水电站导流洞封堵闸门下闸准备关键技术探讨

2020-08-28刘兴胜祁英明

水电站机电技术 2020年8期

黄伟，刘兴胜，祁英明

（华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙·里底水电工程建设管理局，云南维西674606）

0 引言

在水电站施工过程中，导流洞下闸封堵、水库蓄水是电站建设的一个重要节点工程，但对于大型水电站工程，特别是大孔口、高水头导流洞的下闸封堵技术要求高，水下情况复杂，施工难度仍然相对较大[1]，风险较高。导流洞过流时间一般较长，经历高速水流冲刷、推移质磨蚀后，封堵闸门门槽、底坎及底板容易产生破坏，严重者可能影响电站下闸蓄水和投产发电目标的实现，许多电站采取了门槽保护、探摸等技术措施，取得了较好的效果，但同时也存在一些问题。本文结合乌弄龙水电站导流洞封堵闸门安装过程中出现的问题及处理措施，从设备布置、设计及安装三个方面，对水电站导流洞封堵闸门下闸准备关键技术进行探讨。

1 工程概述

乌弄龙水电站在河床左岸布置2 条施工导流洞，每条导流洞进口设置1 孔封堵闸门，底坎高程1 813.00 m，孔口尺寸11.5 m×15.5 m，设计挡水水头93 m，总水压力55 058 kN，采用平面焊接钢闸门，滑动支承，动水下闸，下闸水头8 m，允许动水提门水头≤21 m。门槽型式采用Ⅱ型，宽2 m，深1.25 m，宽深比为1.6。导流期间，为了保护门槽，在门槽周围进行了钢板衬砌，底板和上下游钢板衬砌宽度共7.27 m，其中底坎宽3 m，上下游钢衬分别宽2.27 m和2 m；距底坎6 m 高范围内门槽上下游侧墙衬砌分别宽1.25 m 和3 m。为防止导流期间推移质进入门槽，在门槽凹槽内设门槽保护框。每扇闸门由1台2×5 000 kN-30 m 固定卷扬式启闭机操作。

导流洞于2013 年12 月底过水，2018 年11 月上旬下闸，过流时间近5 年，经历5 个汛期，超出原设计过水历时，属于超期服役。2017 年7 月发生近20 年一遇大洪水，流量5 560 m3/h。

图1 导流洞闸门及启闭机布置剖面图

2 门槽保护设计与问题处理

2.1 门槽保护框设计

在门槽底部1 813.00～1 829.00 mm 高程设有门槽保护框，保护框主材为板厚20 mm的Q345B钢板，主体为0.96 m×2.0 m×16 m 箱形结构，箱体有效高度内侧为16.3 m，外侧为16 m，箱体内每隔0.5 m 高度布置一道隔板，隔板中央开设腰形漏水漏沙孔，每侧的保护框由4 节组成，节间通过高强螺栓联成整节，总重23.6 t。顶节设吊耳，吊耳两侧安装2 块橡胶盖板，防止杂物落入框内及门槽的空腔内。在背板两侧各设1 条卡板，与门槽主反轨上预设的卡板配合，将门槽保护框卡在门槽内，两卡板间隙为10 mm。保护框迎水面的上下游侧设置拦沙水封。

图2 门槽保护框剖面图

2.2 问题及处理

（1）门槽保护框卡阻处理

2018 年6 月门槽保护框开始拆除，在启闭机安装平台布置500 kN 临时卷扬系统，先拆除1 号导流洞右侧保护框，存在卡阻现象，卷扬机超容量启吊后才将保护框提出孔口，发现底部沾有30 cm 高的混凝土，箱体内被河沙、淤泥填满。拆除左侧保护框时，更换了卷扬系统，启闭力增大至1 000 kN，数次超容量启吊都未能将保护框提出。结合右侧保护框出现的情况分析，导流洞过流后，闸门井进行了混凝土浇筑，由于保护框顶部橡胶盖板设置不合理、混凝土施工防护措施不到位等原因，混凝土砂浆不慎进入保护框与门槽空腔，在底坎上堆积，将保护框与门槽凝结成一体，导致卡阻无法提升。经研究后，制作12 m 长、承载力为2 000 kN 的拉杆连接保护框，在1 861.00 m 闸门安装平台布置2 根锁定梁作为顶升平台，利用4 台100 t 千斤顶顶升拉杆，将保护框提松后提出，发现底部沾有70 cm 高的混凝土，强度和硬度较高，对比分析后认为门槽底部应该还残留混凝土，将会影响闸门下闸到底，需提前处理。

