组合式钢围堰封堵技术在洋河水库泄洪洞加固工程中的设计及应用

2022-12-29张云涛

河北水利 2022年10期

□张云涛

洋河水库除险加固工程包含泄洪洞闸门埋件、闸门更换，需在洞内进行修复作业。洋河水库以防洪为主，兼顾城市供水、下游灌溉，水库还需保持一定高度水位，为确保泄洪洞闸门埋件、闸门更换洞内修复作业能顺利进行，洋河水库泄洪洞加固施工采用组合式钢围堰封堵技术，达到泄洪洞内干场施工的目的。组合式钢围堰能更安全、有效地将泄洪洞过水洞口进行封堵，拆卸方便、制造简单，通过计算与验证就能制作施工，缩短工期，为顺利如期完工提供有力保障。

1.工程概况

洋河水库位于河北省秦皇岛市抚宁区大湾子村北，坝址位于洋河干流上，控制流域面积755km2，总库容3.86亿m3，为大（2）型水利枢纽工程。水库任务以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉及发电等综合利用。工程等别为Ⅱ等，其主要建筑物主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水隧洞进水口及西干渠放水洞为2级，施工期间水库水位保持在50m以下。

洋河水库兼顾城市供水和下游灌溉，施工过程中水库需留存一定量水源，其留存水源水位高度已超过泄洪洞洞顶高度，因此在更换泄洪洞进口闸门、闸门埋件、洞身修复过程中需对洞口进行封堵，经综合考虑为保证洞内干场作业，采用临时钢围堰封堵的措施。

2.泄洪洞进口钢围堰结构设计

钢围堰封堵分为两部分，第一部分封堵高程▽37.0m～42.0m的过水洞口，为喇叭口形状；第二部分封堵喇叭口上部高程▽43.0m～52.0m的开敞式洞口顶板。

2.1 过水洞口封堵

通过查询原设计图纸及水下潜水探摸，过水洞口为喇叭口，进口宽6m、高5m，渐变至宽3.5m、高3.5m进水洞口。封堵采用组合式钢围堰形式，支撑在进口喇叭口混凝土顶板及混凝土底槛处，平板钢围堰高5.45m。钢围堰放置在▽37.0m混凝土底板上，钢闸门顶高程为42.45m。每个闸门顶设置塑料限位压缩块3块，长×宽×厚（600mm×100mm×40mm），为防止过水洞口混凝土顶板边缘在闸门水压力作用下将混凝土结构压碎，故将塑料限位压缩块向洞口边缘向上提高15cm，即所在高程为（▽42.15m～42.25m），该部位为钢筋混凝土结构，受力钢筋为Ф25@165mm，分布钢筋为Ф12@250mm，钢筋混凝土结构能够满足受压支撑使用。

因波浪爬高、安全系数及施工期不确定因素，钢围堰设计时水库水位按52m考虑。

封堵钢围堰尺寸确定为5.86m×5.45m（宽×高），设计为平面钢闸门，制作为2扇，每扇尺寸为2.93m×5.45m（宽×高），面板采用10mm厚钢板，门叶厚度600mm。在洞口部分可简化为钢闸门作用在钢筋混凝土顶板与底槛之间简支板梁，简支板门叶长度为5.45m，分为两扇闸门，两扇闸门均设置底水封、顶水封。

根据类似设计方案，采用如下结构设计：主梁腹板厚度为10mm，腹板高度600mm，腹板长度为5305mm，腹板间距为710mm，主梁后翼缘板采用250mm宽、20mm厚钢板。次梁顶腹板厚度为20mm，腹板高度600mm，腹板长度为2870mm。次梁顶翼缘板厚度为20mm，宽度为300mm，长度为2530mm。次梁底腹板厚度为20mm，腹板高度600mm，腹板长度为2870mm，次梁底翼缘板厚度为20mm，宽度为220mm，长度为2530mm。每两个次梁中间设置槽钢次梁，槽钢为[20,长度为710mm，居中布置。边梁腹板厚度为20mm，高度为600mm，腹板长度为5450mm，翼缘板厚度为20mm，宽度为200mm，长度为5450mm。其它部位腹板厚度为10mm。

2.2 泄洪洞喇叭口平面钢闸门强度校核计算

静水压力作用于闸门面板，喇叭洞口上缘支撑点高程为42.25m，水库水位按52m计算，洞口上缘按水深9.75m，洞口下缘按水深15m（喇叭洞口底板混凝土高程为37m）分别计算静水压力。

