導流洞門槽保護的研究與探討

李 崗,朱增兵,方寒梅

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0085—05

導流洞門槽保護的研究與探討

李 崗,朱增兵,方寒梅

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

結合國內外工程實例，對比分析了導流洞門槽保護框設置與否的應用效果，對設置門槽保護框可能出現的問題進行了研究與探討。提出了導流洞門槽設計及施工中應注意的關鍵技術問題。為導流洞門槽的設計和施工提供借鑒。

導流洞；門槽；保護框

0 前 言

施工導流隧洞(以下簡稱導流洞)是水電水利工程中重要的臨時建筑物，導流洞封堵閘門的順利下閘封堵是工程下閘蓄水的關鍵。

導流洞的布置高程一般都較低，運行狀況較差。由于導流洞過流時間長，流態復雜，水質情況、推移質的特性具有很大的不確定性，因此對于門槽的磨損、破壞情況、是否有雜物駐留在門槽內等一直是工程建設者關注的問題。因此導流洞閘門的門槽設計與保護歷來是各個工程的重點。

1 保護框的應用情況

由于擔心門槽破壞或石塊、泥沙淤積在門槽內難以清除，影響下閘封堵，因此許多工程中采用了在門槽兩側設置保護框的方式進行防護，消除工程建設者的擔心和顧慮。

門槽保護框的設置形式很多，有些工程使用過程比較順利，沒有發現什么問題，但也有許多工程的保護框出現或多、或少的一些問題。下面就幾個工程中使用保護框出現的情況進行簡要介紹。

1.1 瀾滄江漫灣水電站

位于瀾滄江中游河段的漫灣水電站左岸設有2條平行布置的導流隧洞，分別于1987年12月和1988年5月建成過流。其中1號導流洞長458 m，為有壓隧洞，進水口設有進水塔和2扇下游止水的封堵閘門。閘門特性見表1。每孔門槽底部左右側各安裝有4 m高的門槽保護框，通過15.2 m長拉桿用花籃螺栓固定在門槽側部混凝土墻上(見圖1)。底板除2 110 mm寬的鋼底檻外，上下游1 m范圍內用環氧砂漿抹面，厚度大于50 mm，以增加混凝土的沖刷耐磨性。

表1 漫灣電站1號導流洞封堵閘門特性表

圖1 漫灣水電站1號導流洞閘門門槽及保護框圖

1號導流洞從1987年12月過流，到1992年底下閘前已經歷5個汛期，特別是經受了1991年8月份的8 200 m3/s洪水、單洞流量近4 500 m3/s特大洪水的考驗，底部流速達16 m/s。為保證工程順利下閘封水，設計制作了試探門用于水下探查，包括門槽保護框的打撈和對門槽、底檻水下部位進行檢查。據觀察發現門槽保護框花籃螺栓已全部脫落，拉桿皆沿保護框吊耳板的加強板下緣折斷后被水沖走。掉入水中，情況不明。潛水員水下探查，確認保護框吊耳板從根部折斷，拉桿和保護框蓋板已不存在，只剩下無蓋的箱體，箱體內和三面靠墻部位沉積了大量的石塊和泥沙。水下打撈工作從1992年11月13日到12月17日，歷時35 d，期間最大流量942 m3/s，水深11 m，流速達6 m/s。采取了真空吸砂，水下切割，制作專用吊具等方法，終于將保護框打撈出3個，右孔左邊保護框已被水沖走。1號導流洞左右孔封堵閘門于1993年3月27日10：09和10：14分先后順利下閘封水[1-2]。

1.2 馬來西亞巴貢水電站

巴貢水電站位于馬來西亞東部的沙撈越州BALUI河上，電站裝機容量2 400 MW，工程主要由面板堆石壩、左岸引水發電系統、泄洪建筑物和右岸導流建筑物組成。右岸導流建筑物共3條導流隧洞，進水口呈喇叭口狀，設有2 m厚中墩，將導流洞分為2個洞道，每個寬6 m，高12 m，并逐漸縮窄，到門槽處只有4.75 m，每孔門槽都設有門槽保護框。2001年底導流洞開始過流。為滿足巴貢水電站水庫蓄水期間下游居民生活和河道生態基本需水，在正式蓄水前一年，先將3個運行的導流洞中的1號導流洞關閉改建為流量為150 m3/s的放水洞，在洞內安裝可控制流速針閥和蝶閥，然后在蓄水時啟用放水洞，并關閉另外2個導流洞。

