歐陽志平

(三明市水利水電工程有限公司，福建 三明 365000)

本次水電站工程中的導(dǎo)流洞封堵方案，由三明市水利水電工程有限公司提出。依據(jù)現(xiàn)場情況，導(dǎo)流洞封堵門下閘后，由于庫底的庫容不大，水很快會(huì)上漲淹沒道路，這樣對(duì)下閘后起吊設(shè)備的拆除、撤退影響很大，有可能會(huì)造成部分滑車組及綁扎的鋼絲繩等工具無法安全撤離。在我國，傳統(tǒng)的針對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)研究中，主要依靠堵頭施工進(jìn)行，并未結(jié)合相關(guān)的應(yīng)力分析，因此，實(shí)際應(yīng)用中的封堵效果遠(yuǎn)不如預(yù)期，造成施工軸力低的問題[1- 2]。大壩導(dǎo)流洞下閘封堵蓄水是水庫投入運(yùn)行的一個(gè)重要階段，封堵工作成功與否，事關(guān)全局，所以封堵工作既是一項(xiàng)非常重要的工程，也是一項(xiàng)非常慎重的工作[3]。必須高度重視，確保安全順利地完成封堵任務(wù)。為此，必須成立由指揮部、監(jiān)理組及施工單位主要成員組成的下閘封堵領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)一布置指揮下閘封堵前后的一切工作。基于此，通過研究水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)，致力于從根本上提高水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工軸力，增強(qiáng)水電站引水導(dǎo)流洞封堵效果。通過各方積極配合，充分做好封堵前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。并在實(shí)施過程中做到精心設(shè)計(jì)、精心施工，勝利完成封堵任務(wù)。

1 工程概況

水電站工程位于湖南省沅陵縣沅水左岸一級(jí)支流洞庭溪下游，地屬沅陵縣七甲坪鎮(zhèn)，距沅陵縣城129km，距下游河口(沅水干流)13.2km。屬山丘地貌，山巒起伏，耕地及人口少，流域內(nèi)植被較好，水分儲(chǔ)蓄量較大，水土流失少。鳥兒巢大壩控制面積381km2，干流長52.2km，干流坡降4.66‰。

水電站工程屬Ⅲ等工程，大壩、引水系統(tǒng)進(jìn)水口等主要永久性建筑物按3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。大壩為砌石單圓心雙曲拱壩，壩頂高程為181.0m，防洪墻頂高程182.2m，壩底河床開挖最低高程為105.2m，最大壩高為75.8m，大壩設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)為高程178.07m，校核洪水位為180.95m，總庫容5840萬m3，正常蓄水位為高程176.5m。

導(dǎo)流隧洞位于壩址右岸，全長250m，導(dǎo)流洞的橫斷面為城門型，導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)有閘門槽和沉放閘門的啟閉框架。進(jìn)口底板高程為110.85m，進(jìn)口漸變段長10m，型斷面尺寸4m×4m， 其余斷面為6m×5.5m，長240m，洞底縱坡3%，進(jìn)水口坐標(biāo)：x=3190573.77，y=486943.50，進(jìn)水口與河道交角為44°，距壩址直線距離為97.34m，出水口坐標(biāo)：x=3190520.15，y=487148.02，底高程為107.6m，距壩直線距離為174m，與河道交角為37°。于樁號(hào)138m(進(jìn)水樁號(hào)為0算起)處有一轉(zhuǎn)點(diǎn)坐標(biāo)為：x=3190486.79，y=487042.30，轉(zhuǎn)角為119°19′49″，轉(zhuǎn)彎半徑為80m。

導(dǎo)流洞封堵閘門處的過流斷面為4.0m×4.0m(寬×高)的城門型，封堵閘門的尺寸為4.5m×4.5m×0.5m(寬×高×厚)，按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，閘門設(shè)計(jì)的擋水位為135.5m，最大設(shè)計(jì)水頭為24.65m。

2 分析水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力

在水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工過程中，必須預(yù)先分析水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力。

