某水电站导流洞出口围堰选型及施工技术

方 琳，赵旭峰，孙家波，李长明，陈 诚

(1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.河南省小流域生态水利工程技术研究中心，河南 开封 475004；3.中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130033；4.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214；5.华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045；6.河南省黄河流域环境保护与修复重点实验室，河南郑州 450003）

水利工程建设中围堰类型主要有钢板桩格型围堰、混凝土围堰以及土石围堰等［1］。工程地质、地形、水文要素、枢纽布置方式、工程造价、拆卸难易程度和施工总进度等不同,围堰选型设计也不相同［2-6］。苗尾水电站导流洞出口采用洞内水下混凝土围堰技术［7］,缩短了施工工期,为导流洞封堵争取了时间；小湾水电站导流隧洞进、出口采用重力式混凝土围堰［8］,保证了施工质量、工期,并节省了投资；三门峡黄河大桥承台围堰采用双壁钢围堰［9］,解决了施工中下沉遇阻等难题；南水北调东线杨官屯河闸的施工采用了灌注桩结合钢板桩围堰［10］,取得了良好效果,其技术创新体现了又好又快的建设理念；金沙江鲁地拉水电站上游过水围堰采用土石-碾压混凝土混合过水围堰［11］,经历3 个汛期过水考验,运行状况良好；糯扎渡水电站3＃导流洞出口下闸时间晚且工期短,采用水下混凝土重力式围堰［12］,克服了其余导流洞动水影响；楠溪江供水工程拦河闸一、二期上下游围堰综合考虑水文地质、地形地貌情况采用砂砾石围堰［13］；绩溪抽水蓄能电站下水库大坝上游围堰采用土石围堰［14］,降低了施工难度、节省了材料、缩短了工期,技术经济效益较好。可见,围堰类型及布置需结合工程实际情况进行合理选择。

某水电站导流洞出口附近河道较窄,底部天然河床宽度为90.00 m 左右,汛期围堰若采用土石围堰则对河道占压严重,施工布置困难,施工导流处理不当极易造成水位壅高,给当地生态带来破坏,并影响工程安全度汛。开展导流洞出口围堰选型及施工技术探究,合理布置导流洞出口围堰是必要的。

1 工程概况

某水电站正常蓄水位1 735.00 m(库容12.15 亿m3,调节库容2.58 亿m3),死水位1 725.00 m,坝顶高程1 740.00 m,坝顶长498.00 m,最大坝高158.00 m,枢纽主要建筑物有挡水建筑物、泄洪消能建筑物、右岸地下输水发电系统等,属Ⅰ等大(1)型工程。坝址所在河谷狭窄,呈基本对称的V 形谷,河床高程1 603.00～1 613.00 m,枯水位1 618.00 m 时的河水面宽度50.00～60.00 m。坝址两岸山体雄厚,地形较齐整,左岸地形坡度35°～55°,其中高程1 635.00～1 645.00 m 为残存的Ⅱ级阶地,最大宽度100.00 m；右岸地形较陡,地形坡度一般为40°～55°,其中高程1 720.00 m 以下为临河陡崖。坝址河床覆盖层厚度5.00～37.00 m,坝线左岸上游分布BT2 堆积体,左岸下游河流拐弯处分布S0 滑坡体。

1＃、2＃导流洞沿水电站左岸平行布置,导流洞全洞段岩性单一、岩体相对较完整,岩体以微风化为主,局部(进出口段)为弱风化。导流洞由进口明渠段、洞身段、出口明渠段和导流洞施工支洞等组成。进口位于坝轴线上游370.00～502.00 m,出口位于坝轴线下游1 080.00～1 160.00 m,两洞洞轴线中心距50.00 m,断面为城门洞形,尺寸11.50 m×15.00 m、中心角120°,采用钢筋混凝土衬砌。导流洞参数见表1,三维模型如图1 所示。