洞口上缘静水压力为9.75t/m2,洞口下缘静水压力为15t/m2,为简化计算取单宽1m钢平面闸门面板，静水压力作用在钢闸门面板合力为直角梯形。

2.2.1 单位宽度洞口上缘所受压力

2.2.2 单位宽度洞口下缘受压力

2.2.3 喇叭口底板钢围堰最大弯矩

钢围堰矩形荷载最大弯矩M1：M1=qL2/8=9.75×5.25×5.25/8=33.59t·m。

钢围堰三角形荷载最大弯矩M2：M2=5.25×5.25×5.25/9/1.732=9.28t·m。

合计弯矩：M合=M1+M2=33.59+9.28=42.87t·m。

2.2.4 腹板高度

翼缘板暂取宽250mm、厚20mm，钢材容许应力1700kg/cm2。

图2 底槛布置剖面图

钢围堰腹板高度h腹=42.87/(25×2×1.7)=0.504m,取60cm,

腹板厚度按照:梁腹板经济厚度δ经=7+3h/1000（mm）=7+3×600/1000=8.8mm

梁腹板厚度δ取10mm。

2.3 泄洪洞喇叭口底板底槛设计

为保证平面钢闸门受力良好及泄洪洞进口喇叭口封堵效果，需设置钢筋混凝土结构底槛，施工方案如下：采用300mm高竖向钢板，水平钢板进行支撑，加强板进行后撑，在水平钢板上面进行开孔，开孔直径为Ф34mm，两排孔中心间距为300mm。在加工厂焊接制作完成后吊装至水下，根据开孔位置，在水下钢筋混凝土底板钻孔注入环氧砂浆插入锚筋，锚筋采用Ф28mm螺纹钢筋进行现场制作并锚固，钢筋的抗拔力满足要求。底槛布置平面图见图1，底槛布置剖面图见图2。

图1 底槛布置平面图

锚筋数量。锚筋采用Ф28mm钢筋，单根钢筋抗剪强度：τ=6.15×950=5.84t

经计算，洞口单位宽度1m下缘受压力为34.78t，单个闸门宽度为2.93m，合计压力为101.91t。

单个闸门锚筋最少根数：101.91÷5.84=18根，两个闸门锚筋根数为36根。

在钢板上开孔47个Ф34mm孔位安装锚筋，满足需要。

2.4 泄洪洞喇叭口以上部分闸室侧墙安全校核计算

2.4.1 侧墙弯矩及受力计算

正常运行时，最大水深为9m，沿水平方向取单宽1m断面进行计算，此处侧向水压力为9t/m。板的外伸长度为2.46m。

闸室侧墙固端最大弯矩：Mmax=qL2/2=9×2.46×2.46÷2=27.23t.m。

2.4.2 混凝土抵抗弯矩计算

混凝土达到抗拉强度的极限弯矩：Ml=1.05γRl×bh2/6

式中：

γ—受拉区混凝土的塑性系数，取1.54；

Rl—混凝土抗拉强度，200#混凝土取13kg/cm2；

b—混凝土板梁宽度，取单宽1m；

h—混凝土板梁厚度，取0.6m（1m厚侧墙减去0.4m闸门槽深度）。

计算得出：Ml=1.05×1.54×0.013×1×60×60/6=12.61t.m＜27.23t.m，由此可见，不能满足抗弯要求，需在悬臂板梁端部加置钢管支撑。

闸室侧墙支撑后固端最大弯矩：M2max=ql2/8=9×2.46×2.46÷8=6.81t.m。

闸室侧墙支撑后中间最大弯矩：M3max=9ql2/128=9×9×2.46×2.46÷128=3.83t.m。

闸室侧墙支撑点简支端受力：FA=3ql/8=3×9×2.46÷8=8.3t。

闸室侧墙根部受力：FB=5ql/8=5×9×2.46÷8=13.84t。

固定端梁安全系数：K1=12.61/6.81=1.85。

2.4.3 喇叭口钢管支撑计算

采用DN150钢管从过水洞口37m～43m高程设置3根钢管，43m高程至钢围堰顶间距按1m、1m、1.5m、1.5m、2m、2m支撑两侧混凝土结构，共计10根钢管。

钢材的抗拉、抗压和抗弯容许应力为1700kg/cm2。

C=πd=3.14×15=47.1cm,钢管壁厚为4.5mm，截面积为：S=47.1×0.45=21.19cm2。

每根钢管容许抵抗应力为：21.19×1.7=36.02t。钢管容许应力满足要求。

3.泄洪洞喇叭口顶板以上部分钢围堰结构设计

泄洪洞喇叭口顶板以上部分钢围堰采用半圆拱形钢围堰。围堰两侧支撑在闸室两侧混凝土立墙上，两个支点受压，取单宽1m钢板，钢围堰底高程为43.0m，钢围堰在立墙上两个支撑点间距为4.9m。

