水電站導流洞封堵閘門下閘準備關鍵技術探討

黃 偉，劉興勝，祁英明

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電工程建設管理局，云南 維西674606）

0 引言

在水電站施工過程中，導流洞下閘封堵、水庫蓄水是電站建設的一個重要節(jié)點工程，但對于大型水電站工程，特別是大孔口、高水頭導流洞的下閘封堵技術要求高，水下情況復雜，施工難度仍然相對較大[1]，風險較高。導流洞過流時間一般較長，經歷高速水流沖刷、推移質磨蝕后，封堵閘門門槽、底坎及底板容易產生破壞，嚴重者可能影響電站下閘蓄水和投產發(fā)電目標的實現(xiàn)，許多電站采取了門槽保護、探摸等技術措施，取得了較好的效果，但同時也存在一些問題。本文結合烏弄龍水電站導流洞封堵閘門安裝過程中出現(xiàn)的問題及處理措施，從設備布置、設計及安裝三個方面，對水電站導流洞封堵閘門下閘準備關鍵技術進行探討。

1 工程概述

烏弄龍水電站在河床左岸布置2 條施工導流洞，每條導流洞進口設置1 孔封堵閘門，底坎高程1 813.00 m，孔口尺寸11.5 m×15.5 m，設計擋水水頭93 m，總水壓力55 058 kN，采用平面焊接鋼閘門，滑動支承，動水下閘，下閘水頭8 m，允許動水提門水頭≤21 m。門槽型式采用Ⅱ型，寬2 m，深1.25 m，寬深比為1.6。導流期間，為了保護門槽，在門槽周圍進行了鋼板襯砌，底板和上下游鋼板襯砌寬度共7.27 m，其中底坎寬3 m，上下游鋼襯分別寬2.27 m和2 m；距底坎6 m 高范圍內門槽上下游側墻襯砌分別寬1.25 m 和3 m。為防止導流期間推移質進入門槽，在門槽凹槽內設門槽保護框。每扇閘門由1臺2×5 000 kN-30 m 固定卷揚式啟閉機操作。

導流洞于2013 年12 月底過水，2018 年11 月上旬下閘，過流時間近5 年，經歷5 個汛期，超出原設計過水歷時，屬于超期服役。2017 年7 月發(fā)生近20 年一遇大洪水，流量5 560 m3/h。

圖1 導流洞閘門及啟閉機布置剖面圖

2 門槽保護設計與問題處理

2.1 門槽保護框設計

在門槽底部1 813.00～1 829.00 mm 高程設有門槽保護框，保護框主材為板厚20 mm的Q345B鋼板，主體為0.96 m×2.0 m×16 m 箱形結構，箱體有效高度內側為16.3 m，外側為16 m，箱體內每隔0.5 m 高度布置一道隔板，隔板中央開設腰形漏水漏沙孔，每側的保護框由4 節(jié)組成，節(jié)間通過高強螺栓聯(lián)成整節(jié)，總重23.6 t。頂節(jié)設吊耳，吊耳兩側安裝2 塊橡膠蓋板，防止雜物落入框內及門槽的空腔內。在背板兩側各設1 條卡板，與門槽主反軌上預設的卡板配合，將門槽保護框卡在門槽內，兩卡板間隙為10 mm。保護框迎水面的上下游側設置攔沙水封。

圖2 門槽保護框剖面圖

2.2 問題及處理

（1）門槽保護框卡阻處理

2018 年6 月門槽保護框開始拆除，在啟閉機安裝平臺布置500 kN 臨時卷揚系統(tǒng)，先拆除1 號導流洞右側保護框，存在卡阻現(xiàn)象，卷揚機超容量啟吊后才將保護框提出孔口，發(fā)現(xiàn)底部沾有30 cm 高的混凝土，箱體內被河沙、淤泥填滿。拆除左側保護框時，更換了卷揚系統(tǒng)，啟閉力增大至1 000 kN，數(shù)次超容量啟吊都未能將保護框提出。結合右側保護框出現(xiàn)的情況分析，導流洞過流后，閘門井進行了混凝土澆筑，由于保護框頂部橡膠蓋板設置不合理、混凝土施工防護措施不到位等原因，混凝土砂漿不慎進入保護框與門槽空腔，在底坎上堆積，將保護框與門槽凝結成一體，導致卡阻無法提升。經研究后，制作12 m 長、承載力為2 000 kN 的拉桿連接保護框，在1 861.00 m 閘門安裝平臺布置2 根鎖定梁作為頂升平臺，利用4 臺100 t 千斤頂頂升拉桿，將保護框提松后提出，發(fā)現(xiàn)底部沾有70 cm 高的混凝土，強度和硬度較高，對比分析后認為門槽底部應該還殘留混凝土，將會影響閘門下閘到底，需提前處理。

