鋼圍堰在藏木水電站導流底孔封堵施工的應用

楊　雄， 吳小峰, 張　剛

(1. 中國葛洲壩集團第六工程有限公司， 云南昆明 650000; 2. 浙江華東工程有限公司， 浙江杭州 310000)

?

鋼圍堰在藏木水電站導流底孔封堵施工的應用

楊雄1， 吳小峰1, 張剛2

(1. 中國葛洲壩集團第六工程有限公司， 云南昆明 650000; 2. 浙江華東工程有限公司， 浙江杭州 310000)

【摘要】藏木水電站5#～8#壩段為導流底孔壩段，4個導流底孔結構及尺寸完全相同。導流底孔出口段為斜弧面型溢流面，斷面尺寸為(寬)7.0 m×(高)11.5 m，孔底長53.36 m，孔頂長45.8 m。由于表孔過流時間過久，底孔封堵施工工期滯后4個月，原設計的“填筑橫向圍堰進行導流底孔封堵”方案的可行性及安全性存在諸多難點及不確定因素。為保證按時完成封堵施工，采用在孔口設置鋼結構圍堰擋水對底孔進行封堵施工。充分利用鋼結構圍堰的實用性、安全性和經濟性等特點成功應用其擋水功能，為導流底孔封堵按期完工提供強有力的技術支撐和可行性保障，為藏木水電站蓄水后首個洪水期安全度汛做出了重要貢獻。

【關鍵詞】藏木水電站；導流底孔；封堵；鋼結構；圍堰；應用

1工程概況

藏木水電站5#～8#壩段為導流底孔壩段，每個壩段內設1個導流底孔，每個導流底孔結構及尺寸完全相同。導流底孔出口段為斜弧面型溢流面，斷面尺寸為(寬)7.0 m×(高)11.5 m。底孔封堵區(qū)孔底高程3 246.00 m，長53.36 m；孔頂高程3 257.50 m，長44.49 m，此時底孔出口處消力池河水水位高程3 248.20 m。導流底孔分A塊、B塊、C塊澆筑，A、B兩塊利用設置在(壩)0+048.00樁號的混凝土擋水墻擋水(高程3 249.20 m)進行干地施工，C塊利用鋼結構圍堰(高程3 249.20 m)擋水進行干地施工。具體布置見圖1。

圖1　導流底孔施工布置

2鋼圍堰設計

鋼圍堰既需具備擋水功能，又需保證其不占有施工空間。根據現場實際情況，圍堰設計為三面擋水，分別為導流底孔下游正面擋水及導流底孔兩側面擋水。為使圍堰不占據施工作業(yè)空間，擬在導流底孔底板EL.3 246.00基礎上下降60 cm至EL.3 245.40作為鋼結構圍堰底部安裝高程。

鋼結構圍堰正面擋水模板先以垂直溢流面方式設置斜模板，以此形成挑檐，斜段模板長61.12 m，挑檐長度相對導流底孔下游邊緣為1.39 m，斜模板上連接豎直模板。鋼結構圍堰鋼兩側模板根據溢流面結構線及正向模板設置，側模板底口貼合溢流面。模板由-6 mm鋼面板及肋板組成，再用[16a圍檁加固。由于正面模板跨度較大且吃水較深，在模板背水側設置兩道8.6 m×0.8 m×1.0 m(長×寬×高)鋼桁架，以平均正面模板受力從而增加鋼圍堰整體抗水壓強度。側模板因面積較小、吃水深度淺，受力工況較好，僅需用圍檁支撐。鋼圍堰設計總寬度為9.1 m，導流底孔寬為7 m，這可使導流底孔兩邊各具有1.05 m施工作業(yè)空間。

導流底孔下游水位高程3 248.20 m，考慮到水位季節(jié)性漲高因素，最大擋水高程按3 249.20 m設計。考慮到浪高等因素，圍堰設計高程為3 250.02 m。由于施工工期的緊迫性，為最大限度節(jié)省工期，圍堰擬分兩次制作安裝。前期設計高程為3 249.42 m，后期根據水位情況適時安裝60 cm二次加高部分。屆時鋼結構圍堰總高程將達到3 250.02 m，足以滿足后期擋水需要。