圆拱形钢围堰型式。泄洪洞喇叭口进口混凝土顶板长为4.5m（上下游方向），宽为7m（左右方向），拟在顶板上面放置半径为2.45m拱形钢围堰，满足放置要求。受力钢筋为Ф 25@165mm，分布钢筋为Ф12@250mm，钢筋及混凝土抗压强度满足要求。

3.1 拱形钢围堰受力计算

拱圈最大轴向压力为：N1=（52-43）×1×4.9÷2=22.05t。

钢围堰排水体积V=πr2h/2=3.14×2.45×2.45×9÷2=84.82m3。

产生浮力F浮=ρV=84.82×1.0=84.82t。

经计算喇叭口箱体混凝土重G重=124t，箱体所受的浮力F浮=70.71t,拱形钢围堰重量G钢=7.268t，为防止箱体上浮，需混凝土预制块配重。

混凝土块配重：G配=84.82+70.71-7.268-124=24.26t。

混凝土预制块拟采用1.5m×1.5m×1m尺寸，水中单重3.15t，配置10块。

混凝土预制块重量：G重=3.15×10=31.5t＞24.26t，能够保证混凝土箱体不上浮。

选用I16工字钢作为拱圈，截面积为26.1cm2,可承载压力F压=26.1cm2×1.7t/cm2=44.37t。

安全系数K=44.37÷22.05=2.01。

拱形钢围堰面板采用8mm厚钢板。

翼缘板与闸室混凝土结构接触部位焊接[20槽钢，槽钢内安装P型橡胶止水。其中两侧槽钢里侧支腿进行切割2cm，焊接2cm厚、3cm宽钢板，钢板支撑在混凝土上。

两侧与混凝土接触面积为：3×900×2=5400cm2。

原混凝土设计标号为200#混凝土，混凝土抗压强度为0.2t/cm2,则总承受抗压力为5400×0.2=1080t。

因此通过设计成槽钢支腿切割焊接成钢板后足够承受压力，且P型止水不会受压撕裂混凝土也不会被破坏，满足要求。

3.2 喇叭口顶板压重后受力计算

喇叭口顶板拟放置钢拱形围堰及配重块，混凝土预制块拟采用1.5m×1.5m×1m尺寸，水中单重3.15t，配置10块。其中作用在顶板混凝土预制块重量：G重=3.15×6=18.9t，单位面积最大重量为6.3÷（1.5×1.5）=2.8t/m2,取单宽1m，最大线性荷载为2.8t/m,顶板最大跨度为6m。

混凝土达到抗拉强度的极限弯矩Ml=1.05γRl×bh2/6

式中：

γ—受拉区混凝土的塑性系数，取1.54；

Rl—混凝土抗拉强度，200#混凝土取13kg/cm2；

b—混凝土板梁宽度，取单宽0.75m；

h—混凝土板梁厚度，取1m。

计算得出混凝土抗拉极限弯矩：Ml=1.05×1.54×0.013×0.75×100×100/6=26.28t.m＞8.4t.m，故喇叭口顶板压重后能够满足要求。

3.3 钢围堰P型止水压缩试验

考虑混凝土接触结构不平整度，P型止水可压缩2cm，经过对P型止水进行压缩试验，施加10.62t压力即可压缩2cm，根据受力计算，钢围堰拱圈最大轴向压力为22.05t，压力超过10.62t后，工字钢、槽钢进行支撑受力。

4.闸门封堵

泄洪洞进口现有场地限制，利用浮船作为平台进行吊装操作，利用浮船卷扬启闭机，人工配合卷扬机对封堵钢围堰进行吊装封堵。钢围堰采用两个吊点同时吊装，沿洞口混凝土结构同时缓慢放下，潜水员在水下配合，将钢围堰放入到贴合混凝土结构部位，再将钢围堰就位找正，保证围堰位置准确，满足封堵要求。

钢围堰安装完毕后，潜水员检查钢围堰是否准确就位，查看钢围堰有无变形和碰损等情况，打开进口事故检修闸门，再打开工作门，第一次开度不大于10cm，观察进水塔闸门井水位变化情况，若变化极慢，可适当加大出口闸门开度，待洞内水放空后，初步判定封堵钢围堰漏水情况，局部漏水部位由潜水员用棉被进行水下漏水处理，封堵完成后观察两天，满足要求后即可进行洞内施工作业。