趙 洋，王春娟，趙 珍，馬少博，張 波

(1.陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710004；2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100；3.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710075)

1 研究背景

對(duì)于大中型水庫(kù)，將導(dǎo)流建筑物和永久性建筑物進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)揮雙重作用。對(duì)于小型水庫(kù)，在考慮項(xiàng)目整體投資規(guī)模小，考慮壩身過(guò)流方式進(jìn)行導(dǎo)流，可有效降低項(xiàng)目投資成本。導(dǎo)流施工技術(shù)在水利工程施工中廣泛應(yīng)用，在水利工程施工中應(yīng)用能夠發(fā)揮重要作用[1-2]。李然[3]對(duì)小灣水電工程壩身導(dǎo)流底孔封堵進(jìn)行了介紹，成功完成了大壩導(dǎo)流底孔封堵工作。尹學(xué)明[4]等結(jié)合大型水利水電工程分析施工導(dǎo)流方案，發(fā)現(xiàn)方案的優(yōu)劣性直接決定了項(xiàng)目總進(jìn)度和總工期。崔世彬[5]對(duì)某一水電站大壩臨時(shí)工程施工分析，對(duì)水電站大壩臨時(shí)導(dǎo)流底孔出口啟閉機(jī)排架施工要點(diǎn)進(jìn)行了全面闡述。李方平[6]等通過(guò)對(duì)旭龍水電站導(dǎo)流建筑物規(guī)模、導(dǎo)流隧洞出口布置以及向下游供水方案的比選研究，采用了2條導(dǎo)流隧洞高低洞設(shè)計(jì)，解決了從初期到后期導(dǎo)流設(shè)計(jì)全過(guò)程中擋水、泄水問(wèn)題。邸書(shū)茵[7]介紹了在水利工程導(dǎo)流底孔過(guò)流的情況下，構(gòu)建弧形閘門安裝的懸空作業(yè)平臺(tái)，滿足底孔過(guò)流條件下弧形閘門安裝施工進(jìn)度。劉志雄[8]等人在兩種不同啟閉方式過(guò)程中閘門水力學(xué)條件變化情況時(shí)，通過(guò)導(dǎo)流底孔封堵閘門水力學(xué)模型試驗(yàn)，進(jìn)行了兩個(gè)啟閉方案下底孔內(nèi)流態(tài)、壓力特性以及閘門啟閉力的對(duì)比試驗(yàn)研究。梁金亮[9]在閘門安裝施工過(guò)程中，通過(guò)一系列制度管理、技術(shù)創(chuàng)新，制定出相應(yīng)施工方案，及時(shí)解決閘門施工中重點(diǎn)和難點(diǎn)。胡尚軍[10]介紹內(nèi)蒙古海勃灣水電站泄洪閘表孔弧門主要安裝工藝流程，安裝過(guò)程中主要質(zhì)量控制點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)上述研究分析，壩身導(dǎo)流主要存在兩方面問(wèn)題。一是在施工前期利用壩身底孔導(dǎo)流雖對(duì)混凝土澆筑施工影響較少，但后期金屬結(jié)構(gòu)閘門安裝時(shí)，由于底孔不斷過(guò)流，導(dǎo)致閘門預(yù)埋件安裝和二期混凝土澆筑處于非正常環(huán)境，施工困難。二是在進(jìn)行閘門安裝時(shí)，因閘門體積較大，通常將閘門在底孔處先進(jìn)行吊裝，再進(jìn)行底孔閘房施工和液壓?jiǎn)㈤]機(jī)安裝，當(dāng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)未完全安裝完成時(shí)，遇到較大降雨時(shí)，工作閘門未有動(dòng)力進(jìn)行啟閉，壩前水位不斷升高，威脅下游村莊及城市的安全。

如何在無(wú)專用導(dǎo)流建筑物情況下，對(duì)底孔閘門安裝遇到上述兩種問(wèn)題進(jìn)行解決，提出了一種采取底孔封堵和閘門抬高的方式進(jìn)行閘門安裝。以水量平衡原理為基礎(chǔ)，對(duì)枯水期洪水進(jìn)行計(jì)算，分別探討一孔封堵一孔過(guò)流、單孔過(guò)流時(shí)底孔閘門抬高、雙孔過(guò)流時(shí)底孔閘門抬高安裝全過(guò)程，在保證安裝人員和下游群眾安全和財(cái)產(chǎn)前提下，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探究此方法的可行性。