图1 导流洞三维模型

表1 导流洞参数

2 围堰设计

该工程两条导流洞出口围堰防护范围较大,地质条件较差,且处在河流拐弯处。按水文情况及施工安排,该出口围堰施工分为枯水期和汛期两阶段。枯水期围堰挡水水位较低,采用土石围堰连接两侧山体形成封闭基坑进行施工；汛期围堰应考虑围堰施工造成河流断面被压缩后,流速增大引起水流对围堰、河床的集中冲刷以及对导流的影响［15］,故合理选取汛期围堰最优布置形式以满足安全、工期、造价等要求显得尤为重要。

2.1 设计原则

(1)根据导流洞洞口边坡地形、洞口设计特征、河道水文等自然条件,围堰布置不得对原河床过流能力产生较大影响。汛期围堰须具备抵挡20 a 一遇洪水能力,设计洪水流量为6 320.00 m3/s。工程所在流域枯水期为11 月—翌年5 月,汛期为6—10 月。

(2)受疫情影响,工程实际于2020 年2 月29 日开工,因所剩枯水期时间过短,故枯水期围堰调整至2020 年6—10 月汛期结束后的下一枯水期开始施工。2020 年12 月枯水期围堰施工完成,为汛期围堰提供干地施工条件,汛期围堰须2021 年5 月31 日前完成。导流工程工期务必满足总工期要求,同时在保证围堰抵抗设计洪水、防渗等功能的前提下降低工程造价。

(3)围堰布置必须充分利用导流洞洞口地质地形条件,尽量不影响导流洞进、出口建筑物结构,同时方便施工后期围堰拆除、清渣。

(4)围堰设计断面应满足抗滑、抗剪及抗倾覆稳定要求。

(5)综合考虑围堰施工道路和围堰布置对施工交通的影响。

(6)预计和考虑外部条件影响引起的河水壅高、水流冲刷破坏等不利因素影响。

2.2 汛期围堰方案比选

导流洞出口区地形狭长,明渠段布置混凝土底板、边坡和钢筋笼护底等构筑物,且洞口段河道狭窄,围堰布置空间受限。结合1＃、2＃导流洞出口地形地质及出口工程设计特征等实际条件,提出土石围堰、混凝土围堰、钢筋混凝土叠梁门、钢结构叠梁门、混凝土截水墙5 种方案。

(1)土石围堰(方案1)。采用石渣料调整,挡水高度为20.88 m,围堰高度为21.50 m,堰顶宽度7.00 m,迎水侧坡比取1 ∶1.5,背水侧坡比取1 ∶1.2(见图2)。优点:施工方便,结构简单,安全可靠,可就地取材填筑,可利用机械设备直接拆除。缺点:体积较大,河床占压比大,抗冲刷能力弱。

图2 方案1 示意

(2)混凝土围堰(方案2)。挡水高度为20.88 m,顶宽取2.00 m,迎水侧坡比取1 ∶0.1,背水侧坡比取1 ∶0.6(见图3)。优点:体积小、自身防渗效果好。缺点:对地基承载力要求高,需经专业爆破设计、使用炸药进行控制爆破拆除,拆除要求高、专业性强。

图3 方案2 示意

(3)钢筋混凝土叠梁门(方案3)。采用预制装配式钢筋混凝土结构,分19 节预制,长13.15 m,总高15.70 m(见图4)。优点:工程量小、布置占地少,制作便捷,可提前预制,分节安装、拆除,施工简便、工期短。缺点:需准备预制场地制作、堆存,质量相对较大,安装拆除吊装难度相对钢结构叠梁门大,不具有回收利用价值。

图4 方案3 示意

(4)钢结构叠梁门(方案4)。采用9 节倒钩式钢结构平面叠梁门,长13.15 m,总高15.70 m(见图5)。优点:可提前制作、分节安装拆除,施工简便、工期短,可永临结合、重复使用。缺点:需专业厂家制作,尺寸较大,运输不便。