采用有限元法通過數(shù)值模擬的方式，模擬水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力施工數(shù)值。利用有限元法將水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力數(shù)值模擬分成2個(gè)部分，分別為施工過程數(shù)值模擬和水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力數(shù)值模擬[4]。對(duì)于施工過程中數(shù)值模擬主要是利用有限元軟件，實(shí)現(xiàn)在水電站引水導(dǎo)流洞洞口上荷載的施加和釋放的循環(huán)，每一次荷載循環(huán)代表一個(gè)施工步驟，所以在數(shù)值模擬過程中對(duì)于荷載施加不能一次完成。應(yīng)用有限元方法對(duì)施工過程數(shù)值模擬分析的過程中，荷載的釋放與施加是通過相關(guān)系數(shù)來控制的[5]。

基于此，設(shè)其目標(biāo)函數(shù)為w，可得：

w=(α+δ)p

(1)

式中，α—各個(gè)施工增量；δ—當(dāng)前模擬的施工荷載釋放系數(shù)；p—洞口水力的等效結(jié)點(diǎn)力。

通過公式(1)，模擬分析封堵施工過程數(shù)值。永久堵頭處承擔(dān)水平推力為：

P=γQρghA

(2)

式中，P—封堵體迎水面承受的總水壓，kN；γQ—可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；ρ—水的密度，1000kg/m3;g—重力加速度，9.8N/kg；h—平均水頭高度，(73.94+68.44)/2=71.19m;A—導(dǎo)流洞過流面積，29.137m2。

堵頭的長度采用抗剪斷強(qiáng)度公式：

(3)

式中，L—封堵體長度，m；K—安全系數(shù)；γ—混凝土容重；A—斷面面積，m2；S—斷面周長，m；f—混凝土與巖石的摩擦系數(shù)；λ—抗剪斷面積有效系數(shù)；C—混凝土與巖石接觸面的抗剪斷凝聚力；其余變量含義同前。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)于水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力數(shù)值模擬需要結(jié)合具體施工情況，以此來確定所要采取的模擬措施。對(duì)于水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力力學(xué)模擬主要考慮等效替換，將混凝土與洞口水力進(jìn)行強(qiáng)度等效替換，從而使水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力模擬轉(zhuǎn)換為等抗壓強(qiáng)度的混凝土力學(xué)模擬，降低數(shù)值模擬難度[6]。其有限元分析表達(dá)式為：

(4)

式中，E—折算后的混凝土彈性模量；g—水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力上的最大應(yīng)力；s—水電站引水導(dǎo)流洞洞口橫截面積；q—彈性模量；v—水電站引水導(dǎo)流洞洞口材料的屈服強(qiáng)度。

利用公式(4)對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力數(shù)值進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了水電站引水導(dǎo)流洞洞口水力分析，為水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工提供理論數(shù)據(jù)。

3 水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)

3.1 計(jì)算閘門起吊受力

在水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工前期，必須通過計(jì)算閘門起吊受力，合理設(shè)計(jì)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)。考慮到水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，此次運(yùn)用曲線曲率感知方程計(jì)算閘門起吊受力[7- 8]。水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工時(shí)閘門起吊受力情況屬于線性問題，具有線性數(shù)學(xué)特征，所以運(yùn)用曲線曲率感知方程將此過程簡化，力求能夠最大限度地近似計(jì)算出閘門起吊受力情況。為此做出以下假設(shè)：將閘門起吊受力假設(shè)成一個(gè)平面問題；將閘門簡化為一個(gè)具有一定質(zhì)量的點(diǎn)；假設(shè)閘門起吊受力沒有慣性誘導(dǎo)作用[9- 10]。則閘門起吊受力情況計(jì)算圖示，如圖1所示。

