水口水電廠2號泄水底孔檢修門槽修復工程的設計與施工

鄭金泰

福建水口發電集團有限公司，福建 福州 350004

0 引言

水口水電廠大壩為混凝土重力壩。溢洪道布置在河床中間，兩側各設一個深式泄水底孔，承擔樞紐工程的泄洪和水庫放空任務。泄水底孔采用短管壓力流后接明渠方式，進水口為喇叭形，壓力段孔口尺寸5m×8m（寬×高），設有5m×9.6m平板式事故檢修閘門，出口處設弧形工作閘門。

2003年12月對大壩水工建筑物進行水下檢查時，發現2號泄水底孔事故檢修左側門槽鋼襯板和閘門鋼軌之間嚴重開裂，開裂處出現較大范圍混凝土掏空破壞。2005年8月在關閉檢修閘門進行弧形工作閘門檢修時，發現破壞進一步發展，事故檢修閘門左側門槽距頂部約 1.0m處發現噴射水流，最大噴水距離約5m，由于滲水量太大，弧形工作閘門檢修工作無法進行。曾采用水下拼裝焊接鋼襯板和澆筑水下混凝土的方案進行水下修復，但由于受水下施工條件限制，施工質量達不到設計要求。

1 修復工程設計

擬采用旱地修復施工方案。在泄水底孔喇叭口前設一道浮體擋水檢修閘門（以下簡稱為浮體閘門），閘門止水橡皮直接壓在混凝土面上封水，使門后形成旱地條件，以便進一步查清檢修門槽破壞情況，確定可靠的修復方案，并進行下一步修復施工。

1.1 浮體閘門

泄水底孔喇叭口尺寸為7.7m×14.06m，設計浮體閘門封水尺寸8.7m×15m，設計水頭47m，總水壓力51548 kN。閘門支承跨度8.7m，吊點間距9.7m，閘門寬10.5m、高15.6m、厚1.8m，總重約173t，總浮力約230t。設8個充水艙和6個空氣艙，總充水量約89t。閘門分成6節，按設計要求由工廠分節制造，整體拼焊在施工現場進行（見圖1）。

圖1 泄水底孔剖面圖

1.2 測量試探框

泄水底孔封堵工程關鍵技術是止水，浮體閘門水下安裝施工的難度是準確就位。而浮體閘門橡膠主水封必須針對封水壩面的不平度進行專門設計，為確保封堵工程能夠安全可靠的一次封堵成功，需對浮體閘門橡膠主水封止水壩面進行不平整度測量。

因此，專門設計一扇具有相當剛度的假門—測量試探框，框的長寬尺寸與浮體閘門相同。在主水封（即閘門支承）位置，沿喇叭口四周長度方向每隔100mm設置一個尼龍棒，共1220個尼龍棒測點。試探框封水面測量寬度為400mm。另外，在試探框頂部角上安裝2個水下攝像頭。當試探框靠在喇叭口四周壩面上固定好后，由潛水員在水下正對攝像頭的壩面上采用射釘槍固定2個醒目的圓形標記。

測深裝置安裝在鋼結構施工平臺左右兩側的對稱位置。每側安裝鋼卷尺和測深裝置，用于互相驗證。試探框和浮體閘門的水平姿態偏角由左右兩側的測量深度差值來計算和控制。

1.3 浮體閘門水封設計

浮體閘門設兩道水封。第一道為橡膠主水封，設置于浮體閘門下游面板周框上，封水中心尺寸約為8.7m×15m。橡膠水封寬280mm，高350mm，端頭為R150mm，整體重約6.1t。第二道為輔助水封，位于主水封四周外側，采用棉毯卷成φ150mm的圓柱形，中心為φ30mm的PVC硬管，用于自動封堵局部小縫隙漏水。

1.4 浮體閘門支承設計

利用橡膠水封的承壓力，浮體閘門直接采用閘門四周的橡膠主水封作為支承。

浮體閘門封水尺寸8.7m×15m，承受總水壓力為51548kN。水封平均線壓強約1088 kN/m。按線壓強1088kN/m計算，橡膠水封承受的壓應力為3.7N/mm2，滿足強度要求。

1.5 檢修門槽修復設計

1）原門槽設計

事故檢修閘門采用定輪支承。閘門采用下游止水，止水座面設在門槽下游埋件上。門槽采用Ⅱ型門槽。閘門鋼軌和反軌按閘門孔口高度的兩倍設置，鋼軌采用QU120起重機軌和厚度為40mm的鋼板（Q235）組合斷面，反軌為型鋼與鋼板的組焊結構。