图5 方案4 示意

(5)混凝土截水墙(方案5)。布置于洞内临洞口处,采用C15 混凝土重力式结构,顶宽2.00 m,底宽11.00 m,高15.00 m(见图6)。优点:工程量相对较小,施工方便。缺点:需完成截水墙部位开挖、支护、混凝土衬砌后才具备施工条件,工序多,工期要求高；需经专业爆破设计、爆破拆除。

图6 方案5 示意

分析围堰占压河床比、防渗能力、稳定性、工程造价以及施工工期(见表2),选取有利于该工程汛期施工的最优围堰设计方案。

表2 汛期围堰5 种方案指标对比

当度汛围堰采用土石围堰时,施工工期相对较长,且对天然河床占压比达63.03%,汛期将造成河道水位壅高,影响工程度汛安全。

当度汛围堰采用混凝土围堰时,因其对地基承载力要求高,基础下挖深度大,紧邻河道下挖存在地质条件变化大、透水等风险,故需采取技术措施进行处理,限制爆后粒径,避免阻塞洞口影响泄流,需经专业爆破设计后采用控制爆破拆除,拆除专业性强,且该方案造价是其他方案的2 倍,经济可行性差、风险大。

当度汛围堰采用钢筋混凝土叠梁门时,造价、工期等处于5 种方案中间区域,但受制作材料限制,其单件自重大,受现场吊装条件限制,其吊装难度大。

当度汛围堰采用钢结构叠梁门时,所需构件可通过专业厂家提前制作,构件单件质量较混凝土叠梁门的小,安装拆除吊装相对方便,且工程蓄水后,导流洞封堵时仍可用于出口封堵,可重复使用,造价较混凝土叠梁门低,可行性较强。

当度汛围堰采用混凝土截水墙时,造价最低,所需工期适中,技术、经济优势明显,但该方案受工程开工延后、汛前可利用施工时间不足等影响,在该工程中无法实现。

通过对比分析,结合该工程建筑物布置、现场实际地形地质、水文条件等,经综合比选,选用造价相对较低、安装拆除方便、可重复使用的钢结构叠梁门作为汛期挡水围堰的施工方案最合适。

3 施工技术

钢结构平面叠梁门带有倒钩装置,埋设于混凝土内的门轨与导流洞出口混凝土结构组成挡水体系,阻隔外部洪水,其正立面如图7 所示。

图7 叠梁门正立面

倒钩式钢结构叠梁门水平方向传力途径:外水压力→叠梁门门叶→闸门主滑块→闸门轨道。闸门轨道将所受水平推力分散传递给与其相连的混凝土结构。竖向通过各节叠梁门自身结构自上而下将重力逐节向下传递至底部的闸门底坎及底板混凝土。钢结构叠梁门每扇闸门由9 节门叶组成,包含8 节互换节门叶、1 节顶节门叶,其中互换节门叶具有互换性。闸门通过布置于靠面板侧的止水装置止水,其中互换节门叶3 边均设有止水装置,分别位于门叶底部及两侧；顶节门叶四周均设止水装置,分别位于门叶顶部、底部及两侧。止水装置通过闸门自重将各节门叶底部及顶部止水板压缩,通过外部水压力形成的水平推力压缩各节叠梁门两侧止水板,利用各节门叶受压缩的止水板相互连接形成的平面式封闭止水框阻隔外部洪水。施工流程如下。

(1)施工测量。按照埋件安装给定的图纸尺寸,在距离安装构件100 mm 处设置孔口中心、高程及里程测量控制点。

(2)底坎及端坎安装。底坎及端坎底部采用10＃槽钢支撑,门型设置,排距为2.50 m。底坎吊装入孔后,利用千斤顶及拉紧器进行调整、定位。安装过程中起吊设备及测量人员全程跟踪,及时进行调整。调整就位后,将底坎与埋件焊接固定,加固完成,复测、验收合格后,浇筑二期混凝土。

