雙溝導(dǎo)流洞引水鋼管泄漏封堵研究

張殿雙，付 欣，王 超，鄭 軍

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

雙溝水電站位于吉林省撫松縣境內(nèi)，第二松花江上游松江河上，水庫總庫容3.88×108m3，電站總裝機容量2×140 MW。水庫死水位567.0 m，正常蓄水位585.0 m。

2009年11月6日，雙溝水電站工程導(dǎo)流洞上部生態(tài)引水豎井發(fā)生突發(fā)事件，導(dǎo)流洞封堵體末端的生態(tài)引水鋼管蝶閥被推出，庫水以約46 m3/s的流量經(jīng)生態(tài)引水鋼管泄出，當時庫水位已蓄至558.0 m，庫內(nèi)水深68 m，生態(tài)放水鋼管進出口流速高達30 m/s。

2 泄漏封堵方案

生態(tài)泄水鋼管突發(fā)高流速大流量泄漏事件，不僅影響水庫蓄水發(fā)電，而且危及混凝土封堵段乃至大壩的安全，必須盡快進行封堵處理。根據(jù)現(xiàn)場實際情況擬定了以下三個封堵方案：

方案一：在距生態(tài)泄水鋼管上游200 m處的生態(tài)豎井內(nèi)放入自懸浮鋼制封堵塞，鋼制封堵塞前放牽引繩，封堵塞體在動水中自動下沉、平衡，在牽引繩和水流作用下自動漂浮到生態(tài)放水鋼管進水口，通過高速水流將封堵塞吸入1.4 m鋼管內(nèi)實現(xiàn)封堵。

方案二：在導(dǎo)流洞封堵段上游左壩頭至啟閉機路590.0 m高程開挖豎井，根據(jù)導(dǎo)流洞的縱剖面布置，豎井底部與導(dǎo)流洞洞頂相交處高程為500.0 m，豎井長90.0 m，斷面型式為圓形，直徑為2.5 m。豎井距導(dǎo)流洞封堵段上游邊緣距離為15.0 m，距大壩防滲帷幕灌漿軸線距離為35.0 m。通過該豎井放入封堵體將1.4 m鋼管封堵。

方案三：由導(dǎo)流洞出口進行封堵，即在導(dǎo)流洞出口下游修路至封堵段下游側(cè)，修筑圍堰進行施工導(dǎo)流，將1.4 m鋼管接長并設(shè)閥門，澆注混凝土進行封堵。

由于水庫水位已蓄至558.0 m，方案二在實際施工中上部為豎井常規(guī)鉆爆開挖，下部須采用水下巖塞爆破開挖，巖塞長度10 m，整個豎井施工總工期60 d，施工工期較長，同時水下巖塞爆破受地質(zhì)條件影響很大，施工難度大。由于封堵段泄水鋼管出口流速較大，施工便道無法修至導(dǎo)流洞封堵段末端，方案三施工難度更大。方案一同其它兩方案相比施工方便，工期短，經(jīng)綜合比較推薦方案一為生態(tài)泄水鋼管泄漏封堵方案。

3 封堵塞體設(shè)計

3.1 封堵塞體結(jié)構(gòu)型式

為驗證推薦封堵方案的可行性及封堵塞體在水中的姿態(tài)和漂移情況，在現(xiàn)場進行了水力學(xué)模型試驗，模型試驗流道模擬從生態(tài)豎井口到導(dǎo)流洞混凝土封堵體內(nèi)生態(tài)放流鋼管進口。通過模型試驗成果分析，推薦封堵塞體體形為空心薄殼封閉圓柱體結(jié)構(gòu)，兩端使用鋼板焊接的平板堵頭密封，在封堵塞體兩端，各使用12根電焊無縫鋼管焊接為45°的導(dǎo)向頭，以便封堵塞體能順利地插入生態(tài)放流鋼管管口。另在封堵塞體中部設(shè)帶有橡膠墊板的法蘭盤用于封堵后止水，同時橡膠墊板能在封堵水流的瞬間起到緩沖作用，減小沖擊力的影響。

3.2 封堵塞體結(jié)構(gòu)計算

3.2.1 撞擊力計算分析

在高速水流的作用下，封堵塞瞬間封堵將產(chǎn)生很大的撞擊力，在沒有相同邊界條件的設(shè)計規(guī)范條件下，選用國內(nèi)外5種規(guī)范計算結(jié)果見下表1：

