基于壩身導流情況下底孔閘門安裝方式探究

趙 洋，王春娟，趙 珍，馬少博，張 波

(1.陜西省水務集團有限公司，陜西 西安 710004；2.楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100；3.中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710075)

1 研究背景

對于大中型水庫，將導流建筑物和永久性建筑物進行結合設計，在施工和運營過程中發揮雙重作用。對于小型水庫，在考慮項目整體投資規模小，考慮壩身過流方式進行導流，可有效降低項目投資成本。導流施工技術在水利工程施工中廣泛應用，在水利工程施工中應用能夠發揮重要作用[1-2]。李然[3]對小灣水電工程壩身導流底孔封堵進行了介紹，成功完成了大壩導流底孔封堵工作。尹學明[4]等結合大型水利水電工程分析施工導流方案，發現方案的優劣性直接決定了項目總進度和總工期。崔世彬[5]對某一水電站大壩臨時工程施工分析，對水電站大壩臨時導流底孔出口啟閉機排架施工要點進行了全面闡述。李方平[6]等通過對旭龍水電站導流建筑物規模、導流隧洞出口布置以及向下游供水方案的比選研究，采用了2條導流隧洞高低洞設計，解決了從初期到后期導流設計全過程中擋水、泄水問題。邸書茵[7]介紹了在水利工程導流底孔過流的情況下，構建弧形閘門安裝的懸空作業平臺，滿足底孔過流條件下弧形閘門安裝施工進度。劉志雄[8]等人在兩種不同啟閉方式過程中閘門水力學條件變化情況時，通過導流底孔封堵閘門水力學模型試驗，進行了兩個啟閉方案下底孔內流態、壓力特性以及閘門啟閉力的對比試驗研究。梁金亮[9]在閘門安裝施工過程中，通過一系列制度管理、技術創新，制定出相應施工方案，及時解決閘門施工中重點和難點。胡尚軍[10]介紹內蒙古海勃灣水電站泄洪閘表孔弧門主要安裝工藝流程，安裝過程中主要質量控制點。

通過對上述研究分析，壩身導流主要存在兩方面問題。一是在施工前期利用壩身底孔導流雖對混凝土澆筑施工影響較少，但后期金屬結構閘門安裝時，由于底孔不斷過流，導致閘門預埋件安裝和二期混凝土澆筑處于非正常環境，施工困難。二是在進行閘門安裝時，因閘門體積較大，通常將閘門在底孔處先進行吊裝，再進行底孔閘房施工和液壓啟閉機安裝，當液壓啟閉機未完全安裝完成時，遇到較大降雨時，工作閘門未有動力進行啟閉，壩前水位不斷升高，威脅下游村莊及城市的安全。

如何在無專用導流建筑物情況下，對底孔閘門安裝遇到上述兩種問題進行解決，提出了一種采取底孔封堵和閘門抬高的方式進行閘門安裝。以水量平衡原理為基礎，對枯水期洪水進行計算，分別探討一孔封堵一孔過流、單孔過流時底孔閘門抬高、雙孔過流時底孔閘門抬高安裝全過程，在保證安裝人員和下游群眾安全和財產前提下，對其進行數值計算，探究此方法的可行性。

2 基本原理和計算方法

當工程無專用導流建筑物時，采用壩身導流進行工作閘門安裝，主要包含底孔封堵和閘門抬高兩個重要過程，兩個過程逐次進行。

2.1 底孔封堵

在進行預埋筋安裝和二期混凝土澆筑時，采用封堵一孔，另一孔過流的方式進行。在枯水期，利用底孔過流和水泵抽水的方式快速降低壩前水位，當水位降低到底孔底板高程時，對其中一孔進行封堵，另一孔保持暢通，暢通底孔加上水泵繼續抽水，盡量降低壩前水位高程。當封堵底孔后面施工全部完成，并達到過流條件時，對另一孔進行封堵作業，已施工完成的底孔進行過流。