圖1 計(jì)算圖示

在圖1中，C—閘門起吊質(zhì)量點(diǎn)；a—閘門起吊外邊緣受力情況；b—閘門起吊內(nèi)邊緣受力情況；α—水電站引水導(dǎo)流洞斜展率；LB—水電站引水導(dǎo)流洞標(biāo)準(zhǔn)段距的距離；LA—閘門起吊端部的受力情況；L1—閘門起吊受力位移；L2—閘門起吊變形位移[11]。在此基礎(chǔ)上，得出L1與L2的曲線方程:

(5)

(6)

式中，R—水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工中心線半徑；Rd—閘門主線至內(nèi)側(cè)車道中心線半徑；O2—閘門起吊受力橫向偏位；Rα—彈性模量。

通過公式(5)、(6)，得出閘門起吊受力。

3.2 封堵閘門沉放

計(jì)算閘門起吊受力后，封堵閘門沉放。在封堵閘門沉放前，模板的支撐定位必須牢固，大部分采用螺栓固定[12]。在澆筑中不得移位，混凝土澆搗必須密實(shí)，按規(guī)定養(yǎng)護(hù)28d方可吊裝。在進(jìn)行閘門吊裝試驗(yàn)完成后，安裝好各部止水橡膠和碰木，所以閘門制作必須在封堵前一個(gè)月完成。起重吊裝設(shè)備的準(zhǔn)備，本閘門起吊下閘依靠導(dǎo)流洞口上方的鋼筋混凝土框架作為吊架。在試吊前必須對(duì)其承載能力進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。考慮下閘過程中水壓力的因素，起吊設(shè)備采用慢速卷揚(yáng)機(jī)，機(jī)型為JM5。下閘封堵前，閘門槽前后段的淤積物清理。此工作必須在下閘前10d左右安排。應(yīng)特別注重安全工作，清淤的沉積物必須遠(yuǎn)離閘口堆放，以免重新流入閘槽。在下閘的前一刻，必須派潛水員下閘摸槽，確定是否清理干凈，徹底清除邊角的障礙物方可下閘。封堵閘門沉放的具體流程為:(設(shè)備進(jìn)場)卷揚(yáng)機(jī)布置→滑車組、導(dǎo)向滑車綁扎→滑車組鋼絲繩穿繞→點(diǎn)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)至鋼絲繩受力狀態(tài)→檢查各受力點(diǎn)安全無誤后→試吊(點(diǎn)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)至閘門底部脫離支撐物約5cm)→調(diào)整吊點(diǎn)位置使水封與門槽能處緊貼狀態(tài)→檢查卷揚(yáng)機(jī)的制動(dòng)、靜置片刻→安全無誤后，拆除模板，清除閘門底部的雜物→閘門上下作小幅度的升降動(dòng)作→再次確認(rèn)無誤后，拆除鋼平臺(tái)→正式起吊(下放封堵閘門至底檻，對(duì)中并檢查密封良好后閘門側(cè)向用木楔打緊)→拆除起吊系統(tǒng)。