由于底孔運行水頭較高，在設計中采用了一些預防高速水流沖蝕的措施：事故閘門前一段和事故閘門與工作門之間均采用一期鋼板襯砌，鋼板襯砌和門槽鋼埋件焊接在一起，閘門底坎全部采用一期鋼板襯砌。

2）門槽破壞情況及原因分析

瀉水底孔成功封堵后，對孔內流道破壞情況進行全面檢查。門槽鋼軌工作踏面上有較多的氣蝕凹坑，鋼軌軌道和護角鋼襯之間的焊縫已經大部分開裂，護角鋼襯在門槽底部區域已經脫開鋼軌，內部部分二期混凝土被嚴重淘蝕。

現場分析認為：原門槽鋼軌安裝施工質量欠佳、鋼軌和護角鋼襯之間的連接薄弱，是造成門槽破壞的主要原因。

3）修復鋼軌優化設計

重新設計門槽鋼軌，在鋼軌側加設一個與護角鋼板錨固連接的平臺，將焊縫連接改為螺栓錨固連接，避免此處的工地焊縫（見圖2）。新設計的門槽鋼軌在工廠分段鑄造，材料選用ZG42CrMo，調質處理。鋼軌踏面形狀和尺寸均按原設計保持不變，護角通過螺栓與鋼軌連接。對修改后的鋼軌按150t輪壓進行強度驗算，各項應力均滿足現行規范要求。

圖2 門槽剖面圖

2 工程施工

整個工程施工分為：前期施工準備、壩面平整度水下測量、浮體閘門制造、大型橡膠水封制造與安裝、浮體閘門的就位封孔、檢修門槽制造與旱地修復、浮體閘門拆除等。

2.1 前期施工準備

前期施工準備主要完成施工平臺的搭設、試探框制作、導向重錘制作和安放、導向繩固定、后拉支架制作及卷揚機安裝等。

2.2 水下測量

將試探框下放至底孔喇叭口位置后，通過后拉支架的鋼絲繩將試探框收緊，經潛水員水下檢查與導向繩核對位置無誤后將試探框固定。潛水員在水下將試探框上所有尼龍棒推到接觸壩面后擰緊螺釘固定，則所有的尼龍棒端點所組成的面即為混凝土壩面的封水面和支承面。將試探框吊出水面，平放在壩頂經調平后，采用水準儀進行尼龍棒外伸長度測量工作，取得尼龍棒實測的壩面平整度數據，為浮體閘門的水封設計和安裝提供依據。

2.3 浮體閘門制造

浮體閘門分6節制作，總重12.3t。按設計要求，每節門葉出廠前密封艙均進行0.6MPa/20min加壓試驗。

受場地限制，浮體閘門現場拼裝采用立式拼焊，先將3節拼焊為一組，再將2組拼焊為整體。對分節拼焊形成的中間艙，按要求進行0.3MPa/20min氣密性檢查，。整體拼裝完成后，對閘門的充水艙和非充水艙均進行0.6MPa/20min水壓、氣壓試驗。

最后，將浮體閘門牽引至2號瀉水底孔壩前水面后，安裝水封和其他附屬構件。

2.4 橡膠水封試驗、制造與安裝

2.4.1 水封試驗

委托武漢大學進行大截面橡膠水封試驗，并確定浮體閘門的設計水封斷面結構及水封材質。根據試驗結果，對水封斷面結構做了優化設計：水封安裝槽兩側夾板隨水封也做了相應隨形設計；將側板端與水封接觸的內側角倒成R10的圓弧,以免剪切水封下游側；水封夾槽內側與水封間隙為單邊2mm。基于水封材質試驗，選擇相對變形量較大和變化曲線更穩定的DL6674-5橡膠。

2.4.2 水封制造

按設計要求，橡膠水封在廠內制作為整體框形結構，水封接頭采用模具熱溶接，確保接頭的整體連接質量，不留任何工地接頭。橡膠水封的隨形制造是在水封試驗和壩面不平度測量完成后，以設計圖為準進行的。