（2）门槽混凝土水下处理

为解决门槽底槛残留混凝土，利用拆出的门槽保护框改造成导流洞门槽水下混凝土清渣装置，该装置由下水通道、保护框、工作舱3 部分组成（具体见图3）。下水通道由内径为Φ0.9 m 的钢管和爬梯组成，工作时下水通道上部管口露出水面；保护框由面板、侧板、背板、隔板、爬梯、卡板和水封组成，保护框在起落过程中及下落到底坎后，通过保护框背部的卡板与门槽上预设的卡板的卡接作用，将装置导入并固定在门槽凹槽内，防止被水流冲走，隔板开设腰型人孔作为潜水员上下通道；水下工作舱由面板、水封组成。装置下落到底后，在面板和拦沙水封共同作用下，将装置内部与外部的水流隔断，装置内部形成一个水流相对静止的密闭空间，潜水人员通过下水通道、保护框和水下工作舱内的爬梯，安全下潜到水下工作舱，对门槽底部混凝土等进行清理。该方法利用现有设备改造，简单高效，取得了很好的效果，为门槽探摸和下闸争取了的时间。

图3 门槽水下清渣装置

3 门槽探摸

3.1 探摸门设计

水下探摸时间选取10 月下旬，探摸门设计时按流量≤800 m3/s、水头≤16 m 进行刚度、强度计算。主体材料采用板厚为32 mm 的Q345C 钢板，总重68 t，宽13.55 m，厚1.86 m，高8 m，分两节制作，其中，宽度与闸门一致以达到探槽的目的；边梁为潜水员上下通道，考虑潜水员穿上潜水服后能自由上下，截面尺寸设计为1.86 m×1.2 m（净空1.5 m×0.82 m）；底梁为检查舱，是潜水员水下探摸作业的工作场所，考虑潜水员穿上潜水服后能在舱内方便行走和施工作业，截面尺寸设计为1.9 m×1.86 m（净空1.69 m×1.2 m），两边梁上部采用箱形联系梁连接；主滑块与封堵闸门型号相同，边梁上游面设定位板，其主要作用是防止闸门左右摆动，与左右门槽反轨护角各留10 mm 间隙。

3.2 门槽探摸

根据电站下闸蓄水计划，导流洞下闸时间定在2018 年11 月7 日，因此门槽探摸需在2018 年10月底全部完成。探摸期电站来水较往年偏大，流量约1 000 m3/s，已超过探摸门设计值。在两边梁顶各焊接1 根内径为Φ0.9 m，高度为5 m 的钢管，确保管口露出水面，加高探摸门，保证潜水员上下安全。经多次尝试，探摸门依靠自重始终无法下落到底，增加了35 t 配重才顺利下落到底，潜水员进入探摸门下潜到水下，对门槽及底坎进行了水下探摸检查，结果表明，门槽及底坎没有破坏，底坎没有淤积，满足下闸条件。

4 闸门及启闭机安装问题与处理

闸门为平面焊接钢闸门，分10 节制造运输，每节门叶为箱型梁结构，节间采用腰带板在工地焊接成整体。2 台启闭机额定启门力2×5 000 kN，起升高度30 m，分别利用龙开口水电站2×5 000 kN-80 m 和2×6 300 kN-80 m 固定卷扬式启闭机改造而成。

根据施工进度计划安排，门槽探摸和闸门安装必须平行施工，否则工期不能满足下闸要求，而安装工位只有一个，为了解决工位问题，研究采用了双工位方案，在闸门井1 837.00 m 安装平台上游侧埋设钢板，浇筑混凝土安装墩，增加一个安装工位（前提是空间足够），用来组装闸门，门槽孔口腾出给门槽探摸。门槽探摸完成后，将固定卷扬机机架下游侧加长，利用滚杠和千斤顶将启闭机整体向上游平移至新的安装工位闸门上方，联接闸门起吊后，再将启闭机和闸门整体平移至下闸位置，创新采用了闸门及启闭机整体平移方案，取得了很好的效果。

