某工程水下壩面平整度測量系統設計及實施

郭富權 ,譚大基, 邢怡芳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

某工程水下壩面平整度測量系統設計及實施

郭富權 ,譚大基, 邢怡芳

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

根據某工程閘門槽缺陷修復的工程實踐，介紹了水下混凝土平整度測量方法及系統布置，并對測量框結構設計和關鍵部位的細部布置做了詳細介紹。實施效果證明，采用大截面水封橡皮在進行隨形處理后，對不平整度較高的表面實施封水能夠滿足需要，達到了封水效果。關鍵詞：水下測量;測量系統；平整度；活動吊耳;隨形水封;測量分析

1 工程概況

某水電站采用混凝土重力壩。溢洪道布置在河床中間，兩側各設1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5 m×8 m(寬×高)，設有5 m×9.6 m平板式事故檢修閘門，出口處設弧形工作閘門。在日常檢查中發現泄水底孔事故檢修閘門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，危機大壩安全。業主委托作者單位進行底孔事故檢修閘門的門槽修復設計。

2 問題提出

本工程中正常蓄水位距離事故檢修閘門底坎水頭為45 m，屬于中壓水頭，潛水員工作時間不宜過長。經向業主了解以前修復的狀態，由于均為水下作業修復，效果不太理想。根據現場實際情況和前期經驗，通過綜合評價法[1]最終確認事故檢修閘門門槽修復采用旱地修復方案。如需創造旱地施工條件，必須設置專用設備將上游水擋住。事故檢修閘門為最靠近上游側的門槽。門槽體形平面布置見圖1。

圖1 事故檢修閘門槽體形平面圖 單位：mm

確定旱地施工的方案后，根據水庫實際情況，無法把水位降至事故門槽底坎以下，經多方案綜合比較后，決定采用一個浮體門[2]在45 m水頭下將上游側孔口外側完全覆蓋，達到封水目的。

浮體門采用大截面橡膠水封[3]作為封水材料并兼作支承。由于沒有現成的封水面，只能以混凝土壩面作為封水面。大壩混凝土為大塊混凝土澆筑，考慮止水橡皮是直接作用在8.7 m×15 m(寬×高)的混凝土面上，如閘門橡皮止水面在一個平面內，由于受混凝土壩面不平整度的影響，可能一處橡皮已壓縮30 mm，另外一處還沒壓縮，造成局部橡皮壓應力過大和止水效果不好的情況。為了達到理想的封水效果，需先測量止水范圍內混凝土平面的平整度，根據混凝土壩面的實際平整度設置隨形水封橡皮，減小壩面混凝土不平整度對閘門止水橡皮的壓應力，達到止水效果。

3 設計方案

大壩混凝土面的平整度測量原理是將上千個可上下游移動的尼龍棒[4]在測量前先調整到同一個基準面，并和大壩面保持一定距離，依次推動尼龍棒和大壩混凝土面接觸，所有尼龍棒推出的端點將形成一個平面，認為此平面就是大壩混凝土的實際平面。這樣的端點越多，測量的結果越精確。

整個施工分3步實施：

第1步，測量止水橡皮止水范圍內的混凝土平整度，考慮誤差影響，測量范圍比實際止水范圍稍大。

第2步，根據測量結果制做隨形水封、加工鋼結構件。

第3步，落門封堵孔口止水，創造旱地施工條件。

4 測量試探框設計

壩面平整度測量系統主要由測量試探框、壩前鋼平臺[5]、導向支架、重錘錨、壩頂支承架[6]、手動葫蘆、固定卷揚機及測深裝置等組成。測量鋼平臺作為啟閉測量試探框的固定卷揚機的支撐平臺。壩頂支承架和導向支架約束測量試探框向上游側運動，重錘錨提供鉛直導向。混凝土壩面平整度測量布置如圖2。

4.1 設計原則

測量試探框的作用是測量止水范圍內混凝土平整度，因此本體質量應越輕越好，可減輕啟閉設備容量。測量框大小為9.3 m×15.63 m，測量狀態為直立式，讀取數據狀態為平躺在壩頂。本測量框需考慮吊裝[7]的因素，構件應有一定剛度，避免在改變狀態時出現高度方向上撓度過大的現象。

圖2 混凝土壩面平整度測量布置圖 單位：mm

4.2 測量框結構設計

為減輕測量框本體的質量，經比較，采用桁架結構[8]形式，除固定尼龍棒處采用大塊鋼板外，其他部分均采用工字鋼、角鋼和連接鋼板，在設計中截面高度的選擇主要考慮測量試探框吊裝時從平躺到直立過程中對剛度的要求。 測量試探框由吊耳裝配、側部結構、中部桁架、頂部結構和底部結構構成。

整個測量框進入水中后對垂直度要求很高，否則影響測量結果。通過理論計算的重心位置會因實際各方面原因存在誤差，因此平衡梁上吊耳[9]宜設置為活動式，通過實際情況調整吊耳的位置，保證測量框在水中的垂直度。活動吊耳可調整范圍為1 m。在平衡梁上焊接“丁”形板，鋼板與平衡梁面板形成空腔，允許吊耳板在內部沿水流方向滑動，并在板上開“U”形孔，用于確定位置后通過螺栓擰緊鎖定吊耳位置。活動吊耳施工如圖3。

圖3 活動吊耳施工圖 單位：mm

側部結構上游側為整鋼板，主要為固定尼龍棒提供支撐位置，并可增加側向剛度。下游側為垂直“工”字鋼，通過圓鋼管連接上下游側，面板距離“工”字鋼距離1.55 m，主要是考慮吊裝后整體構件沿長度方向變形的抗變形能力。在高度方向相隔1.2 m設置斜桿連接，增加整體剛度。側部結構如圖4所示。