到2008年下閘的導流洞運行時間長達近8 a，由于BALUI河漂木甚多，屢屢撞擊閘門門槽、底檻及周邊混凝土，原設置6孔門槽保護框中被沖毀破壞的已過半。為保證導流洞閘門成功下閘，對門槽埋件和混凝土結構進行全面檢查，清除損壞并卡阻在門槽內的保護框，設計制作了1套門槽探查裝置。專業潛水員利用門槽探查裝置將門槽保護框采用水下切割后取出，并對6孔門槽水下部分進行了探查，各門槽側輪軌道和水封不銹鋼軌道均完好，但底檻工字鋼主框架之間所澆筑的混凝土都被沖刷成深度不等的凹坑，尤其1號導流洞鋼板下部混凝土部分被掏空，鋼板面成弓狀。由于與底水封匹配的底檻鋼板平面基本平整，1號導流洞封堵閘門在2008年3月21日順利關閉。經潛水員在閘門背后檢查，水封工作良好，只有少量漏水[3-4]。

1.3 黃河李家峽水電站

黃河李家峽水電站位于青海省尖扎、化隆兩縣交界的李家峽峽谷中段。電站裝機5臺，單機容量400 MW，總裝機2 000 MW。樞紐由攔河大壩、壩后式廠房、泄水建筑物、灌溉渠道、出線站等永久建筑物組成。導流洞布置在右岸，封水閘門及埋件均設在進水塔內，孔口尺寸11 m×12.5 m，設計水頭95 m，門槽寬2 m，深1.25 m。為防止門槽處底板和側墻因沖刷或氣蝕破壞，造成下閘后門后漏水，甚至封堵失敗，因此在門槽中心線上、下游底板和側墻處均進行了鋼板襯砌，底板上游襯砌1.53 m，下游襯砌1.97 m，側墻上游襯砌1.25 m，下游襯砌3 m。門槽內設置門型保護框，支承材料為木材。下閘前，采用2×4 000 kN固定卷揚啟閉機拆除時，保護框與門槽發生卡阻，吊耳焊縫被拉裂。經過補焊加強吊耳，不斷調整起吊方式，歷經10 d左右時間，終于將保護框順利提出門槽。1996年12月26日，導流洞閘門成功下閘。下閘后檢查發現，下游底板鋼襯與混凝土接縫處被沖刷形成深1.7～2 m，平均寬10 m，長8 m的深坑，底護板下部部分混凝土被水流掏空。底檻中部30 mm厚的Q345鋼襯被磨蝕剩0.1 mm厚[5]。

產生上述沖刷現象的主要原因是由于黃河上游水土流失嚴重，植被差，每逢下雨或汛期, 河水攜帶大量的泥沙流入洞內，同時也挾帶大量的卵石、塊石, 在高速水流作用下，年復一年地磨損底板，若遇底板與混凝土接縫不良、錯臺偏大，水流將在該處產生空穴水流，空蝕著周圍的混凝土，使之剝落。久而久之，在空蝕和推移質聯合作用下，襯砌結構遭破壞，進一步惡化了水流流態,并逐漸演變成大范圍的深坑和沖槽。

1.4 黃河拉西瓦水電站

黃河拉西瓦水電站位于青海省貴德縣與貴南縣交界處的黃河干流上，壩址上游32.8 km處為已建龍羊峽水電站，下游8.6 km處為已建的尼那水電站。電站裝機6臺，共4 200 MW。樞紐由雙曲拱壩、壩身泄洪建筑和壩后消力塘、左岸導流建筑物和右岸地下引水發電建筑物組成。左岸共設計施工導流隧洞1條，在導流洞中部豎井式閘室內，共設2孔導流封堵閘門門槽埋件及2扇導流封堵閘門，孔口尺寸6 m×11.352 m，設計水頭165 m。導流洞設計過流時間為5 a，最高過流水頭為57.25 m。門槽型式采用Ⅱ型，由于過留時間長，水流及推移質情況復雜，底檻采用復合鋼板(雙相鋼2205+Q345B)，該復合鋼板經試驗證明，其耐磨性、耐沖刷腐蝕性能良好。在三峽排沙底孔鋼襯中得到應用[6]。為保護門槽，在門槽上、下游段設置保護鋼襯，門槽內設高2.8 m，重4.24 t的門槽保護框(見圖2)。

2008年7月，水下檢查發現，門槽保護框上預留的鋼絲繩10 t卡環已斷裂報廢。經過有關部門協調，利用上游龍羊峽水電站停機，減少下泄流量，以利于拆除保護框。檢查發現，保護框與門槽間隙中有石子、水泥漿等雜物(圖3)，經數次超容量啟吊均未能保護框提出門槽。每次停機，門槽處均還有0.8 m左右水深，加之流速較大，給拆除工作帶來相當的困難。為此，在門槽上下游設置鋼圍堰，使門槽處形成靜水。由青島太平洋工程有限公司，采用水下切割將保護框拆除(圖4)。2008年11月10—19日，經過60余h奮戰，門槽保護框全部拆除完畢。拉西瓦導流洞于2009年3月1日順利下閘封水[7]。拉西瓦水電站工程導流洞門槽保護框卡阻及處理情況見圖3～5。