2 基本原理和計(jì)算方法

當(dāng)工程無(wú)專用導(dǎo)流建筑物時(shí)，采用壩身導(dǎo)流進(jìn)行工作閘門安裝，主要包含底孔封堵和閘門抬高兩個(gè)重要過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程逐次進(jìn)行。

2.1 底孔封堵

在進(jìn)行預(yù)埋筋安裝和二期混凝土澆筑時(shí)，采用封堵一孔，另一孔過(guò)流的方式進(jìn)行。在枯水期，利用底孔過(guò)流和水泵抽水的方式快速降低壩前水位，當(dāng)水位降低到底孔底板高程時(shí)，對(duì)其中一孔進(jìn)行封堵，另一孔保持暢通，暢通底孔加上水泵繼續(xù)抽水，盡量降低壩前水位高程。當(dāng)封堵底孔后面施工全部完成，并達(dá)到過(guò)流條件時(shí)，對(duì)另一孔進(jìn)行封堵作業(yè)，已施工完成的底孔進(jìn)行過(guò)流。

2.2 閘門抬高

當(dāng)預(yù)埋件和二期混凝土全部完成后，在還未拆除封堵的底孔后邊進(jìn)行工作閘門安裝，另一孔繼續(xù)保持暢通。安裝完成后，由于沒(méi)有動(dòng)力設(shè)備工作閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，需要對(duì)工作閘門進(jìn)行抬高，采用墊物或倒鏈等多種方式將閘門抬高，保持底孔的過(guò)流。由于采用墊物和倒鏈，不可能將整個(gè)工作閘門全部抬高打開(kāi)，只能抬高一定高度。當(dāng)施工完后，保持工作閘門抬高過(guò)流通暢，另一孔進(jìn)行封堵施工。兩個(gè)底孔工作閘門施工完成后，采用將閘門抬高的方式進(jìn)行底孔過(guò)流，直至動(dòng)力設(shè)備安裝完成并與閘門完成連接。

2.3 水量平衡方程

此安裝方式原理主要由水量平衡方程作為基本方程[11-12]，枯水期洪水流量過(guò)程線作為上流邊界條件，以洪水來(lái)水、水庫(kù)蓄水、底孔過(guò)流三者為水量平衡動(dòng)態(tài)研究對(duì)象，以差分方式(時(shí)間間隔60s)對(duì)三種不同情形進(jìn)行差分計(jì)算，得出不同情形下淹沒(méi)情況發(fā)生的臨界值。如公式(1)。

Q洪t+W庫(kù)-Q底t=0

(1)

式中，Q洪—洪水流量，m3/s；W庫(kù)—庫(kù)容的增量，m3；Q底—底孔的流量，m3/s；t—時(shí)間，s。

2.4 底孔過(guò)流公式

根據(jù)SL319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]和SL279—2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中關(guān)于底孔出流的設(shè)計(jì)規(guī)定，如公式(2)。

(2)

式中，Q底—底孔的流量，m3/s；μ—孔口流量系數(shù)，文中取0.90；A—孔口斷面面積，m2；g—重力加速度，m/s2；H1—孔口中心線的作用水頭，m。

3 實(shí)際工程案例分析

某水利工程等級(jí)為Ⅳ等工程，樞紐由擋水壩段、泄洪壩段和放水設(shè)施等主要建筑物組成[15]。壩型為混凝土重力壩，泄水壩段主要由兩個(gè)底孔和一個(gè)溢流表孔組成，無(wú)專用的導(dǎo)流建筑物。在地基處理階段，利用束窄河道的方式進(jìn)行河床導(dǎo)流。地基處理完成后，通過(guò)部分地基過(guò)流，部分壩體澆筑(有底孔的壩段先行澆筑)的順序施工。當(dāng)包含底孔的壩段澆筑至底孔高度時(shí)，進(jìn)行其他壩段的澆筑，導(dǎo)流利用底孔進(jìn)行。底孔尺寸3m×2.5m(寬×高)，底孔底板高程1163m，底孔上部第一個(gè)通風(fēng)口高程1170.5m。

