水庫取水豎井閘門水下加固方案研究★

嚴 晶，尚 斌

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010;2.國家大壩安全工程技術研究中心,湖北 武漢 430010)

取水建筑物是水庫樞紐工程的重要組成部分,其運行安全直接關系水庫效益的發揮。我國水庫取水建筑物進口一般采用取水豎井的結構型式,取水豎井內部設有檢修閘門及工作閘門控制取水流量。受設備制造及安裝因素影響,部分水庫取水豎井閘門不同程度的存在門槽變形、止水不嚴、門體傾斜等問題,導致閘門漏水,嚴重影響水庫效益的發揮。對于豎井閘門漏水,常用的加固施工方法是降低水庫水位并填筑圍堰,形成干地施工條件后對閘門進行加固或更換。由于水庫大多承擔城鎮供水任務,放空水庫將影響人民生產生活用水安全,其加固方案往往難以實施。因此,在不放空水庫的情況下,研究一種水庫取水豎井閘門水下加固方案十分必要。

1 工程概況

三泉水庫位于湖北省京山市楊集鎮三泉村,水庫總庫容295.4萬m3,是一座以鄉鎮供水和灌溉為主,兼有防洪等綜合效益的小(1)型水庫。水庫樞紐建筑物由大壩、溢洪道和輸水管組成。水庫于1966年動工興建,1974年建成蓄水,2009年進行了除險加固。

輸水管位于大壩右岸,2009年除險加固時輸水管進口新建了圓形豎井,豎井內設檢修閘門、工作門各1扇,閘門采用平板鑄鐵閘門,孔口尺寸1.4 m×1.45 m。由于施工精度原因,工作閘門和檢修閘門安裝后一直無法下落到位,導致輸水管長期漏水,水庫長期處于低水位運行,嚴重影響效益發揮。

2 取水豎井閘門加固施工方案比選

為確保水庫效益發揮,擬對輸水管取水豎井工作閘門和檢修閘門進行更換。工作及檢修閘門位于取水豎井底部,更換時需要具備干地施工條件。本次選用填筑圍堰方案(方案一)和水下封堵門方案(方案二)進行比選,以確定最優方案。

1)方案一:填筑圍堰方案。取水豎井加固施工前,將庫水位放空至高程237.4 m,輸水管進口設置土袋圍堰,圍堰長80 m,最大高度4.0 m,頂寬2.0 m,內、外坡比1∶1.5,圍堰填筑工程量2 520 m3。圍堰填筑完成后進行閘門更換施工,待閘門及啟閉機系統安裝及調試完畢后,拆除圍堰。方案一施工工期105 d,施工期間影響水庫下游供水,工程投資約85萬元。

2)方案二:水下封堵門方案。取水豎井加固施工前,首先通過潛水員進行水下檢查并測量豎井進口尺寸,然后按進口尺寸設計制作封堵門和水上作業平臺,通過水上作業平臺吊裝封堵門并通過潛水員水下安裝封堵門。水下封堵門安裝完成后進行閘門更換施工,待閘門及啟閉機系統安裝及調試完畢后,拆除水下封堵門。方案二施工工期40 d,施工期間不影響水庫下游供水,工程投資約65萬元。

3)方案比選:方案一采用水庫放水,輸水管進口填筑圍堰的方式施工,其優點是方案簡單、施工方便;缺點是需要放空水庫庫容約70萬m3,施工后水庫如得不到及時補充,將影響集鎮供水,造成不良社會影響。方案二采用水下封堵門方案施工,其優點是不必放空水庫,節約水資源,水庫供水更有保障;缺點是水下封堵門施工案例較少,施工難度較大,存在一定的風險。綜合來看,相對于填筑圍堰方案(方案一),水下封堵門方案(方案二)施工期間不影響水庫下游供水,施工周期較短且工程投資較低,取水豎井加固施工方案推薦采用水下封堵門方案(方案二)[1]。

3 水下封堵門方案設計

水下封堵門方案實施前需根據潛水員水下檢測情況進行水下封堵門的布置和設計,然后根據水下封堵門結構尺寸進行水上作業平臺設計。

3.1 水下封堵門布置及設計

取水豎井進口設有磚砌攔沙坎,攔沙坎頂部設有攔污柵,由于豎井磚砌體結構不穩定不適于安裝封堵門,水下封堵門布置于豎井進口內部,封堵門面板距取水豎井井壁上游面0.20 m,水下封堵門布置圖詳見圖1[2]。

豎井進口孔口尺寸1.40 m×1.45 m(寬×高),水下封堵門設計尺寸1.39 m×1.44 m(寬×高)。

水下封堵門由鋼板門和門框組成,鋼板門骨架為10號工字鋼,門板采用10 mm厚鋼板,門板上設置6個直徑10 cm的充水平壓閥。門框骨架為16號工字鋼,門框周邊設置雙道止水膠條。門框與鋼板門采用錨栓連接,門框與進水口頂板、底板和側墻采用三角梁鉆孔錨栓固定。鋼板門設計圖詳見圖2,門框設計圖詳見圖3[3]。

3.2 水上作業平臺設計

水下封堵門施工需要搭建潛水員水上作業平臺,水上作業平臺采用φ50 mm鋼管搭設骨架,中間架設200 L鐵皮浮桶拼裝并用扣件固定。根據作業需求,平臺尺寸為6 m×4 m,平臺豎向布置9排,每排布置6個直徑0.90 m的鐵皮浮筒,搭建平臺共需要54個浮筒。平臺四周采用φ50 mm鋼管布設圍欄。水上作業平臺設計圖詳見圖4[4]。