2.4.3 水封安裝

將橡膠水封吊放到平臥在庫面的浮體閘門上，安裝在預設的水封槽內，并用螺栓固定。

2.5 浮體閘門就位封孔

通過水泵和浮體閘門上的充排水管向充水艙緩慢充水、排氣，將浮體閘門由平臥調整到直立狀態，并使浮體閘門處于零浮力狀態。在裝好浮體閘門安全繩、測深裝置、導向繩及在檢修門槽吊放后拉支架后，繼續向充水艙內充水，使浮體閘門緩慢下沉。觀測安裝在施工平臺左右兩側的測深裝置讀數，通過計算測量深度差值來確定充水艙的充水量，達到控制浮體閘門的下沉速度、位置和姿態。確定浮體閘門到達2號泄水底孔處后，收緊浮體閘門安全繩固定。潛水員從檢修門槽進入底孔內，將通過后拉支架定滑輪的4條鋼絲繩固定在浮體閘門上，由潛水員確定浮體閘門位置、姿態準確無誤后，緩慢且同時拉緊4條鋼絲繩，使浮體閘門貼在壩面。緩緩開啟2號底孔工作閘門，將洞內水排放，在巨大水壓力的作用下，浮體閘門緊緊地貼在壩面，就位封孔一次成功，整個封孔用時近5h。經觀察，浮體閘門后漏水量小于0.1L/min，且未見變化，完全滿足洞內旱地修復施工條件，達到設計要求。

2.6 檢修門槽制造與旱地修復施工

2.6.1 新門槽鋼軌及配件制造

對鋼軌踏面形狀和尺寸均按原設計保持不變，護角通過螺栓與鋼軌連接。每側門槽鋼軌分為4段，每段2.5 m，兩側共8段，重約5676kg。鋼軌、錨固桿件、鋼料板制造、加工完成后進行工廠預拼裝。

2.6.2 舊門槽鋼軌及埋件拆除

將舊鋼軌、鋼襯板分節切割拆除，發現門槽兩側原一期錨筋存在部分缺失。二期混凝土鑿除后，對分界面進行鑿毛，同時清除存留的二期錨固鋼板上的鐵銹。

2.6.3 新門槽埋件、鋼軌及鋼襯板安裝

鋼軌埋件安裝前，對原缺失的錨筋，按設計圖紙要求進行補充埋設。對一期混凝土預埋錨筋的位置、數量進行檢查核對無誤后，開始鋼軌和鋼襯板的安裝。

每側門槽鋼軌由4節組成，安裝時由下而上逐節吊裝。鋼軌每安裝1節均進行門槽中心線距、對孔口中心距、高程、工作表面接合處錯位、表面扭曲度等部位的測量和控制，以確保安裝精度。

在鋼軌預埋件焊接固定后，先進行非直線段的安裝。而直線段鋼襯板每2m為一段，從下往上安裝第一段，待新回填的二期混凝土澆筑完成24h后，再進行上一段的安裝。

2.6.4 回填澆筑

新的二期回填C30混凝土，約15m3。

2.6.5 其它項目施工及工程驗收

檢修門槽后與工作閘門間鋼襯板與混凝土間的脫空部位進行環氧灌漿。底孔喇叭口段混凝土表面骨料裸露部分，采用環氧水泥砂漿抹面處理等的施工。

至此，檢修門槽修復施工結束。

2.7 浮體閘門拆除

先行關閉底孔事故檢修閘門，向孔內充水；后又關閉工作閘門，檢修閘門前后全部充水。壓力平衡后，浮體閘門開始脫離孔口。接著，用壓縮空氣排出浮體閘門各充水艙內的水量，浮體閘門緩慢浮出水面。為保護水封，將水封面朝下平浮在水面上，拖至指定地點存放。

3 結論

檢修門槽修復后，泄水底孔經歷了2個汛期，運行正常。該工程實施的關鍵是底孔進水口的水下封堵，以形成旱地施工條件。浮體閘門水下封堵的定位，采用重錘、測深裝置、水下攝像和后拉支架相結合的定位方式，成功地解決了水下封堵的定位難題。而采用鋼軌側翼增設連接平臺、螺栓連接的方案，則有效地解決了閘門主軌與鋼襯板之間的連接難題。

[1]水口水電廠#2泄水底孔事故檢修門門槽修復工程可行性研究報告.中國水電顧問集團西北勘測設計院，2007，8.

[2]水口水電廠#2泄水底孔浮體閘門水封試驗報告.武漢大學，2008，6.