3.1 水庫(kù)庫(kù)容特征曲線

假設(shè)在進(jìn)行工作閘門安裝時(shí)，庫(kù)底清理工作已完成，水庫(kù)庫(kù)容～高程曲線和初步設(shè)計(jì)時(shí)水庫(kù)特征曲線相同。對(duì)水庫(kù)的高程～庫(kù)容曲線進(jìn)行數(shù)量化[12]，如圖1所示，得出高程～庫(kù)容曲線方程如下，相關(guān)系數(shù)0.9979以上。

圖1 水庫(kù)庫(kù)容特征曲線

W=300498.95-361.40(H+500)+0.11(H+500)2

(3)

式中，W—水庫(kù)庫(kù)容，萬(wàn)m3；H—水位高程，m。

3.2 枯水期洪水過(guò)程線

某水庫(kù)導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為5～10年，采用底孔導(dǎo)流進(jìn)行工作閘門安裝在項(xiàng)目建設(shè)后期，大壩已澆筑完成，考慮到安全的需要，因此安裝階段設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇的洪水過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)多年最大暴雨過(guò)程推算最大洪水流量過(guò)程線是指壩址處多年經(jīng)歷的最大洪水過(guò)程，但文中工作閘門安裝選擇在枯水期進(jìn)行，一旦選擇采用最大洪水過(guò)程線會(huì)造成安裝過(guò)程中過(guò)大考慮洪水對(duì)于安裝的影響。

由于全年洪水過(guò)程和區(qū)域內(nèi)全年的徑流量直接存在著緊密聯(lián)系，因此文中在最大洪水過(guò)程線和枯水期的基礎(chǔ)上，提出枯水期洪水過(guò)程線，采用枯水期平均徑流量占全年平均徑流量的比值，將最大暴雨過(guò)程推算出的最大洪水流量過(guò)程線進(jìn)行整體縮放，得出枯水期洪水過(guò)程線。

(4)

(5)

Q1=αf(t)

(6)

式中，P—多年平均徑流量，m3；Q—洪水流量，m3/s；t—時(shí)間，s；α—枯水期徑流量系數(shù)P1—枯水期平均徑流量，m3；Q1—枯水期洪水流量，m3/s；f(t)—洪水流量過(guò)程線。

某水庫(kù)多年平均徑流量1540萬(wàn)m3，枯水期多年平均徑流量為323萬(wàn)m3，得出α=0.21，對(duì)10年一遇的洪水過(guò)程線進(jìn)行整體縮放，得出枯水期洪水過(guò)程線如圖2所示。圖2進(jìn)行方程化時(shí)，采用多次方程進(jìn)行量化相關(guān)性不理想，最終采用多段線性方程進(jìn)行量化，如公式(7)～(10)。

圖2 枯水期洪水流量過(guò)程線

當(dāng)t=0h～1.8h時(shí)

Q洪=3.5t

(7)

當(dāng)t=1.5h～3.3h時(shí)

Q洪=22.82t-34.78

(8)

當(dāng)t=3.3h～6h時(shí)

Q洪=-11.98t+80.06

(9)

當(dāng)t=6h～14.2h時(shí)

Q洪=-0.79t+12.93

(10)

式中，Q洪—洪水流量，m3/s；t—時(shí)間。

3.3 底孔封堵時(shí)底孔處水深變化情況

在進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程時(shí)，采用單孔封堵、單孔作業(yè)方式進(jìn)行，對(duì)10年一遇洪水和枯水期洪水兩種情形進(jìn)行分析，得出不同時(shí)刻底孔水深(以底板高程1163m為水深基礎(chǔ)點(diǎn))變化情況如圖3所示。

圖3 不同情況下底孔水深變化過(guò)程

從圖3得出，采用單孔封堵、單孔作業(yè)，以10年一遇洪水計(jì)算，當(dāng)洪水過(guò)流1.76h時(shí)，水深達(dá)到底孔高度2.5m；當(dāng)時(shí)間為2.57h時(shí)，水深到達(dá)7.5m，此時(shí)水深到達(dá)底孔上部第一個(gè)通風(fēng)口位置，所有安裝人員全部撤離，不得在封堵底孔處進(jìn)行任何作業(yè)；在保持單孔封堵不被破壞的情況下(封堵結(jié)構(gòu)可以承受壩前水壓)，在4.47h時(shí)水深達(dá)到最大值18.91m；在7.67h時(shí)水深回落到2.5m，洪水全部經(jīng)底孔泄流。以枯水期洪水計(jì)算時(shí)，洪水過(guò)流3.43h時(shí)壩前水深達(dá)到最大值2.95m，未超過(guò)第一個(gè)通風(fēng)口高度，不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

