某工程水下坝面平整度测量系统设计及实施

郭富权 ,谭大基, 邢怡芳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

某工程水下坝面平整度测量系统设计及实施

郭富权 ,谭大基, 邢怡芳

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

根据某工程闸门槽缺陷修复的工程实践，介绍了水下混凝土平整度测量方法及系统布置，并对测量框结构设计和关键部位的细部布置做了详细介绍。实施效果证明，采用大截面水封橡皮在进行随形处理后，对不平整度较高的表面实施封水能够满足需要，达到了封水效果。关键词：水下测量;测量系统；平整度；活动吊耳;随形水封;测量分析

1 工程概况

某水电站采用混凝土重力坝。溢洪道布置在河床中间，两侧各设1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5 m×8 m(宽×高)，设有5 m×9.6 m平板式事故检修闸门，出口处设弧形工作闸门。在日常检查中发现泄水底孔事故检修闸门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，危机大坝安全。业主委托作者单位进行底孔事故检修闸门的门槽修复设计。

2 问题提出

本工程中正常蓄水位距离事故检修闸门底坎水头为45 m，属于中压水头，潜水员工作时间不宜过长。经向业主了解以前修复的状态，由于均为水下作业修复，效果不太理想。根据现场实际情况和前期经验，通过综合评价法[1]最终确认事故检修闸门门槽修复采用旱地修复方案。如需创造旱地施工条件，必须设置专用设备将上游水挡住。事故检修闸门为最靠近上游侧的门槽。门槽体形平面布置见图1。

图1 事故检修闸门槽体形平面图 单位：mm

确定旱地施工的方案后，根据水库实际情况，无法把水位降至事故门槽底坎以下，经多方案综合比较后，决定采用一个浮体门[2]在45 m水头下将上游侧孔口外侧完全覆盖，达到封水目的。

浮体门采用大截面橡胶水封[3]作为封水材料并兼作支承。由于没有现成的封水面，只能以混凝土坝面作为封水面。大坝混凝土为大块混凝土浇筑，考虑止水橡皮是直接作用在8.7 m×15 m(宽×高)的混凝土面上，如闸门橡皮止水面在一个平面内，由于受混凝土坝面不平整度的影响，可能一处橡皮已压缩30 mm，另外一处还没压缩，造成局部橡皮压应力过大和止水效果不好的情况。为了达到理想的封水效果，需先测量止水范围内混凝土平面的平整度，根据混凝土坝面的实际平整度设置随形水封橡皮，减小坝面混凝土不平整度对闸门止水橡皮的压应力，达到止水效果。

3 设计方案

大坝混凝土面的平整度测量原理是将上千个可上下游移动的尼龙棒[4]在测量前先调整到同一个基准面，并和大坝面保持一定距离，依次推动尼龙棒和大坝混凝土面接触，所有尼龙棒推出的端点将形成一个平面，认为此平面就是大坝混凝土的实际平面。这样的端点越多，测量的结果越精确。

整个施工分3步实施：

第1步，测量止水橡皮止水范围内的混凝土平整度，考虑误差影响，测量范围比实际止水范围稍大。

第2步，根据测量结果制做随形水封、加工钢结构件。

第3步，落门封堵孔口止水，创造旱地施工条件。

4 测量试探框设计

坝面平整度测量系统主要由测量试探框、坝前钢平台[5]、导向支架、重锤锚、坝顶支承架[6]、手动葫芦、固定卷扬机及测深装置等组成。测量钢平台作为启闭测量试探框的固定卷扬机的支撑平台。坝顶支承架和导向支架约束测量试探框向上游侧运动，重锤锚提供铅直导向。混凝土坝面平整度测量布置如图2。

4.1 设计原则

测量试探框的作用是测量止水范围内混凝土平整度，因此本体质量应越轻越好，可减轻启闭设备容量。测量框大小为9.3 m×15.63 m，测量状态为直立式，读取数据状态为平躺在坝顶。本测量框需考虑吊装[7]的因素，构件应有一定刚度，避免在改变状态时出现高度方向上挠度过大的现象。

图2 混凝土坝面平整度测量布置图 单位：mm

4.2 测量框结构设计

为减轻测量框本体的质量，经比较，采用桁架结构[8]形式，除固定尼龙棒处采用大块钢板外，其他部分均采用工字钢、角钢和连接钢板，在设计中截面高度的选择主要考虑测量试探框吊装时从平躺到直立过程中对刚度的要求。 测量试探框由吊耳装配、侧部结构、中部桁架、顶部结构和底部结构构成。

整个测量框进入水中后对垂直度要求很高，否则影响测量结果。通过理论计算的重心位置会因实际各方面原因存在误差，因此平衡梁上吊耳[9]宜设置为活动式，通过实际情况调整吊耳的位置，保证测量框在水中的垂直度。活动吊耳可调整范围为1 m。在平衡梁上焊接“丁”形板，钢板与平衡梁面板形成空腔，允许吊耳板在内部沿水流方向滑动，并在板上开“U”形孔，用于确定位置后通过螺栓拧紧锁定吊耳位置。活动吊耳施工如图3。

图3 活动吊耳施工图 单位：mm

侧部结构上游侧为整钢板，主要为固定尼龙棒提供支撑位置，并可增加侧向刚度。下游侧为垂直“工”字钢，通过圆钢管连接上下游侧，面板距离“工”字钢距离1.55 m，主要是考虑吊装后整体构件沿长度方向变形的抗变形能力。在高度方向相隔1.2 m设置斜杆连接，增加整体刚度。侧部结构如图4所示。