2.2 閘門抬高

當預埋件和二期混凝土全部完成后，在還未拆除封堵的底孔后邊進行工作閘門安裝，另一孔繼續保持暢通。安裝完成后，由于沒有動力設備工作閘門處于關閉狀態，需要對工作閘門進行抬高，采用墊物或倒鏈等多種方式將閘門抬高，保持底孔的過流。由于采用墊物和倒鏈，不可能將整個工作閘門全部抬高打開，只能抬高一定高度。當施工完后，保持工作閘門抬高過流通暢，另一孔進行封堵施工。兩個底孔工作閘門施工完成后，采用將閘門抬高的方式進行底孔過流，直至動力設備安裝完成并與閘門完成連接。

2.3 水量平衡方程

此安裝方式原理主要由水量平衡方程作為基本方程[11-12]，枯水期洪水流量過程線作為上流邊界條件，以洪水來水、水庫蓄水、底孔過流三者為水量平衡動態研究對象，以差分方式(時間間隔60s)對三種不同情形進行差分計算，得出不同情形下淹沒情況發生的臨界值。如公式(1)。

Q洪t+W庫-Q底t=0

(1)

式中，Q洪—洪水流量，m3/s；W庫—庫容的增量，m3；Q底—底孔的流量，m3/s；t—時間，s。

2.4 底孔過流公式

根據SL319—2005《混凝土重力壩設計規范》[13]和SL279—2002《水工隧洞設計規范》[14]中關于底孔出流的設計規定，如公式(2)。

(2)

式中，Q底—底孔的流量，m3/s；μ—孔口流量系數，文中取0.90；A—孔口斷面面積，m2；g—重力加速度，m/s2；H1—孔口中心線的作用水頭，m。

3 實際工程案例分析

某水利工程等級為Ⅳ等工程，樞紐由擋水壩段、泄洪壩段和放水設施等主要建筑物組成[15]。壩型為混凝土重力壩，泄水壩段主要由兩個底孔和一個溢流表孔組成，無專用的導流建筑物。在地基處理階段，利用束窄河道的方式進行河床導流。地基處理完成后，通過部分地基過流，部分壩體澆筑(有底孔的壩段先行澆筑)的順序施工。當包含底孔的壩段澆筑至底孔高度時，進行其他壩段的澆筑，導流利用底孔進行。底孔尺寸3m×2.5m(寬×高)，底孔底板高程1163m，底孔上部第一個通風口高程1170.5m。

3.1 水庫庫容特征曲線

假設在進行工作閘門安裝時，庫底清理工作已完成，水庫庫容～高程曲線和初步設計時水庫特征曲線相同。對水庫的高程～庫容曲線進行數量化[12]，如圖1所示，得出高程～庫容曲線方程如下，相關系數0.9979以上。

圖1 水庫庫容特征曲線

W=300498.95-361.40(H+500)+0.11(H+500)2

(3)

式中，W—水庫庫容，萬m3；H—水位高程，m。

3.2 枯水期洪水過程線

某水庫導流建筑物設計重現期為5～10年，采用底孔導流進行工作閘門安裝在項目建設后期，大壩已澆筑完成，考慮到安全的需要，因此安裝階段設計標準采用10年一遇的洪水過程進行計算。根據多年最大暴雨過程推算最大洪水流量過程線是指壩址處多年經歷的最大洪水過程，但文中工作閘門安裝選擇在枯水期進行，一旦選擇采用最大洪水過程線會造成安裝過程中過大考慮洪水對于安裝的影響。

由于全年洪水過程和區域內全年的徑流量直接存在著緊密聯系，因此文中在最大洪水過程線和枯水期的基礎上，提出枯水期洪水過程線，采用枯水期平均徑流量占全年平均徑流量的比值，將最大暴雨過程推算出的最大洪水流量過程線進行整體縮放，得出枯水期洪水過程線。

(4)

(5)

Q1=αf(t)

(6)

式中，P—多年平均徑流量，m3；Q—洪水流量，m3/s；t—時間，s；α—枯水期徑流量系數P1—枯水期平均徑流量，m3；Q1—枯水期洪水流量，m3/s；f(t)—洪水流量過程線。

某水庫多年平均徑流量1540萬m3，枯水期多年平均徑流量為323萬m3，得出α=0.21，對10年一遇的洪水過程線進行整體縮放，得出枯水期洪水過程線如圖2所示。圖2進行方程化時，采用多次方程進行量化相關性不理想，最終采用多段線性方程進行量化，如公式(7)～(10)。