鋼圍堰安裝依靠定位三腳架，固定依靠工字鋼和設置與導流底孔底板的插筋支撐(圖2)。

圖2　鋼圍堰平面布置

2.1受力分析

鋼圍堰所受荷載有水平方向和豎直方向的力。

(1)水平方向。逆水流方向的江水對正向模板的水壓力F1；垂直水流方向的江水對兩側向模板的水壓力F2和F3(圖3)。

圖3　水平方向受力狀況

根據水力學理論：F1=(1/2)γh2b

式中:h為水面深；b為受力面寬。

取h=hmax=4.62 m，b=9.1 m

F1=(1/2)9.8×4.622×9.1=951.75 kN

取安全系數為1.5，故F1按1.5×951.75 kN=1 427.625 kN考慮。

因鋼圍堰為對稱結構，左右兩側模板所受水壓力大小相同，方向相反，故水平力F2和F3抵消。

(2)豎直方向。

鋼圍堰自身重力：G=23.33×9.8=228.634 kN

江水對鋼圍堰向上的浮力：F′=287.034 kN

故合力(F)為：

F=F′-G=58.4 kN(方向向上)

取安全系數為1.2，故按F=1.2×58.4=70.08 kN考慮。根據以上受力分析，在最不利工況下(忽略側向模板支撐力)，鋼圍堰固定主要為平衡水平方向的水壓力及豎直方向的浮力。

2.2加固措施

水平方向布置5道(2工 14a)工字鋼對正面模板支撐，以平衡江水壓力，支撐點為焊接在鋼桁架上的鋼板形成;兩側側向模板布置2道(2工 14a)工字鋼對其支撐，以平衡在兩側模板受力不均情況下的不利荷載。鋼圍堰正向及側向支撐加固方式見圖4、圖5。

圖4　正向模板加固支撐方式

圖5　側向模板加固支撐方式

豎直方向主要由錨固在溢流面的三腳架對側向模板加固，三腳架上端用錨筋錨固在溢流面混凝土上，下端焊接在鋼圍堰側模板上，給鋼圍堰施加一個向下的抗浮力，以防止鋼圍堰上浮失穩(wěn)。鋼圍堰豎直方向抗浮加固方式見圖6。

圖6　鋼圍堰抗浮加固方式

2.3受力驗算

(1)水平方向。在最不利工況下(不考慮側模板支撐力)， 每根 工 14a工字鋼平均受水平水壓力(FH)為：FH=F1/10=142.76 kN。根據力的合成與分解將FH轉換為工字鋼軸向壓力(F)為:F=FH/sin45。=201.89 kN。根據本結構性質，較短支撐桿受力情況明顯強于較長支撐桿，故此僅需驗算較長支撐桿受力。

工 14a：A=21.516 cm2,iy=1.73 cm,根據歐拉定理：

長細比λ=μl/iy=0.5×353.24/1.73=102.1

在此受力情況下工字鋼可承受最大壓應力為：

δcr=π2E/λ2=3.142×2.06×1011/102.12=194.8 MPa

實際應力：δ=F/A=201.89×1000/21.516=93.83 MPa<δcr，故滿足受壓強度要求。

(2)豎直方向。根據受力分析，在考慮安全系數后F=1.2×58.4=70.08 kN，F由兩側模板上的抗浮三腳架承擔，每個三腳架承擔F/2=35.04 kN，約為3.5 t。根據工程經驗，由∠80×10角鋼組成的本抗浮三腳架完全能滿足受力強度要求，故不再進行受力驗算。

3鋼圍堰制作

鋼結構圍堰由項目部綜合加工廠制作完成。根據工程需要，共需制作4套鋼結構圍堰。

制作前先由技術部會同綜合加工廠負責人及制作工進行圖紙交底，并說明制作過程需注意的事項以及制作質量要求。鋼圍堰主要采用鋼模板焊接拼裝，然后用型鋼圍檁加固，成型后再進行附屬結構的安裝。

制作過程需注意事項：(1)鋼圍堰正向模板的斜模板與直模板角度必須控制在135°±1°范圍內，以保證鋼圍堰能精確安裝。(2)側向模板需按設計圖紙的尺寸進行放線，精確劃定其弧度與斜度進行切割、拼裝。(3)因鋼圍堰需密閉擋水，故要求所有焊縫全部滿焊，不得有漏焊現象。(4)加固圍檁必須雙面焊，以保證強度要求。(5)附屬結構如定位三腳架、止水、排水桶等必須按施工圖紙要求樁號、尺寸設置，且需加固牢靠。