电站导流洞于2018 年11 月7 日顺利下闸，进入导流洞检查，发现闸门止水效果良好，门槽主反轨、底坎及钢衬完整，无明显冲蚀、破坏情况，下闸成功。

5 探讨与思考

5.1 设备布置探讨

（1）启闭机布置

乌弄龙导流洞未布置启闭机排架，启闭机安装在闸门井上方，对闸门及探摸门组装造成不便：须待闸门、探摸门吊入闸门井组装后，才能安装启闭机，否则启闭机安装后，挡住闸门井孔口，闸门及探摸门将无法吊入闸门井；而探摸门如需转至另一孔，必须解体，以散件形式从孔口空档吊出，重组工作量大。建议在条件允许的情况下，仍宜考虑采用启闭机排架方案，启闭机安装不受汛期等外界条件制约，可以提前在排架上安装，闸门和探摸门吊装不受启闭机占位孔口的影响。虽然从表面看增加了排架投资，但设备安装时序的灵活性大大提高。

（2）闸门安装双工位布置

乌弄龙导流洞门槽探摸和闸门安装工期非常紧张，采用了双工位平行施工方案，前提条件是闸门井空间足够布置双工位，具有一定的偶发性，并非设计本意。借鉴乌弄龙电站经验，对于门槽探摸完成后需立即下闸，探讨双工位布置方案，将顺序施工转化为平行施工，即探摸门组装及门槽探摸与闸门安装平行施工，因闸门安装不受汛期制约，灵活性大，可提前安装。具体实施方法：导流洞进水塔结构设计时，适当加大闸门井上下游尺寸，在顺水流方向再增加一个工位，孔口工位用于探摸门组装及门槽探摸，另一个工位用于闸门安装，平行施工互不干扰，门槽探摸完成后，启闭机联接闸门整体平移至下闸位置，可节省工期约3 个月，设备布置及启闭机设计时需考虑具备上下游平移条件。

5.2 门槽保护探讨

（1）门槽保护的必要性

门槽保护装置的主要作用：一是保护框与门槽的主反轨过流面搭接在一起，形成一个较平顺的过流面，有利于改善门槽段过流流态；二是保护门槽主轨和反轨工作面，避免长期遭受水流冲刷、推移质撞击及泥沙磨蚀；三是防止泥沙、悬移质等淤积在门槽内，影响门槽探摸和闸门下闸。查阅相关文献，导流门槽损坏主要集中在底坎及底板，而门槽一般不会出现问题，相反，门槽保护装置卡阻、破坏的电站比较多[2-5]，主要原因有：①一些早期的水电项目，设计经验不足，保护装置设计不合理；②导流洞是水电站施工较早的项目，施工、监理及业主单位金结专业人员很难配齐到位，而土建专业管理及技术人员往往重视程度不够，防护不到位，施工时容易导致混凝土砂浆、建筑垃圾等杂物进入框内造成卡阻；③有些导流洞过流时间长，环境恶劣，保护装置长期受上游漂木、滚石等撞击，损坏、冲毁。目前第①点原因已基本不存在，第②、③点还较难以防范。而门槽保护装置一旦卡阻或损坏，如果不能顺利提出，需潜水员水下切割等处理措施，因保护装置处于水下，流速较大，施工难度非常大，漫湾水电站和拉西瓦水电站分别历时6 个月和4 个月才完成处理工作，影响电站按期下闸。

而很多水电站导流洞未设置门槽保护框，如龙羊峡、公伯峡、黑河金盆水库、黄石滩水库、王圪堵水库等，经水下检测，门槽两侧没有淤积、破坏记录，下闸顺利[5]。随着水电站设计、施工水平的不断提高，建设周期越来越短，导流洞过流时间也较以前减少，门槽受损机率相应减少。也有相关专业人士认为导流洞门槽设置保护框本身存在很大风险，风险比不设保护框可能更大[2]。是否设置保护框，应该慎重，笔者建议结合电站所处河段水文特征、导流洞布置位置、过流时间、水头、流速和流量等因素，综合考虑。