水上作業平臺需要進行穩定計算,作業平臺承受的荷載為浮筒浮力、作業人員自重、機械設備自重和平臺自重。平臺淹沒2/3時平臺穩定性最好,此時平臺提供浮力61 280 kN,作業人員、機械設備和平臺自重共計44 280 kN,平臺提供浮力大于人員、機械和平臺自重,水上作業平臺穩定滿足要求。

4 水下封堵門方案實施

4.1 潛水作業方案

水下封堵門施工作業水深小于30 m,潛水作業方式采用供需式空氣潛水作業,單組潛水作業人員2人,1人作業1人輔助,潛水作業人員攜帶應急氣瓶,單組人員水下連續作業不得超過3 h。

潛水裝備系統主要包括干式潛水服、濕式潛水服、潛水頭盔、供氣系統、供氣臍帶、空壓機、高壓儲氣瓶、應急備用氣瓶、水下控制系統、水下電視、水電燈源、水下電纜、供電系統、終端集控系統、應急備用發電機、潛水作業裝備車。

4.2 方案實施流程

水下封堵門方案實施分為以下6個步驟:

1)水下檢查及測量(水下)。潛水設備及潛水員進場→潛水作業平臺及潛水設備布置→關閉取水豎井檢修門及工作門→水下檢查→水下清理(攔污柵周圍及安裝封堵門豎井周圍)→潛水員水下檢查測量尺寸。

2)水下封堵門制作(水上)。按水下測量進口尺寸設計制作封堵門→制安作業平臺→封堵門浮桶制作。

3)水下封堵門安裝及封堵(水下)。封堵門水上吊裝→封堵門水下定位錨栓和限位槽制安→浮箱懸吊封堵門入水逐漸下沉→封堵門入槽限位后鎖定→封堵門浮箱解除→封堵門滲漏堵漏→開啟豎井檢修門及工作門觀察下游滲漏情況→如有滲漏則關閉豎井檢修門及工作門后進行潛水員水下堵漏→堵漏完成后再打開豎井檢修門及工作門觀察下游滲漏情況直至下游無滲漏。

4)豎井檢修門及工作門檢修和更換。打開豎井管檢修門及工作門觀察下游滲漏情況穩定后→開始檢修及更換閘門作業→檢修及更換閘門完成后→閘門啟閉試驗正常→閘門驗收。

5)豎井檢修門及工作門更換后閉水試驗(水下)。檢修及工作門關閉→水下打開封堵門充水閥門→檢修及工作門關閉檢查下游滲水情況→閘門閉水試驗驗收。

6)封堵門水下拆除及撤場(水下)。檢修及工作門關閉→拆除封堵門堵漏材料→封堵門解除鎖定→封堵門拆吊→封堵門限位槽拆除→水下清理及檢查→完工撤場。

4.3 作業時間

水下封堵門方案主要水下工作量為水下檢查,定位錨栓,限位槽制安,封堵門水下安裝,堵漏,閉水試驗及封堵門拆除。時間周期如下:準備及進場3 d;水下檢查清理4 d;設計驗算及制作封堵門,水上平臺、浮箱等(含設計及材料采購加工制作)、吊裝平臺制安等10 d;封堵門水下安裝約15 d;干地檢修期間待命;閘門閉水試驗約3 d;水下拆除5 d,總工期40 d。

4.4 注意事項

1)封堵門安裝及封堵:封堵門水下定位采用門框定位,封堵門制造后采用水上吊裝平臺調運至豎井水面上方,然后逐步下放入水,待定位固定后采用錨栓錨定。封堵門周邊空隙采用柔性填料填充,鋼板與混凝土接觸面應清理干凈并采用水下密封膠封蓋。

2)閘門閉水試驗:豎井工作閘門關閉后,潛水員將封堵門充水閥門打開,上游水庫通過充水閥門進入豎井,待封堵門與豎井工作閘門之間充水完成后觀察工作閘門閉水情況;工作閘門閉水試驗完成后關閉檢修閘門,檢修閘門關閉后打開工作閘門觀察檢修閘門閉水情況。

3)封堵門水下拆除:工作閘門與檢修閘門閉水試驗完成后,關閉工作閘門與檢修閘門,然后潛水員入水拆除封堵門,封堵門拆除前應確認沖水閥暢通平壓,將封堵門與水上吊裝平臺吊裝連接后松動固定錨栓,然后依次對封堵門浮體空腔充氣,封堵門浮起后開始起吊封堵門并吊裝出水,然后水下割除定位錨栓并回填錨栓孔。

5 結語

1)我國水庫取水豎井數量眾多,部分水庫取水豎井閘門不同程度的存在漏水現象,受水庫無法放空等因素影響,取水豎井閘門維修或更換工作往往難以實施,嚴重影響水庫效益發揮,故研究取水豎井閘門水下加固成套設計施工技術十分必要。

2)采用水下封堵門技術進行豎井閘門加固具有適用范圍廣、施工周期短、工程投資低、環境影響小、不影響水庫效益發揮等諸多優點,在我國水庫豎井閘門加固中具有廣闊的應用前景。

3)水下作業屬于危險性較大的分部分項工程,作業單位需具有相應的潛水作業資質,特種作業人員須持證上崗,作業前應編制專項施工方案并組織專家進行論證,作業過程中應設置專職安全監督員并嚴格執行設備安全操作規程,確保水下作業安全[5]。