圖4 側部結構圖 單位：mm

頂部結構、中部桁架結構和底部桁架結構采用同樣思路和尺寸進行設計，在頂部結構兩側設置1個導向裝置，使試探框可按系統中已經設置的導向繩方向行進。

尼龍棒按左右岸方向間距200 mm，高程方向間距100 mm布置，尼龍棒采用直徑23 mm、長度500 mm的MC-6尼龍。在面板焊接內徑24 mm、外徑42 mm、長度70 mm的鋼管，并在鋼管下游側安裝帶手柄螺栓，起到放松和固定尼龍棒的作用，測量試探框共設置尼龍棒1 220個。

5 測量試探框施工

在進行試探框測量時，首先用壩頂門機回轉吊將試探框吊出壩面，移動至壩面的鋼平臺附近，將鋼平臺上固定卷揚機與試探框連接后，脫開回轉吊與試探框的連接。安裝導向裝置和2套測深裝置。2套測深裝置：一套主要測量試探框的高程，另一套主要測量試探框本身的平行度。當試探框就位并鎖定后。潛水員下水，在試探框左右上角做明顯的標記，為以后浮體門落門提供基準。隨后潛水員通過2 d時間將各個尼龍棒向上游推動，緊緊貼合壩面，并用鎖定螺栓鎖緊。在所有尼龍棒全部鎖定后，解除對試探框的鎖定，將其吊出水面，再利用回轉吊吊離水面，放置在壩頂成平躺狀態。

6 測量試探框數據分析

在進行數據分析前，我們對試探框選取頂部5排、底部5排、左右側各5列進行數據讀取，測點數共1 220個。數據分析[10]結果如下：

頂部混凝土止水面中部略凸，左右側基本等高，整個頂止水帶全長范圍內最高點和最低點差為44 mm。底部混凝土止水面中部略凹，左右側基本等高，整個底止水帶全長范圍內最高點和最低點差為43 mm。左側混凝土止水面有2處局部凹坑，數據差值為35 mm。右側混凝土止水面中部略凸，頂底側基本等高，有局部凸臺和凹坑。全長范圍內最高點和最低點差為103 mm。整個混凝土止水面(寬8.7 m、高15 m)基本在一個平面內，4個角點平均值最高與最低相差20 mm。基本不存在扭曲現象。

7 浮體閘門隨形水封

根據上述測量結果，對浮體門水封進行設計和加工[11]，并在現場進行水封局部修補，使水封接觸面盡可能接近壩面實體。

8 結 語

通過修補后的水封在經過最后的復測無誤后，開始進行浮體閘門的落門封堵，整個過程順利。封堵閘門就位后，開啟弧門放水。

在出口弧門處觀測無水流0.5 h后，人下到流道內檢查。此封水效果良好，沒有看到漏水，達到了設想的設計目標。

根據試探框數據分析，在同一直線段上，最高點和最低點高程差103 mm。采用常規水封的實際封水效果將不容樂觀。通過本工程的實施，實際證明采用大截面水封橡皮在進行隨形處理后，對不平整度較高的表面實施封水是能夠達到的。

底孔進口成功封堵，為事故檢修閘門槽修復提供了旱地施工的條件，結果表明，底孔進口周邊壩面混凝土不平整度的水下測量系統設計思路新穎，有一定的創新性， 為以后水利水電工程或類似水下流道孔口封堵的設計與施工提供了一次有益的探索。

[1] 江高.模糊層次綜合評價法及其應用[D].天津:天津大學,2005：59-61.

[2] 方勇.劉家峽水電站溢洪道增設檢修閘門設計研究[J].西北水電,2011(03):76-79 .

[3] 雷艷.大截面承載傳力水封的非線性計算研究[J].水力發電學報,2010(02)：228-233 .

[4] 史建設.纖維狀凹凸棒增強尼龍6的微觀結構及力學性能[J].功能材料，2010(05)：830-832.

[5] 武超.武漢中心工程柱頂后置架空鋼平臺設計與施工[J].施工技術,2013(18):5-8.

[6] 周明.廣州珠江新城西塔塔吊支承架結構承載力研究[J].施工技術,2008(05)：22-25.

[7] 魏成權.大跨度雙曲面鋼屋蓋吊裝技術[J].建筑技術,2010(0 2): 110-113.

[8] 周緒紅.豎向荷載作用下交錯桁架結構的內力計算[J].工程力學,2004(03): 25-30.

[9] 潘文江.大型吊裝中設備吊耳設計與驗收[J].石油工程建設,2009(03):49-51.

[10] 章婷.標準樣片制備的測量數據分析方法研究[J].計算機與數字工程,2010(09): 16-18.

[11] 雷志云.冶金用GYSF水封產品的配方研究[J].潤滑與密封,2007(04): 190-193.

Design and Implementation of Measurement System for Flatness of Dam Surface under Water

GUO Fuqua, TAN Daji, XING Yifang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Based on the engineering practice of the gate slot repair, the measurement method and the measurement system arrangement for the concrete flatness measurement under water are introduced. Furthermore, design of the measurement frame structure and detailed arrangement of key positions are described in detail. The practice proves that the sealing rubber in a large section, after being treated for profile following, can satisfying requirement of the water sealing on the surface where unevenness is high, realizing the water sealing effect. Key words: measurement under water; measurement system; flatness; moveable lug; profile-followed water seal; measurement analysis

1006—2610(2016)06—0066—03

2016-08-02

郭富權(1972- )，男，河南省鄧州市人，高級工程師，主要從事機械、金屬結構設計、研究及運用工作.

TV738

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.017