圖2 拉西瓦水電站門槽保護框圖圖 單位：mm

圖3 拉西瓦水電站導流洞門槽保護框卡阻情況圖

圖4 拉西瓦水電站導流洞門槽保護框水下切割圖

類似導流洞門槽保護框過流期間被沖走、損壞或發生卡阻的工程實例還有很多[8],如龍開口水電站保護框被沖走、瀑布溝水電站保護框被卡等，不再一一列舉。

圖5 拉西瓦水電站導流洞門槽保護框拆除后情況圖

2 設置保護框容易出現的問題及原因

門槽保護框非主要承載設備，受力不明確，設計強度、剛度、與門槽配合間隙等沒有可遵循的標準，更多是依靠工程師的經驗，因此保護框的設計也差別很大。門槽保護框設計中，即要防止保護框向內移位，又要防止保護框被沖出，因此保護框與門槽設有雙向擋動，且間隙較小。由于保護框長期處于動水中，因此可能由于如下原因發生卡阻、局部損壞、沖走：

(1) 由于制造、安裝誤差或澆筑變形過大引起卡阻。這個原因理論上通過制造、安裝、澆筑過程嚴格控制是可以避免的，在截流前也可進行消缺處理。

(2) 保護框放入后，由于門槽上部施工，可能掉入石子、砂漿、水泥漿或其它雜物，造成卡阻，理論上可以通過加強施工管理避免，但一旦發生將可能造成保護框卡阻。

(3) 導流洞過流后，水流中不可避免帶有大量泥沙、碎石、或其它雜物等推移質，由于保護框的存在，沉積在門槽中，引起的卡阻的可能很大，且難以預防。

(4) 由于水流脈動壓力作用，可能引起保護框振動。振動可能導致保護框或門槽的導向發生局部變形，造成保護框卡阻；也可能導致保護框上或門槽上的側向擋動結構發生損壞，進而導致保護框沖走；可能造成活動吊具損壞。

從以上原因分析看，導流洞保護框出現問題的可能性非常大，而危害最大的是卡阻。一旦造成保護框卡阻，不能順利提出，只能利用水下切割手段才將其分段取出。由于保護框處于水下，且導流洞流速較大，處理起來不僅費用高，難度也非常大。從前述工程實例看，設置保護框后卡阻的不在少數。因此，設置保護框本身存在很大的風險。

3 未設置保護框的工程實例分析

在國內水電工程中，也有許多沒有設置保護框。如黃河中上游水電工程龍羊峽、公伯峽、炳靈等水電站均未設置保護框，下閘前，做了試探框進行了水下探查，未有門槽兩側淤積、破壞記錄，下閘基本順利。其它河流中也有很多未設置保護框的工程，如瀾滄江大朝山水電站等。

建于20世紀60年代的劉家峽水電站未設置門槽保護框，歷經近8 a長時間過流，門槽遭到嚴重沖蝕破壞，1967年下門封堵時，閘門在距底檻以上0.7 m處被卡阻，前后歷時14個月才將漏洞堵住[9]。但并不是因門槽兩側破壞、或底部堆積異物造成卡阻，與是否設置保護框并無直接關系。除此，未見類似報到。

筆者參加調研了李家峽、公伯峽、拉西瓦多個水電站工程下閘后導流洞門槽的破壞情況。李家峽導流洞過流5 a多，公伯峽導流洞過流3 a多，拉西瓦導流洞過流5 a多，從李家峽、公伯峽、拉西瓦等水電站導流洞下閘后的探查情況看，門槽兩側主軌、鋼襯未有大的磨損，門槽下游側的破壞主要在底檻中部，主要表現為底檻中部鋼板磨損，底板鋼襯后混凝土形成較大沖刷坑。

在國內未設置保護框的工程中，下閘大多比較順利，近30年來沒有因門槽底部有難以清除雜物導致閘門無法下閘的報道。從門槽部位的水力學分析，導流洞進口流速一般在7～8 m/s以上，隨上游水量變化而變化，門槽內堆積石塊、泥沙的可能性不大。

在設置保護框的工程中，保護框被沖走的也不乏工程實例(如上述的漫灣水電站等) ，下閘前水下探查并無大的異物堆積，門槽兩側也未發現較大的破壞痕跡，下閘基本順利。

許多工程實例表明，即使沒有設置保護框，門槽兩側也未發現明顯破壞。而門槽底部鋼襯磨蝕、混凝土破壞，不是設置保護框能夠解決的。

4 保護框的作用分析

設置門槽保護框的目的一般認為主要是2個：① 改善流態，保護兩側門槽免遭破壞；② 防止石塊、泥沙淤積在門槽內，影響下閘。

由許多工程實例看，門槽的破壞主要在底部，表現為底檻中部鋼板磨損，底板鋼襯后混凝土破壞，而門槽兩側的主軌、鋼襯未有大的磨損。而門槽底部鋼襯磨蝕、混凝土破壞，不是設置保護框能夠解決的。設置保護框的第1個目的似乎并無必要。

