鋼圍堰在藏木水電站導(dǎo)流底孔封堵施工的應(yīng)用

楊　雄， 吳小峰, 張　剛

(1. 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)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)

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鋼圍堰在藏木水電站導(dǎo)流底孔封堵施工的應(yīng)用

楊雄1， 吳小峰1, 張剛2

(1. 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)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(dǎo)流底孔壩段，4個(gè)導(dǎo)流底孔結(jié)構(gòu)及尺寸完全相同。導(dǎo)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(zhǎng)53.36 m，孔頂長(zhǎng)45.8 m。由于表孔過(guò)流時(shí)間過(guò)久，底孔封堵施工工期滯后4個(gè)月，原設(shè)計(jì)的“填筑橫向圍堰進(jìn)行導(dǎo)流底孔封堵”方案的可行性及安全性存在諸多難點(diǎn)及不確定因素。為保證按時(shí)完成封堵施工，采用在孔口設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)圍堰擋水對(duì)底孔進(jìn)行封堵施工。充分利用鋼結(jié)構(gòu)圍堰的實(shí)用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)成功應(yīng)用其擋水功能，為導(dǎo)流底孔封堵按期完工提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和可行性保障，為藏木水電站蓄水后首個(gè)洪水期安全度汛做出了重要貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】藏木水電站；導(dǎo)流底孔；封堵；鋼結(jié)構(gòu)；圍堰；應(yīng)用

1工程概況

藏木水電站5#～8#壩段為導(dǎo)流底孔壩段，每個(gè)壩段內(nèi)設(shè)1個(gè)導(dǎo)流底孔，每個(gè)導(dǎo)流底孔結(jié)構(gòu)及尺寸完全相同。導(dǎo)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(zhǎng)53.36 m；孔頂高程3 257.50 m，長(zhǎng)44.49 m，此時(shí)底孔出口處消力池河水水位高程3 248.20 m。導(dǎo)流底孔分A塊、B塊、C塊澆筑，A、B兩塊利用設(shè)置在(壩)0+048.00樁號(hào)的混凝土擋水墻擋水(高程3 249.20 m)進(jìn)行干地施工，C塊利用鋼結(jié)構(gòu)圍堰(高程3 249.20 m)擋水進(jìn)行干地施工。具體布置見(jiàn)圖1。

圖1　導(dǎo)流底孔施工布置

2鋼圍堰設(shè)計(jì)

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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，圍堰設(shè)計(jì)為三面擋水，分別為導(dǎo)流底孔下游正面擋水及導(dǎo)流底孔兩側(cè)面擋水。為使圍堰不占據(jù)施工作業(yè)空間，擬在導(dǎo)流底孔底板EL.3 246.00基礎(chǔ)上下降60 cm至EL.3 245.40作為鋼結(jié)構(gòu)圍堰底部安裝高程。

鋼結(jié)構(gòu)圍堰正面擋水模板先以垂直溢流面方式設(shè)置斜模板，以此形成挑檐，斜段模板長(zhǎng)61.12 m，挑檐長(zhǎng)度相對(duì)導(dǎo)流底孔下游邊緣為1.39 m，斜模板上連接豎直模板。鋼結(jié)構(gòu)圍堰鋼兩側(cè)模板根據(jù)溢流面結(jié)構(gòu)線及正向模板設(shè)置，側(cè)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(cè)設(shè)置兩道8.6 m×0.8 m×1.0 m(長(zhǎng)×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(qiáng)度。側(cè)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(shè)計(jì)總寬度為9.1 m，導(dǎo)流底孔寬為7 m，這可使導(dǎo)流底孔兩邊各具有1.05 m施工作業(yè)空間。

導(dǎo)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(shè)計(jì)。考慮到浪高等因素，圍堰設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)高程為3 249.42 m，后期根據(jù)水位情況適時(shí)安裝60 cm二次加高部分。屆時(shí)鋼結(jié)構(gòu)圍堰總高程將達(dá)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(shè)置與導(dǎo)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(duì)正向模板的水壓力F1；垂直水流方向的江水對(duì)兩側(cè)向模板的水壓力F2和F3(圖3)。

圖3　水平方向受力狀況

根據(jù)水力學(xué)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(shù)為1.5，故F1按1.5×951.75 kN=1 427.625 kN考慮。

因鋼圍堰為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)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(duì)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(shù)為1.2，故按F=1.2×58.4=70.08 kN考慮。根據(jù)以上受力分析，在最不利工況下(忽略側(cè)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(duì)正面模板支撐，以平衡江水壓力，支撐點(diǎn)為焊接在鋼桁架上的鋼板形成;兩側(cè)側(cè)向模板布置2道(2工 14a)工字鋼對(duì)其支撐，以平衡在兩側(cè)模板受力不均情況下的不利荷載。鋼圍堰正向及側(cè)向支撐加固方式見(jiàn)圖4、圖5。

圖4　正向模板加固支撐方式

圖5　側(cè)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(duì)側(cè)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(cè)模板上，給鋼圍堰施加一個(gè)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(jiàn)圖6。

圖6　鋼圍堰抗浮加固方式

2.3受力驗(yàn)算

(1)水平方向。在最不利工況下(不考慮側(cè)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(jù)力的合成與分解將FH轉(zhuǎn)換為工字鋼軸向壓力(F)為:F=FH/sin45。=201.89 kN。根據(jù)本結(jié)構(gòu)性質(zhì)，較短支撐桿受力情況明顯強(qiáng)于較長(zhǎng)支撐桿，故此僅需驗(yàn)算較長(zhǎng)支撐桿受力。