鋼圍堰制作完成后經業(yè)主、監(jiān)理及項目部技術、質量、安全部門聯合驗收合格后才能使用。

4鋼圍堰安裝

安裝前準備工作：(1)測量工作。測定鋼圍堰正向、側向模板底部安裝樁號及高程，并測定定位三角架安裝樁號。(2)在孔前搭設棧橋為作業(yè)人員提供操作平臺。(3)人員設備就位。指揮人員、操作人員就位做好安裝準備，明確工作分工，安裝所需的電焊機、手動葫蘆等準備就位。

鋼圍堰先用25 t平板車運送至纜機吊裝現場，再用纜機吊運至導流底孔作業(yè)區(qū)進行安裝。安裝全過程均需纜機提供支持，待確定安裝完畢后纜機才能脫鉤。安裝過程依靠接擋水墻拉的手動葫蘆提供拉力，以使鋼圍堰按設計要求精確安裝到位。鋼圍堰定位安裝完成后立即進行臨時加固，加固后對圍堰內進行抽排水施工。由于圍堰內水位的變化會引起鋼圍堰受力情況及穩(wěn)定性的變化。抽排水過程需根據實際情況適時進行必要水平支撐及抗浮支撐，以確保鋼圍堰安全。

待圍堰內水排盡后再進行最后的整體加固工作，加固按照設計的型鋼支撐間距進行布設，支撐必須牢固可靠。

5鋼圍堰拆除

鋼圍堰安裝完成擋水左右后，加緊對導流底孔孔口C段備倉及混凝土澆筑施工。C段澆筑高度達到4.5 m(混凝土高程達到3 250.50 m)，已超過鋼圍堰高程，并足以滿足擋水需要，即可對鋼圍堰進行拆除。

鋼圍堰拆除采取氧氣乙炔切割其支撐連接，然后用纜機調離現場，再用25 t平板車運輸回收。

6鋼圍堰附屬結構

6.1橡皮管止水

因鋼圍堰的擋水功能要求其必須密閉不滲水，在鋼圍堰模板底部圈圍設置一道橡膠管止水，橡膠管直徑5 cm，壁厚1 cm，橡膠管依靠焊接在模板上的∠50×5角鋼固定。鋼圍堰安裝完成后在壓力的作用下橡膠管能緊密貼合在溢流面混凝土面部從而形成止水。橡膠管止水具體設置方式見圖7。

圖7　橡膠管止水布置

6.2積水桶

為使施工過程產生的廢水能及時排出孔外，在正向模板斜模板上按2.5 m間距共布置三個積水桶，積水桶采用直徑φ325 mm鋼管封底制成。積水桶焊接在斜模板上，其底口與斜模板底部齊平。在每個積水桶內布置一個小型污水泵，在施工過程中根據實際情況，適時進行抽排水。積水桶具體布置方式見圖8。

7結束語

鋼圍堰在藏木水電站導流底孔封堵施工中的成功應用較傳統的橫向土石圍堰擋水施工，不僅節(jié)約了施工工期，而且較大地節(jié)約了工程成本。在導流底孔封堵工期滯后4個月以及原橫向土石圍堰方案存在諸多不確定性和安全隱患的情況下，創(chuàng)新性地應用鋼結構圍堰擋水，并按期完成導流

圖8　積水桶設置方式

封堵施工，對大壩蓄水后首個洪水期安全度汛起到了不可代替的關鍵作用。根據實踐證明，鋼結構圍堰在導流底孔封堵中很好地體現了其安全性、經濟性和可靠性，在同類工程施工中值得推廣應用。

參考文獻

[1]劉亞坤.水力學[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[2]鋼結構設計手冊編委會.鋼結構設計手冊[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]鄧訓，徐遠杰.材料力學[M].武漢:武漢大學出版社，2002.

[4]包世華.結構力學(上冊，下冊)[M].武漢:武漢理工大學出版社，2008.

[5]建筑施工手冊(第四版)編寫組.建筑施工手冊[M].4版. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[作者簡介]楊雄(1988～)，男，學士，助理工程師，主要從事水利水電施工技術管理。

【中圖分類號】TV551.1+3

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-17