图4 侧部结构图 单位：mm

顶部结构、中部桁架结构和底部桁架结构采用同样思路和尺寸进行设计，在顶部结构两侧设置1个导向装置，使试探框可按系统中已经设置的导向绳方向行进。

尼龙棒按左右岸方向间距200 mm，高程方向间距100 mm布置，尼龙棒采用直径23 mm、长度500 mm的MC-6尼龙。在面板焊接内径24 mm、外径42 mm、长度70 mm的钢管，并在钢管下游侧安装带手柄螺栓，起到放松和固定尼龙棒的作用，测量试探框共设置尼龙棒1 220个。

5 测量试探框施工

在进行试探框测量时，首先用坝顶门机回转吊将试探框吊出坝面，移动至坝面的钢平台附近，将钢平台上固定卷扬机与试探框连接后，脱开回转吊与试探框的连接。安装导向装置和2套测深装置。2套测深装置：一套主要测量试探框的高程，另一套主要测量试探框本身的平行度。当试探框就位并锁定后。潜水员下水，在试探框左右上角做明显的标记，为以后浮体门落门提供基准。随后潜水员通过2 d时间将各个尼龙棒向上游推动，紧紧贴合坝面，并用锁定螺栓锁紧。在所有尼龙棒全部锁定后，解除对试探框的锁定，将其吊出水面，再利用回转吊吊离水面，放置在坝顶成平躺状态。

6 测量试探框数据分析

在进行数据分析前，我们对试探框选取顶部5排、底部5排、左右侧各5列进行数据读取，测点数共1 220个。数据分析[10]结果如下：

顶部混凝土止水面中部略凸，左右侧基本等高，整个顶止水带全长范围内最高点和最低点差为44 mm。底部混凝土止水面中部略凹，左右侧基本等高，整个底止水带全长范围内最高点和最低点差为43 mm。左侧混凝土止水面有2处局部凹坑，数据差值为35 mm。右侧混凝土止水面中部略凸，顶底侧基本等高，有局部凸台和凹坑。全长范围内最高点和最低点差为103 mm。整个混凝土止水面(宽8.7 m、高15 m)基本在一个平面内，4个角点平均值最高与最低相差20 mm。基本不存在扭曲现象。

7 浮体闸门随形水封

根据上述测量结果，对浮体门水封进行设计和加工[11]，并在现场进行水封局部修补，使水封接触面尽可能接近坝面实体。

8 结 语

通过修补后的水封在经过最后的复测无误后，开始进行浮体闸门的落门封堵，整个过程顺利。封堵闸门就位后，开启弧门放水。

在出口弧门处观测无水流0.5 h后，人下到流道内检查。此封水效果良好，没有看到漏水，达到了设想的设计目标。

根据试探框数据分析，在同一直线段上，最高点和最低点高程差103 mm。采用常规水封的实际封水效果将不容乐观。通过本工程的实施，实际证明采用大截面水封橡皮在进行随形处理后，对不平整度较高的表面实施封水是能够达到的。

底孔进口成功封堵，为事故检修闸门槽修复提供了旱地施工的条件，结果表明，底孔进口周边坝面混凝土不平整度的水下测量系统设计思路新颖，有一定的创新性， 为以后水利水电工程或类似水下流道孔口封堵的设计与施工提供了一次有益的探索。

[1] 江高.模糊层次综合评价法及其应用[D].天津:天津大学,2005：59-61.

[2] 方勇.刘家峡水电站溢洪道增设检修闸门设计研究[J].西北水电,2011(03):76-79 .

[3] 雷艳.大截面承载传力水封的非线性计算研究[J].水力发电学报,2010(02)：228-233 .

[4] 史建设.纤维状凹凸棒增强尼龙6的微观结构及力学性能[J].功能材料，2010(05)：830-832.

[5] 武超.武汉中心工程柱顶后置架空钢平台设计与施工[J].施工技术,2013(18):5-8.

[6] 周明.广州珠江新城西塔塔吊支承架结构承载力研究[J].施工技术,2008(05)：22-25.

[7] 魏成权.大跨度双曲面钢屋盖吊装技术[J].建筑技术,2010(0 2): 110-113.

[8] 周绪红.竖向荷载作用下交错桁架结构的内力计算[J].工程力学,2004(03): 25-30.

[9] 潘文江.大型吊装中设备吊耳设计与验收[J].石油工程建设,2009(03):49-51.

[10] 章婷.标准样片制备的测量数据分析方法研究[J].计算机与数字工程,2010(09): 16-18.

[11] 雷志云.冶金用GYSF水封产品的配方研究[J].润滑与密封,2007(04): 190-193.

Design and Implementation of Measurement System for Flatness of Dam Surface under Water

GUO Fuqua, TAN Daji, XING Yifang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Based on the engineering practice of the gate slot repair, the measurement method and the measurement system arrangement for the concrete flatness measurement under water are introduced. Furthermore, design of the measurement frame structure and detailed arrangement of key positions are described in detail. The practice proves that the sealing rubber in a large section, after being treated for profile following, can satisfying requirement of the water sealing on the surface where unevenness is high, realizing the water sealing effect. Key words: measurement under water; measurement system; flatness; moveable lug; profile-followed water seal; measurement analysis

1006—2610(2016)06—0066—03

2016-08-02

郭富权(1972- )，男，河南省邓州市人，高级工程师，主要从事机械、金属结构设计、研究及运用工作.

TV738

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10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.017