工 14a：A=21.516 cm2,iy=1.73 cm,根據(jù)歐拉定理：

長(zhǎng)細(xì)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(yīng)力為：

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

實(shí)際應(yīng)力：δ=F/A=201.89×1000/21.516=93.83 MPa<δcr，故滿足受壓強(qiáng)度要求。

(2)豎直方向。根據(jù)受力分析，在考慮安全系數(shù)后F=1.2×58.4=70.08 kN，F(xiàn)由兩側(cè)模板上的抗浮三腳架承擔(dān)，每個(gè)三腳架承擔(dān)F/2=35.04 kN，約為3.5 t。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，由∠80×10角鋼組成的本抗浮三腳架完全能滿足受力強(qiáng)度要求，故不再進(jìn)行受力驗(yàn)算。

3鋼圍堰制作

鋼結(jié)構(gòu)圍堰由項(xiàng)目部綜合加工廠制作完成。根據(jù)工程需要，共需制作4套鋼結(jié)構(gòu)圍堰。

制作前先由技術(shù)部會(huì)同綜合加工廠負(fù)責(zé)人及制作工進(jìn)行圖紙交底，并說(shuō)明制作過(guò)程需注意的事項(xiàng)以及制作質(zhì)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(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)的安裝。

制作過(guò)程需注意事項(xiàng)：(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(nèi)，以保證鋼圍堰能精確安裝。(2)側(cè)向模板需按設(shè)計(jì)圖紙的尺寸進(jìn)行放線，精確劃定其弧度與斜度進(jìn)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(xiàn)象。(4)加固圍檁必須雙面焊，以保證強(qiáng)度要求。(5)附屬結(jié)構(gòu)如定位三腳架、止水、排水桶等必須按施工圖紙要求樁號(hào)、尺寸設(shè)置，且需加固牢靠。

鋼圍堰制作完成后經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理及項(xiàng)目部技術(shù)、質(zhì)量、安全部門(mén)聯(lián)合驗(yàn)收合格后才能使用。

4鋼圍堰安裝

安裝前準(zhǔn)備工作：(1)測(cè)量工作。測(cè)定鋼圍堰正向、側(cè)向模板底部安裝樁號(hào)及高程，并測(cè)定定位三角架安裝樁號(hào)。(2)在孔前搭設(shè)棧橋?yàn)樽鳂I(yè)人員提供操作平臺(tái)。(3)人員設(shè)備就位。指揮人員、操作人員就位做好安裝準(zhǔn)備，明確工作分工，安裝所需的電焊機(jī)、手動(dòng)葫蘆等準(zhǔn)備就位。

鋼圍堰先用25 t平板車(chē)運(yùn)送至纜機(jī)吊裝現(xiàn)場(chǎng)，再用纜機(jī)吊運(yùn)至導(dǎo)流底孔作業(yè)區(qū)進(jìn)行安裝。安裝全過(guò)程均需纜機(jī)提供支持，待確定安裝完畢后纜機(jī)才能脫鉤。安裝過(guò)程依靠接擋水墻拉的手動(dòng)葫蘆提供拉力，以使鋼圍堰按設(shè)計(jì)要求精確安裝到位。鋼圍堰定位安裝完成后立即進(jìn)行臨時(shí)加固，加固后對(duì)圍堰內(nèi)進(jìn)行抽排水施工。由于圍堰內(nèi)水位的變化會(huì)引起鋼圍堰受力情況及穩(wěn)定性的變化。抽排水過(guò)程需根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)進(jìn)行必要水平支撐及抗浮支撐，以確保鋼圍堰安全。

待圍堰內(nèi)水排盡后再進(jìn)行最后的整體加固工作，加固按照設(shè)計(jì)的型鋼支撐間距進(jìn)行布設(shè)，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(duì)導(dǎo)流底孔孔口C段備倉(cāng)及混凝土澆筑施工。C段澆筑高度達(dá)到4.5 m(混凝土高程達(dá)到3 250.50 m)，已超過(guò)鋼圍堰高程，并足以滿足擋水需要，即可對(duì)鋼圍堰進(jìn)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(jī)調(diào)離現(xiàn)場(chǎng)，再用25 t平板車(chē)運(yùn)輸回收。

6鋼圍堰附屬結(jié)構(gòu)

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(shè)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(shè)置方式見(jiàn)圖7。

圖7　橡膠管止水布置

6.2積水桶

為使施工過(guò)程產(chǎn)生的廢水能及時(shí)排出孔外，在正向模板斜模板上按2.5 m間距共布置三個(gè)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(gè)積水桶內(nèi)布置一個(gè)小型污水泵，在施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況，適時(shí)進(jìn)行抽排水。積水桶具體布置方式見(jiàn)圖8。

7結(jié)束語(yǔ)

鋼圍堰在藏木水電站導(dǎo)流底孔封堵施工中的成功應(yīng)用較傳統(tǒng)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(dǎo)流底孔封堵工期滯后4個(gè)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(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)圍堰擋水，并按期完成導(dǎo)流

圖8　積水桶設(shè)置方式

封堵施工，對(duì)大壩蓄水后首個(gè)洪水期安全度汛起到了不可代替的關(guān)鍵作用。根據(jù)實(shí)踐證明，鋼結(jié)構(gòu)圍堰在導(dǎo)流底孔封堵中很好地體現(xiàn)了其安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在同類(lèi)工程施工中值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]楊雄(1988～)，男，學(xué)士，助理工程師，主要從事水利水電施工技術(shù)管理。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TV551.1+3

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-17