（2）門槽混凝土水下處理

為解決門槽底檻殘留混凝土，利用拆出的門槽保護框改造成導流洞門槽水下混凝土清渣裝置，該裝置由下水通道、保護框、工作艙3 部分組成（具體見圖3）。下水通道由內徑為Φ0.9 m 的鋼管和爬梯組成，工作時下水通道上部管口露出水面；保護框由面板、側板、背板、隔板、爬梯、卡板和水封組成，保護框在起落過程中及下落到底坎后，通過保護框背部的卡板與門槽上預設的卡板的卡接作用，將裝置導入并固定在門槽凹槽內，防止被水流沖走，隔板開設腰型人孔作為潛水員上下通道；水下工作艙由面板、水封組成。裝置下落到底后，在面板和攔沙水封共同作用下，將裝置內部與外部的水流隔斷，裝置內部形成一個水流相對靜止的密閉空間，潛水人員通過下水通道、保護框和水下工作艙內的爬梯，安全下潛到水下工作艙，對門槽底部混凝土等進行清理。該方法利用現(xiàn)有設備改造，簡單高效，取得了很好的效果，為門槽探摸和下閘爭取了的時間。

圖3 門槽水下清渣裝置

3 門槽探摸

3.1 探摸門設計

水下探摸時間選取10 月下旬，探摸門設計時按流量≤800 m3/s、水頭≤16 m 進行剛度、強度計算。主體材料采用板厚為32 mm 的Q345C 鋼板，總重68 t，寬13.55 m，厚1.86 m，高8 m，分兩節(jié)制作，其中，寬度與閘門一致以達到探槽的目的；邊梁為潛水員上下通道，考慮潛水員穿上潛水服后能自由上下，截面尺寸設計為1.86 m×1.2 m（凈空1.5 m×0.82 m）；底梁為檢查艙，是潛水員水下探摸作業(yè)的工作場所，考慮潛水員穿上潛水服后能在艙內方便行走和施工作業(yè)，截面尺寸設計為1.9 m×1.86 m（凈空1.69 m×1.2 m），兩邊梁上部采用箱形聯(lián)系梁連接；主滑塊與封堵閘門型號相同，邊梁上游面設定位板，其主要作用是防止閘門左右擺動，與左右門槽反軌護角各留10 mm 間隙。

3.2 門槽探摸

根據電站下閘蓄水計劃，導流洞下閘時間定在2018 年11 月7 日，因此門槽探摸需在2018 年10月底全部完成。探摸期電站來水較往年偏大，流量約1 000 m3/s，已超過探摸門設計值。在兩邊梁頂各焊接1 根內徑為Φ0.9 m，高度為5 m 的鋼管，確保管口露出水面，加高探摸門，保證潛水員上下安全。經多次嘗試，探摸門依靠自重始終無法下落到底，增加了35 t 配重才順利下落到底，潛水員進入探摸門下潛到水下，對門槽及底坎進行了水下探摸檢查，結果表明，門槽及底坎沒有破壞，底坎沒有淤積，滿足下閘條件。

4 閘門及啟閉機安裝問題與處理

閘門為平面焊接鋼閘門，分10 節(jié)制造運輸，每節(jié)門葉為箱型梁結構，節(jié)間采用腰帶板在工地焊接成整體。2 臺啟閉機額定啟門力2×5 000 kN，起升高度30 m，分別利用龍開口水電站2×5 000 kN-80 m 和2×6 300 kN-80 m 固定卷揚式啟閉機改造而成。

根據施工進度計劃安排，門槽探摸和閘門安裝必須平行施工，否則工期不能滿足下閘要求，而安裝工位只有一個，為了解決工位問題，研究采用了雙工位方案，在閘門井1 837.00 m 安裝平臺上游側埋設鋼板，澆筑混凝土安裝墩，增加一個安裝工位（前提是空間足夠），用來組裝閘門，門槽孔口騰出給門槽探摸。門槽探摸完成后，將固定卷揚機機架下游側加長，利用滾杠和千斤頂將啟閉機整體向上游平移至新的安裝工位閘門上方，聯(lián)接閘門起吊后，再將啟閉機和閘門整體平移至下閘位置，創(chuàng)新采用了閘門及啟閉機整體平移方案，取得了很好的效果。