圖2 枯水期洪水流量過程線

當t=0h～1.8h時

Q洪=3.5t

(7)

當t=1.5h～3.3h時

Q洪=22.82t-34.78

(8)

當t=3.3h～6h時

Q洪=-11.98t+80.06

(9)

當t=6h～14.2h時

Q洪=-0.79t+12.93

(10)

式中，Q洪—洪水流量，m3/s；t—時間。

3.3 底孔封堵時底孔處水深變化情況

在進行金屬結構安裝過程時，采用單孔封堵、單孔作業方式進行，對10年一遇洪水和枯水期洪水兩種情形進行分析，得出不同時刻底孔水深(以底板高程1163m為水深基礎點)變化情況如圖3所示。

圖3 不同情況下底孔水深變化過程

從圖3得出，采用單孔封堵、單孔作業，以10年一遇洪水計算，當洪水過流1.76h時，水深達到底孔高度2.5m；當時間為2.57h時，水深到達7.5m，此時水深到達底孔上部第一個通風口位置，所有安裝人員全部撤離，不得在封堵底孔處進行任何作業；在保持單孔封堵不被破壞的情況下(封堵結構可以承受壩前水壓)，在4.47h時水深達到最大值18.91m；在7.67h時水深回落到2.5m，洪水全部經底孔泄流。以枯水期洪水計算時，洪水過流3.43h時壩前水深達到最大值2.95m，未超過第一個通風口高度，不會發生危險。

3.4 閘門抬高高度對底孔前水深的影響

以枯水期洪水過程線作為上游邊界條件，單孔過流和雙孔過流閘門抬高高度對底孔前水深變化情況進行分析計算，如圖4—5所示，見表1。e表示底孔閘門開口抬高的高度，h表示底孔的高度(h=2.5m)。

表1 單孔過流時閘門抬升高度對于底孔處水深的影響過程

圖4 單孔過流時底孔閘門抬升高度對于水深的影響

從圖4和表1可以得出，隨著閘門開口高度不斷升高，底孔處最大水深不斷減少。當閘門開口高度e/h等于0.37時，底孔前最大水深7.5m，正好與底孔上部第一個通風口持平，不會發生淹沒破壞。當閘門開口高度e/h小于0.37時，一旦遇到枯水期洪水，會發生水深超過底孔上部的第一個通風口，導致封堵方式失敗。

當單孔過流底孔閘門開口高度e/h等于0.37時，底孔處水深7.5m，根據水力學基本原理，得出底孔封堵位置受到最大應力0.07MPa，最大應力點發生在在底孔封堵位置最底端，封堵面受到總壓力為275.63kN。在采用鋼板結構或者沙袋材料等作為封堵時，應對封堵材料進行穩定性和破壞性分析。

當工作閘門安裝完成，將兩個底孔工作閘門全部抬高一定高度，此時未有動力設備，無法將閘門全部升起，只有通過倒鏈或墊高方式進行閘門抬升。隨著底孔閘門開口高度上升，底孔處最大水深減少。當閘門開口高度e/h等于0.19時，底孔前最大水深7.5m，達到破壞臨界值。當閘門開口高度e/h小于0.19時，會發生水深超過底孔上部第一個通風口情況，導致封堵方式失敗，如圖5所示，見表2。

表2 雙孔過流時閘門抬升高度對于底孔處水深的影響過程

圖5 雙孔過流時底孔閘門抬升高度對于水深的影響

4 結語

當無專用導流建筑物時，采用單孔封堵和閘門抬高方式進行閘門安裝，對實際施工具有可行性和參考性。

(1)在預埋件安裝和二期混凝土澆筑時，采用單孔封堵、單孔過流不會發生淹沒破壞；在閘門安裝過程時，單孔過流閘門開口臨界高度e/h等于0.37、雙孔過流閘門開口臨界高度e/h等于0.19，閘門抬高高度低于臨界高度時，會發生淹沒破壞。

(2)枯水期洪水過程線采用α參數進行縮放，與實際遇到的洪水過程不一定相符，需進一步研究。在采用封堵作業時，封堵方案中結構穩定性和抗傾覆性是封堵成功關鍵，是后期研究的重點。