表1 水电站导流洞门槽保护装置卡阻、损坏情况统计表

（2）底板预防措施

导流洞门槽在多年过水后，损坏最严重的大多是底板，而底板又无法保护，建议在底板设计、施工时采取预防措施：①底坎设计时，增加结构强度和钢板厚度，必要时采用抗冲耐磨性能好的钢板；②严格控制底坎、底板钢衬制造安装质量，尤其是加强锚固筋的焊接质量；③适当增加底坎上下游钢板衬的保护范围，同时应防止底坎及钢衬砌二期混凝土回填时出现脱空，设计底板灌浆处理措施；④采用抗冲耐磨混凝土，提高底板混凝土施工质量。笔者经历的里底、乌弄龙和糯扎渡3 座澜沧江上的大型水电站，采用了以上预防措施，取得了很好的效果。

5.3 门槽探摸相关问题探讨

（1）门槽探摸的必要性

导流洞过流速度较大，水质较浑浊，即使门槽部位出现不同程度的冲蚀、破坏等情况，仅从水面是无法感观和了解的，如果贸然下闸，容易造成下闸困难或失败，加剧门槽及底板的破坏，严重的可能影响电站蓄水和投产发电里程碑目标的实现。为确保下闸一次成功，减少下闸封堵等施工风险，笔者认为有必要在下闸前制造探摸门，潜水员水下探摸检查，发现问题提前处理，保证下闸的成功率，投入虽少，但作用很大。

（2）门槽探摸时机选择

门槽探摸时机有三种选择：①汛前探摸。门槽将再经历1 个汛期冲刷，可能发生变化，探摸作用打折扣；②汛中探摸。流量大、流速和水头高，存在探摸门难以下到底、探摸风险高等问题；③汛末或枯水期探摸。风险小，探摸效果好。如果工期允许，建议在汛末或枯水期探摸。

（3）探摸门设计、制造

目前业内导流洞下闸施工招标文件一般要求探摸门由施工单位设计和制造，而施工单位普遍存在设计能力偏弱、经验不足、现场制造水平偏低等问题，探摸门下水试探过程其实质就是单节闸门动水下闸，存在门顶和门底同时过流情况，探摸门处于紊乱的脉动水流中，工况复杂，如果探摸门设计和制造质量不高，难以满足导流洞大流速、高水头下探摸要求，建议探摸门由工程设计单位设计，与封堵闸门一并招标采购。

（4）门槽水下清渣装置

结合乌弄龙电站门槽凹槽底部混凝土水下处理，可以考虑在门槽主反轨上预设卡板装置备用，一旦发现门槽凹槽底部淤积混凝土、建筑垃圾等杂物需要提前水下处理，而受水流流量、流速、水头和现场安装条件等限制，探摸门尚不具备条件下水时，制作门槽水下清渣装置，对门槽凹槽底部堆积物进行处理。该装置的优点：体积小，所有部件布置在门槽的凹槽内，挡水面积小，水压力小，通过自重可以顺利下落到闸门底坎上。

（5）简易试探框方案

由于流量大、流速高、水头高等原因，不具备潜水员下水探摸条件时，可以考虑简易试探框方案。设计制造试探框，采用桁架结构，减少挡水面积和水压力，减少支承和水封摩阻力，易于下落到底，试探框外形尺寸与封堵闸门一致，利用试探框模拟闸门边梁底部、底水封与底坎的接触，在边梁、转角水封处、底水封预先装设与底水封相似的胶皮，在胶皮上每隔20 cm 装设压缩量为5 mm 的探针装置（用小铁钉由下往上楔入底部胶皮内，外露5 mm），下落到底后将试探框提起，观察探针在胶皮上的楔入状态，若全部完全楔入，则表明试探框已落到底，且底坎未损坏，若探针全部没有楔入或部分楔入，则分析是试探框未落到底，或是底坎损坏，还是门槽内有障碍物，然后采取相应对策。