電站導流洞于2018 年11 月7 日順利下閘，進入導流洞檢查，發(fā)現(xiàn)閘門止水效果良好，門槽主反軌、底坎及鋼襯完整，無明顯沖蝕、破壞情況，下閘成功。

5 探討與思考

5.1 設備布置探討

（1）啟閉機布置

烏弄龍導流洞未布置啟閉機排架，啟閉機安裝在閘門井上方，對閘門及探摸門組裝造成不便：須待閘門、探摸門吊入閘門井組裝后，才能安裝啟閉機，否則啟閉機安裝后，擋住閘門井孔口，閘門及探摸門將無法吊入閘門井；而探摸門如需轉至另一孔，必須解體，以散件形式從孔口空檔吊出，重組工作量大。建議在條件允許的情況下，仍宜考慮采用啟閉機排架方案，啟閉機安裝不受汛期等外界條件制約，可以提前在排架上安裝，閘門和探摸門吊裝不受啟閉機占位孔口的影響。雖然從表面看增加了排架投資，但設備安裝時序的靈活性大大提高。

（2）閘門安裝雙工位布置

烏弄龍導流洞門槽探摸和閘門安裝工期非常緊張，采用了雙工位平行施工方案，前提條件是閘門井空間足夠布置雙工位，具有一定的偶發(fā)性，并非設計本意。借鑒烏弄龍電站經驗，對于門槽探摸完成后需立即下閘，探討雙工位布置方案，將順序施工轉化為平行施工，即探摸門組裝及門槽探摸與閘門安裝平行施工，因閘門安裝不受汛期制約，靈活性大，可提前安裝。具體實施方法：導流洞進水塔結構設計時，適當加大閘門井上下游尺寸，在順水流方向再增加一個工位，孔口工位用于探摸門組裝及門槽探摸，另一個工位用于閘門安裝，平行施工互不干擾，門槽探摸完成后，啟閉機聯(lián)接閘門整體平移至下閘位置，可節(jié)省工期約3 個月，設備布置及啟閉機設計時需考慮具備上下游平移條件。

5.2 門槽保護探討

（1）門槽保護的必要性

門槽保護裝置的主要作用：一是保護框與門槽的主反軌過流面搭接在一起，形成一個較平順的過流面，有利于改善門槽段過流流態(tài)；二是保護門槽主軌和反軌工作面，避免長期遭受水流沖刷、推移質撞擊及泥沙磨蝕；三是防止泥沙、懸移質等淤積在門槽內，影響門槽探摸和閘門下閘。查閱相關文獻，導流門槽損壞主要集中在底坎及底板，而門槽一般不會出現(xiàn)問題，相反，門槽保護裝置卡阻、破壞的電站比較多[2-5]，主要原因有：①一些早期的水電項目，設計經驗不足，保護裝置設計不合理；②導流洞是水電站施工較早的項目，施工、監(jiān)理及業(yè)主單位金結專業(yè)人員很難配齊到位，而土建專業(yè)管理及技術人員往往重視程度不夠，防護不到位，施工時容易導致混凝土砂漿、建筑垃圾等雜物進入框內造成卡阻；③有些導流洞過流時間長，環(huán)境惡劣，保護裝置長期受上游漂木、滾石等撞擊，損壞、沖毀。目前第①點原因已基本不存在，第②、③點還較難以防范。而門槽保護裝置一旦卡阻或損壞，如果不能順利提出，需潛水員水下切割等處理措施，因保護裝置處于水下，流速較大，施工難度非常大，漫灣水電站和拉西瓦水電站分別歷時6 個月和4 個月才完成處理工作，影響電站按期下閘。

而很多水電站導流洞未設置門槽保護框，如龍羊峽、公伯峽、黑河金盆水庫、黃石灘水庫、王圪堵水庫等，經水下檢測，門槽兩側沒有淤積、破壞記錄，下閘順利[5]。隨著水電站設計、施工水平的不斷提高，建設周期越來越短，導流洞過流時間也較以前減少，門槽受損機率相應減少。也有相關專業(yè)人士認為導流洞門槽設置保護框本身存在很大風險，風險比不設保護框可能更大[2]。是否設置保護框，應該慎重，筆者建議結合電站所處河段水文特征、導流洞布置位置、過流時間、水頭、流速和流量等因素，綜合考慮。

