和其他附属构件。

2.4 橡胶水封试验、制造与安装

2.4.1 水封试验

委托武汉大学进行大截面橡胶水封试验，并确定浮体闸门的设计水封断面结构及水封材质。根据试验结果，对水封断面结构做了优化设计：水封安装槽两侧夹板随水封也做了相应随形设计；将侧板端与水封接触的内侧角倒成R10的圆弧,以免剪切水封下游侧；水封夹槽内侧与水封间隙为单边2mm。基于水封材质试验，选择相对变形量较大和变化曲线更稳定的DL6674-5橡胶。

2.4.2 水封制造

按设计要求，橡胶水封在厂内制作为整体框形结构，水封接头采用模具热溶接，确保接头的整体连接质量，不留任何工地接头。橡胶水封的随形制造是在水封试验和坝面不平度测量完成后，以设计图为准进行的。

2.4.3 水封安装

将橡胶水封吊放到平卧在库面的浮体闸门上，安装在预设的水封槽内，并用螺栓固定。

2.5 浮体闸门就位封孔

通过水泵和浮体闸门上的充排水管向充水舱缓慢充水、排气，将浮体闸门由平卧调整到直立状态，并使浮体闸门处于零浮力状态。在装好浮体闸门安全绳、测深装置、导向绳及在检修门槽吊放后拉支架后，继续向充水舱内充水，使浮体闸门缓慢下沉。观测安装在施工平台左右两侧的测深装置读数，通过计算测量深度差值来确定充水舱的充水量，达到控制浮体闸门的下沉速度、位置和姿态。确定浮体闸门到达2号泄水底孔处后，收紧浮体闸门安全绳固定。潜水员从检修门槽进入底孔内，将通过后拉支架定滑轮的4条钢丝绳固定在浮体闸门上，由潜水员确定浮体闸门位置、姿态准确无误后，缓慢且同时拉紧4条钢丝绳，使浮体闸门贴在坝面。缓缓开启2号底孔工作闸门，将洞内水排放，在巨大水压力的作用下，浮体闸门紧紧地贴在坝面，就位封孔一次成功，整个封孔用时近5h。经观察，浮体闸门后漏水量小于0.1L/min，且未见变化，完全满足洞内旱地修复施工条件，达到设计要求。

2.6 检修门槽制造与旱地修复施工

2.6.1 新门槽钢轨及配件制造

对钢轨踏面形状和尺寸均按原设计保持不变，护角通过螺栓与钢轨连接。每侧门槽钢轨分为4段，每段2.5 m，两侧共8段，重约5676kg。钢轨、锚固杆件、钢料板制造、加工完成后进行工厂预拼装。

2.6.2 旧门槽钢轨及埋件拆除

将旧钢轨、钢衬板分节切割拆除，发现门槽两侧原一期锚筋存在部分缺失。二期混凝土凿除后，对分界面进行凿毛，同时清除存留的二期锚固钢板上的铁锈。

2.6.3 新门槽埋件、钢轨及钢衬板安装

钢轨埋件安装前，对原缺失的锚筋，按设计图纸要求进行补充埋设。对一期混凝土预埋锚筋的位置、数量进行检查核对无误后，开始钢轨和钢衬板的安装。

每侧门槽钢轨由4节组成，安装时由下而上逐节吊装。钢轨每安装1节均进行门槽中心线距、对孔口中心距、高程、工作表面接合处错位、表面扭曲度等部位的测量和控制，以确保安装精度。

在钢轨预埋件焊接固定后，先进行非直线段的安装。而直线段钢衬板每2m为一段，从下往上安装第一段，待新回填的二期混凝土浇筑完成24h后，再进行上一段的安装。

2.6.4 回填浇筑

新的二期回填C30混凝土，约15m3。

2.6.5 其它项目施工及工程验收

检修门槽后与工作闸门间钢衬板与混凝土间的脱空部位进行环氧灌浆。底孔喇叭口段混凝土表面骨料裸露部分，采用环氧水泥砂浆抹面处理等的施工。

至此，检修门槽修复施工结束。

2.7 浮体闸门拆除

先行关闭底孔事故检修闸门，向孔内充水；后又关闭工作闸门，检修闸门前后全部充水。压力平衡后，浮体闸门开始脱离孔口。接着，用压缩空气排出浮体闸门各充水舱内的水量，浮体闸门缓慢浮出水面。为保护水封，将水封面朝下平浮在水面上，拖至指定地点存放。

3 结论

检修门槽修复后，泄水底孔经历了2个汛期，运行正常。该工程实施的关键是底孔进水口的水下封堵，以形成旱地施工条件。浮体闸门水下封堵的定位，采用重锤、测深装置、水下摄像和后拉支架相结合的定位方式，成功地解决了水下封堵的定位难题。而采用钢轨侧翼增设连接平台、螺栓连接的方案，则有效地解决了闸门主轨与钢衬板之间的连接难题。

[1]水口水电厂#2泄水底孔事故检修门门槽修复工程可行性研究报告.中国水电顾问集团西北勘测设计院，2007，8.

[2]水口水电厂#2泄水底孔浮体闸门水封试验报告.武汉大学，2008，6.