表1 撞擊力匯總表

通過表1可以看出，五種規(guī)范計計算結(jié)果相差很大，因此，又進行了室內(nèi)的撞擊試驗，根據(jù)撞擊力計算及試驗成果分析，進行塞體結(jié)構(gòu)設(shè)計和封堵段混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)核時，撞擊力取值為120 t。

3.2.2 封堵塞結(jié)構(gòu)計算

1）圓筒抗外壓穩(wěn)定計算。采用《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》中抗外壓穩(wěn)定計算公式，該圓筒在120 m外水作用是安全的。

2）平板悶頭計算。采用鋼閘門計算規(guī)范中面板計算公式，經(jīng)計算，偶然與持久狀況下的最大主應(yīng)力σmax與剪應(yīng)力的折算應(yīng)力σ折算，均小于規(guī)范允許應(yīng)力。

3）法蘭盤計算 。按環(huán)狀懸臂梁計算，兩個法蘭盤中間由肋板連接形成一個工字型結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算，最大主應(yīng)力σmax與剪應(yīng)力的折算應(yīng)力σ折算均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全復(fù)核

為了確保封堵安全，按照試驗確定的撞擊力，對與封堵相關(guān)的結(jié)構(gòu)進行安全復(fù)核，導(dǎo)流洞混凝土封堵段結(jié)構(gòu)安全復(fù)核滿足要求；灌漿廊道封頭混凝土厚度復(fù)核滿足要求；混凝土封堵段內(nèi)生態(tài)流量壓力鋼管周邊混凝土強度復(fù)核滿足要求；導(dǎo)流洞混凝土封堵段內(nèi)生態(tài)流量壓力鋼管結(jié)構(gòu)復(fù)核結(jié)果，壩內(nèi)光面埋管管壁臨界壓力計算值為1.29 MPa，大于10 m負壓，滿足要求。

4 封堵方案實施

為保證封堵塞體能較順利地從生態(tài)豎井飄移至導(dǎo)流洞生態(tài)放流鋼管管口完成封堵，考慮先從生態(tài)豎井放前導(dǎo)繩，在水流的作用下自動穿過導(dǎo)流洞封堵體內(nèi)的生態(tài)放流鋼管，然后把前導(dǎo)繩系在封堵塞體首部，從導(dǎo)流洞下游通過前導(dǎo)繩牽引封堵塞體至生態(tài)放流鋼管管口附近，實現(xiàn)截斷水流，完成封堵。由于前導(dǎo)繩經(jīng)多次努力后仍無法順利穿過生態(tài)放流鋼管，該封堵塞體在完成水中平衡和姿態(tài)試驗后未被使用。最終采用采用帶有牽引繩封堵塞體方案。

為解決沖擊力過大的問題，根據(jù)沖擊力計算和試驗成果分析，在鋼制封堵塞法蘭盤增加處橡膠墊厚度以延長作用時間，減小沖擊荷載，橡膠墊厚度120 mm，并在中間加4 mm鋼墊圈以防止橡膠墊破壞影響止水效果。為保證封堵塞體無論哪端插入生態(tài)放流鋼管均能滿足封堵要求，兩組法蘭盤之間用勁板連接，以增加法蘭盤強度。

封堵塞體設(shè)計、制造完成后，在雙溝庫區(qū)進行了大量的水中姿態(tài)與平衡試驗，通過嚴格稱量加配重，解決了封堵塞體水中行走平衡問題；通過不同材質(zhì)的配重和利用食鹽的可溶解性，解決封堵塞沿生態(tài)引水豎井垂直運動和導(dǎo)流洞水平運動的下沉、轉(zhuǎn)向和水中懸浮起伏運動問題；通過導(dǎo)向繩，利用導(dǎo)流洞內(nèi)高速水流，解決了封堵塞準確定位問題。經(jīng)過近二個月的不斷試驗嘗試及各參加單位的共同努力，2009年12月29日生態(tài)引水鋼管泄漏封堵成功。

5 結(jié)論

雙溝導(dǎo)流洞生態(tài)引水鋼管大流量泄漏封堵方案，針對導(dǎo)流洞進口閘門損壞、混凝土封堵段預(yù)埋的直徑1.4 m生態(tài)流量壓力鋼管損毀、水深68 m、泄漏流量46 m3/s和可視困難等條件下，采用“在生態(tài)引水豎井下放鋼制封堵塞的封堵方案”成功實現(xiàn)封堵，該方案投資少、工期短、施工難度小，具有很強的實用性，在水利水電同類事故的應(yīng)急處理中具有推廣和借鑒的重要意義。