表1 水電站導流洞門槽保護裝置卡阻、損壞情況統(tǒng)計表

（2）底板預防措施

導流洞門槽在多年過水后，損壞最嚴重的大多是底板，而底板又無法保護，建議在底板設計、施工時采取預防措施：①底坎設計時，增加結構強度和鋼板厚度，必要時采用抗沖耐磨性能好的鋼板；②嚴格控制底坎、底板鋼襯制造安裝質量，尤其是加強錨固筋的焊接質量；③適當增加底坎上下游鋼板襯的保護范圍，同時應防止底坎及鋼襯砌二期混凝土回填時出現(xiàn)脫空，設計底板灌漿處理措施；④采用抗沖耐磨混凝土，提高底板混凝土施工質量。筆者經歷的里底、烏弄龍和糯扎渡3 座瀾滄江上的大型水電站，采用了以上預防措施，取得了很好的效果。

5.3 門槽探摸相關問題探討

（1）門槽探摸的必要性

導流洞過流速度較大，水質較渾濁，即使門槽部位出現(xiàn)不同程度的沖蝕、破壞等情況，僅從水面是無法感觀和了解的，如果貿然下閘，容易造成下閘困難或失敗，加劇門槽及底板的破壞，嚴重的可能影響電站蓄水和投產發(fā)電里程碑目標的實現(xiàn)。為確保下閘一次成功，減少下閘封堵等施工風險，筆者認為有必要在下閘前制造探摸門，潛水員水下探摸檢查，發(fā)現(xiàn)問題提前處理，保證下閘的成功率，投入雖少，但作用很大。

（2）門槽探摸時機選擇

門槽探摸時機有三種選擇：①汛前探摸。門槽將再經歷1 個汛期沖刷，可能發(fā)生變化，探摸作用打折扣；②汛中探摸。流量大、流速和水頭高，存在探摸門難以下到底、探摸風險高等問題；③汛末或枯水期探摸。風險小，探摸效果好。如果工期允許，建議在汛末或枯水期探摸。

（3）探摸門設計、制造

目前業(yè)內導流洞下閘施工招標文件一般要求探摸門由施工單位設計和制造，而施工單位普遍存在設計能力偏弱、經驗不足、現(xiàn)場制造水平偏低等問題，探摸門下水試探過程其實質就是單節(jié)閘門動水下閘，存在門頂和門底同時過流情況，探摸門處于紊亂的脈動水流中，工況復雜，如果探摸門設計和制造質量不高，難以滿足導流洞大流速、高水頭下探摸要求，建議探摸門由工程設計單位設計，與封堵閘門一并招標采購。

（4）門槽水下清渣裝置

結合烏弄龍電站門槽凹槽底部混凝土水下處理，可以考慮在門槽主反軌上預設卡板裝置備用，一旦發(fā)現(xiàn)門槽凹槽底部淤積混凝土、建筑垃圾等雜物需要提前水下處理，而受水流流量、流速、水頭和現(xiàn)場安裝條件等限制，探摸門尚不具備條件下水時，制作門槽水下清渣裝置，對門槽凹槽底部堆積物進行處理。該裝置的優(yōu)點：體積小，所有部件布置在門槽的凹槽內，擋水面積小，水壓力小，通過自重可以順利下落到閘門底坎上。

（5）簡易試探框方案

由于流量大、流速高、水頭高等原因，不具備潛水員下水探摸條件時，可以考慮簡易試探框方案。設計制造試探框，采用桁架結構，減少擋水面積和水壓力，減少支承和水封摩阻力，易于下落到底，試探框外形尺寸與封堵閘門一致，利用試探框模擬閘門邊梁底部、底水封與底坎的接觸，在邊梁、轉角水封處、底水封預先裝設與底水封相似的膠皮，在膠皮上每隔20 cm 裝設壓縮量為5 mm 的探針裝置（用小鐵釘由下往上楔入底部膠皮內，外露5 mm），下落到底后將試探框提起，觀察探針在膠皮上的楔入狀態(tài)，若全部完全楔入，則表明試探框已落到底，且底坎未損壞，若探針全部沒有楔入或部分楔入，則分析是試探框未落到底，或是底坎損壞，還是門槽內有障礙物，然后采取相應對策。

6 結語

烏弄龍水電站導流洞封堵閘門門槽保護與探摸、閘門及啟閉機安裝過程中遇到了一些問題，通過研究分析，采取相應的處理措施，取得了很好的效果，確保了下閘成功。本文是對水電站導流洞封堵閘門下閘準備關鍵技術的幾點探討與思考，僅供參考。