設置保護框的第2個目的是防止石塊、泥沙淤積在門槽內，影響下閘。但從上面分析看，保護框造成卡阻的可能還是很大的，而一旦保護框卡阻，不能順利提出，保護框就成了門槽中最大的異物，處理難度和代價比不設保護框大的多。而且，保護框需在閘門安裝前提前拆除，需合理考慮安裝周期，避免施工干擾。

因此，筆者認為，導流洞設置門槽保護框的必要性不大。

5 導流門槽設計、施工的重點

導流洞門槽雖然是臨建設備，但由于其關系到下閘蓄水的成敗，因此，導流洞門槽設計、施工中應特別注意以下幾點：

(1) 采用合理的門槽型式，最好采用Ⅱ型門槽，必要時可通過水力模型試驗研究確定，防止氣蝕、空蝕破壞。

(2) 適當增加門槽鋼襯的結構強度、表面鋼板厚度，甚至采用耐磨、耐沖刷、抗腐蝕性能好的材料，減少鋼板磨蝕。

(3) 適當增加門槽前后鋼襯襯護范圍，特別是門槽底部和兩側下部的襯護范圍。

(4) 采取合理措施，盡量減少、甚至避免推移質進入導流洞，如導流洞進口設置攔砂坎等。

(5) 嚴格控制混凝土澆筑質量，特別應重視鋼襯與混凝土銜接處的施工質量，防止或減少鋼襯后混凝土的沖刷破壞。

(6) 嚴格控制門槽制造、安裝質量。

(7) 截流后，門槽上部塔筒升高施工過程中，應做好門槽安裝平臺高程處的防護，嚴防雜物掉入門槽內。

(8) 導流洞進口上游土石圍堰、混凝土圍堰，應在分流前盡量挖除干凈。

(9) 上游碴場(如果有)沿江防護應按水保要求，對汛期水位以下高程的碴料表面進行防護，防止上游石碴和雜物進入門槽或門槽與保護框間隙內。

(10) 當然，下閘前，利用試探框進行水下探查工作，對保證導流洞封堵閘門的順利下閘封堵都是非常必要的。

6 結 語

通過以上分析，筆者認為，通過合理設計、加強施工管理、嚴格控制施工質量，導流洞門槽設置保護框的必要性不大。

對于過流時間過長的導流洞，建議結合流域電站整體布置、水頭、流速、過流時間綜合考慮，研究設置保護框的必要性。

[1] 張兆啟.漫灣水電站1號導流洞門槽水下探查及下閘封堵[J].水電站機電技術,1997,(2):62-65.

[2] 張仁,王金祥,吳邦慶.漫灣水電站1號導流洞試探門設計與施工[J].云南水力發電,1994,(1):44-47.

[3] 武夏寧,候曉暾,江燕.巴貢水電站1號導流洞下閘封堵施工方法與應急措施[J].科技傳播,2010,(3):48-50.

[4] 何少潤.馬來西亞巴貢電站導流洞下閘前門槽探測[J].水電站機電技術,2008,(8:42-45.

[5] 谷建國,劉正興.導流隧洞底板沖刷淺析[J].西北水電,1999,(3):13-15.

[6] 田連治,徐元發.三峽工程電站排砂底孔的金屬結構[J].水工機械技術，2002,(1):16-20.

[7] 徐長明.關于黃河拉西瓦水電站導流封堵閘門的思考[J].西北水電，2009,(5):71-76.

[8] 唐德遠,鞠其鳳.二灘水電站導流洞順利下閘封堵[J].水電站設計，1998,(6):85-88.

[9] 張貴群.關于施工導流洞進水口閘門槽的沖蝕與防護問題[J].西北水電,1987,(3):45-50.

Study on Protection of Gate Slot of Diversion Tunnel

LI Gang, ZHU Zeng-bing, FANG Han-mei

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

In connection with practical cases at home and abroad, whether the protection frame for the gate sloe of the diversion tunnel is provided and its application effect in case it is applied are compared and analyzed. Potential risks in case of the application of the protection frame are studied. The key technical points in design and construction of the gate slot of the diversion tunnel are provided. This provides design and construction of the gate slot of the diversion tunnel with reference.Key words:diversion tunnel; gate slot; protection frame

2015-03-19

李崗(1982- )，男，山西省長治市人，高級工程師，主要從事水電站金屬結構設計工作.

TV663

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.022