3.3 導(dǎo)流洞混凝土塞堵頭澆筑

完成封堵閘門沉放后，導(dǎo)流洞混凝土塞堵頭澆筑。在導(dǎo)流洞混凝土塞堵頭澆筑中，首先布置水電系統(tǒng)[13]。導(dǎo)流洞混凝土塞堵頭的施工用水主要有混凝土攪拌機(jī)用水及工作面沖洗用水，混凝土攪拌機(jī)用水可用目前大壩右岸壩頭的水池供水，工作面的沖洗可用小水泵直接在洞內(nèi)抽水沖洗。主要用電為攪拌機(jī)供電、照明電及工作面振搗用電及抽排水用電，可從左岸壩頂?shù)呐潆姺坑秒娎|接線到各用電點(diǎn)。而后，在混凝土塞澆筑時(shí)，施工圍堰及排水導(dǎo)流。在混凝土塞澆筑段的上游用雙排黏土袋堆砌上游圍堰，并在二排黏土袋間用黏土夯實(shí)，以使?jié)仓潍@得工地施工的條件。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置鋼管排水管，為防止導(dǎo)流洞封堵閘門可能有較大的滲漏，應(yīng)在堵頭段預(yù)埋Φ120的鋼管并加裝相應(yīng)的閘閥，用于引排水。在封堵完成后再將閘閥關(guān)閉，進(jìn)行水泵抽排水。在澆筑段最低處設(shè)1臺(tái)潛水泵，將澆筑段的積水抽排到施工段外[14]。在靠近下游圍堰處設(shè)2臺(tái)潛水泵，將下游圍堰上游處積水抽排到圍堰下游，以降低洞內(nèi)水位。通過測量混凝土塞段的施工壩肩位置，根據(jù)施工圖紙，從大壩的測量控制點(diǎn)用全站儀引測二級(jí)控制點(diǎn)到導(dǎo)流洞內(nèi)，確?；炷寥氖┕の恢门c圖紙相符。除此之外，還需要處理工作面，抽干導(dǎo)流洞內(nèi)積水，進(jìn)行洞底清淤工作。整個(gè)洞內(nèi)沉積物清除干凈后，洞壁也應(yīng)清洗干凈，經(jīng)現(xiàn)場施工員及監(jiān)理人員驗(yàn)收后方可開始混凝土澆筑。與此同時(shí)，拌和混凝土，堵頭段混凝土澆筑的攪拌機(jī)設(shè)于導(dǎo)流洞出口的上游側(cè)施工平臺(tái)處[15]。在此過程中，下部混凝土澆筑如洞內(nèi)漏水量較大時(shí)應(yīng)適量摻入速凝劑。最后，進(jìn)行混凝土運(yùn)輸，將混凝土從攪拌機(jī)口卸下，經(jīng)由輸送泵輸送到堵頭段工作面。設(shè)置2套混凝土拌和機(jī)輸送系統(tǒng)同時(shí)承擔(dān)混凝土運(yùn)輸任務(wù)。需要注意的是，由于堵頭段上游側(cè)的模板是不能進(jìn)去拆模的，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用木模。為便于施工，下游側(cè)也采用木模，模板及腳手架施工均和混凝土澆筑同步施工。在完成以上施工操作后，回填灌漿，關(guān)閉排水閘閥，完成混凝土堵頭澆筑以后，在封堵施工軸力強(qiáng)度達(dá)250kN時(shí)，實(shí)現(xiàn)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為構(gòu)建實(shí)例分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取水電站，工程內(nèi)容為水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工。水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工項(xiàng)目及要求，見表1。

表1 水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工項(xiàng)目及要求

根據(jù)表1，本次實(shí)例分析選取的對(duì)比指標(biāo)為封堵施工軸力，封堵施工軸力越高代表此施工技術(shù)下的水電站引水導(dǎo)流洞封堵效果越好。首先，使用設(shè)計(jì)施工技術(shù)對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵施工，通過核查工具-Qacenter測得其封堵施工軸力，設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組。再使用傳統(tǒng)施工技術(shù)對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞進(jìn)行封堵施工，同樣通過核查工具-Qacenter測得其封堵施工軸力，設(shè)置為對(duì)照組。為避免偶然現(xiàn)象的出現(xiàn)，在此次的實(shí)例分析中，共進(jìn)行8次實(shí)驗(yàn)。針對(duì)核查工具-QAcenter測得的封堵施工軸力，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將2種施工技術(shù)下的封堵施工軸力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 封堵施工軸力對(duì)比

由圖2可知，設(shè)計(jì)的施工技術(shù)封堵施工軸力明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，而傳統(tǒng)施工技術(shù)的封堵施工軸力明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值，證明設(shè)計(jì)施工技術(shù)對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞封堵效果更好，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語

通過水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)中存在的問題。由此可見，設(shè)計(jì)的封堵施工技術(shù)是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工工作優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大設(shè)計(jì)封堵施工技術(shù)在水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工中的應(yīng)用力度。國內(nèi)外針對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進(jìn)一步對(duì)水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，為提高水電站引水導(dǎo)流洞封堵施工效果提供參考。