(3)主轨安装。主轨安装前在门槽顶部设置钢线吊架,分别在主轨滑道工作面、水封工作面和侧面布设钢线,用于轨道安装时垂直度、间距、扭曲度等的控制和检查。轨道安装时,首先安装第一节主轨,先将主轨底部按照测放的冲眼点进行点焊固定,上端部先使用拉紧器进行临时固定,待第一节全部吊装就位后,再利用钢线进行调整,调整完毕后焊接加固,加固时先焊接搭接筋与预埋板、搭接筋与轨道的焊缝,再进行搭接筋焊接,减少焊接变形影响。其他主轨按照上述工序安装。

(4)门楣安装。门楣以下轨道安装完成后进行门楣安装。门楣吊装就位后,利用拉紧器、千斤顶、调整螺栓等调整门楣与底槛、孔口中心、门槽中心的距离,使之符合施工图纸要求,然后将门楣与一期混凝土中的预埋钢筋焊接牢固。

(5)埋件焊接。闸门埋件安装完成并检查合格后,进行各连接部位的焊接,不锈钢材料之间的焊接采用相应的不锈钢焊条,普通材料之间的焊接采用结构钢焊条。底坎及端坎、轨道、门楣安装及相互间的焊接完成后,进行一次全面检查,合格后交付,进行二期混凝土的浇筑,浇筑过程中时刻观察轨道变化情况。

(6)复测、接头修磨、涂装、终检。二期混凝土浇筑完成后,对预埋件的安装结果再进行一次全面检查,各项检查数据都符合要求后,进行各连接部位焊接接头的修磨工作,使焊接部位与其工作面有同样光洁度。紧接着进行焊缝两侧及损伤部位的油漆涂装工作,并妥善保护不锈钢面,最后进行预埋件安装的最终检查验收。

(7)门叶拼装。叠梁门闸门门叶分节运到安装场地后,采用汽车吊将门叶放置在组装平台上,按照设计要求完成主滑块装置、倒钩装置等的安装,达到设计标准后才能进行水封等其他组件安装,并采用相同工序安装剩余门叶。

(8)水封安装。水封安装前进行支承部件的安装调整,各个滑动支承面应当调到同一平面上。安装闸门门叶的水封装置时,应先将水封按需要的长度黏结好,再与水封压板一起配钻螺栓孔。橡胶水封的螺栓孔采用专用钻头和旋转法加工,其孔径比螺栓直径小1 mm。

(9)闸门安装及拆除。叠梁门门叶的水封装置安装完成后,按照编号自上而下逐节进行吊装。安装前应先对底坎、端坎及倒钩装置、滑块装置等进行全面检查,防止吊装过程中出现卡阻现象。第一节完成后,首先进行底部及周侧水封、滑块等检查,满足要求后以相同工序进行下一节的安装,直至全部安装完成。闸门各节门叶下放时必须注意闸门节两端水平,适时调整下放速度,避免在下放过程中造成闸门节卡在门槽内和门槽的损坏。若出现此类情况,则必须立即停止下放,进行处理,待闸门节水平后继续下放。叠梁门门叶的拆除与安装次序相反,拆除后运至指定位置堆存。

4 结语

通过对比该工程导流洞出口度汛围堰设计方案,在满足度汛要求的前提下:①采用钢结构叠梁门永临结合度汛对整个水利工程最经济,但钢结构叠梁门安装受吊装设备的限制较大；②采用洞内混凝土截水墙度汛是施工最方便的,也较为经济,但其受施工工期的约束比较大,若枯水期没有足够施工时间,将人为加大度汛风险；③采用钢筋混凝土叠梁门度汛虽然制作便捷,但质量相对较大,安装拆除吊装难度相对钢结构叠梁门大；④土石围堰及混凝土围堰虽具有普适性,但水文、地质条件及实际工程结构特点对其经济可行性影响较大。通过工程实践,采用钢结构叠梁门度汛,其后布置的集水池基本无渗水汇集,隔水效果良好,且其经济性较好。