3.4 閘門抬高高度對(duì)底孔前水深的影響

以枯水期洪水過(guò)程線作為上游邊界條件，單孔過(guò)流和雙孔過(guò)流閘門抬高高度對(duì)底孔前水深變化情況進(jìn)行分析計(jì)算，如圖4—5所示，見(jiàn)表1。e表示底孔閘門開(kāi)口抬高的高度，h表示底孔的高度(h=2.5m)。

表1 單孔過(guò)流時(shí)閘門抬升高度對(duì)于底孔處水深的影響過(guò)程

圖4 單孔過(guò)流時(shí)底孔閘門抬升高度對(duì)于水深的影響

從圖4和表1可以得出，隨著閘門開(kāi)口高度不斷升高，底孔處最大水深不斷減少。當(dāng)閘門開(kāi)口高度e/h等于0.37時(shí)，底孔前最大水深7.5m，正好與底孔上部第一個(gè)通風(fēng)口持平，不會(huì)發(fā)生淹沒(méi)破壞。當(dāng)閘門開(kāi)口高度e/h小于0.37時(shí)，一旦遇到枯水期洪水，會(huì)發(fā)生水深超過(guò)底孔上部的第一個(gè)通風(fēng)口，導(dǎo)致封堵方式失敗。

當(dāng)單孔過(guò)流底孔閘門開(kāi)口高度e/h等于0.37時(shí)，底孔處水深7.5m，根據(jù)水力學(xué)基本原理，得出底孔封堵位置受到最大應(yīng)力0.07MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在在底孔封堵位置最底端，封堵面受到總壓力為275.63kN。在采用鋼板結(jié)構(gòu)或者沙袋材料等作為封堵時(shí)，應(yīng)對(duì)封堵材料進(jìn)行穩(wěn)定性和破壞性分析。

當(dāng)工作閘門安裝完成，將兩個(gè)底孔工作閘門全部抬高一定高度，此時(shí)未有動(dòng)力設(shè)備，無(wú)法將閘門全部升起，只有通過(guò)倒鏈或墊高方式進(jìn)行閘門抬升。隨著底孔閘門開(kāi)口高度上升，底孔處最大水深減少。當(dāng)閘門開(kāi)口高度e/h等于0.19時(shí)，底孔前最大水深7.5m，達(dá)到破壞臨界值。當(dāng)閘門開(kāi)口高度e/h小于0.19時(shí)，會(huì)發(fā)生水深超過(guò)底孔上部第一個(gè)通風(fēng)口情況，導(dǎo)致封堵方式失敗，如圖5所示，見(jiàn)表2。

表2 雙孔過(guò)流時(shí)閘門抬升高度對(duì)于底孔處水深的影響過(guò)程

圖5 雙孔過(guò)流時(shí)底孔閘門抬升高度對(duì)于水深的影響

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)無(wú)專用導(dǎo)流建筑物時(shí)，采用單孔封堵和閘門抬高方式進(jìn)行閘門安裝，對(duì)實(shí)際施工具有可行性和參考性。

(1)在預(yù)埋件安裝和二期混凝土澆筑時(shí)，采用單孔封堵、單孔過(guò)流不會(huì)發(fā)生淹沒(méi)破壞；在閘門安裝過(guò)程時(shí)，單孔過(guò)流閘門開(kāi)口臨界高度e/h等于0.37、雙孔過(guò)流閘門開(kāi)口臨界高度e/h等于0.19，閘門抬高高度低于臨界高度時(shí)，會(huì)發(fā)生淹沒(méi)破壞。

(2)枯水期洪水過(guò)程線采用α參數(shù)進(jìn)行縮放，與實(shí)際遇到的洪水過(guò)程不一定相符，需進(jìn)一步研究。在采用封堵作業(yè)時(shí)，封堵方案中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗傾覆性是封堵成功關(guān)鍵，是后期研究的重點(diǎn)。