導(dǎo)流洞門槽保護(hù)的研究與探討

李 崗,朱增兵,方寒梅

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0085—05

導(dǎo)流洞門槽保護(hù)的研究與探討

李 崗,朱增兵,方寒梅

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

結(jié)合國內(nèi)外工程實(shí)例，對(duì)比分析了導(dǎo)流洞門槽保護(hù)框設(shè)置與否的應(yīng)用效果，對(duì)設(shè)置門槽保護(hù)框可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究與探討。提出了導(dǎo)流洞門槽設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)注意的關(guān)鍵技術(shù)問題。為導(dǎo)流洞門槽的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

導(dǎo)流洞；門槽；保護(hù)框

0 前 言

施工導(dǎo)流隧洞(以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)流洞)是水電水利工程中重要的臨時(shí)建筑物，導(dǎo)流洞封堵閘門的順利下閘封堵是工程下閘蓄水的關(guān)鍵。

導(dǎo)流洞的布置高程一般都較低，運(yùn)行狀況較差。由于導(dǎo)流洞過流時(shí)間長(zhǎng)，流態(tài)復(fù)雜，水質(zhì)情況、推移質(zhì)的特性具有很大的不確定性，因此對(duì)于門槽的磨損、破壞情況、是否有雜物駐留在門槽內(nèi)等一直是工程建設(shè)者關(guān)注的問題。因此導(dǎo)流洞閘門的門槽設(shè)計(jì)與保護(hù)歷來是各個(gè)工程的重點(diǎn)。

1 保護(hù)框的應(yīng)用情況

由于擔(dān)心門槽破壞或石塊、泥沙淤積在門槽內(nèi)難以清除，影響下閘封堵，因此許多工程中采用了在門槽兩側(cè)設(shè)置保護(hù)框的方式進(jìn)行防護(hù)，消除工程建設(shè)者的擔(dān)心和顧慮。

門槽保護(hù)框的設(shè)置形式很多，有些工程使用過程比較順利，沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，但也有許多工程的保護(hù)框出現(xiàn)或多、或少的一些問題。下面就幾個(gè)工程中使用保護(hù)框出現(xiàn)的情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 瀾滄江漫灣水電站

位于瀾滄江中游河段的漫灣水電站左岸設(shè)有2條平行布置的導(dǎo)流隧洞，分別于1987年12月和1988年5月建成過流。其中1號(hào)導(dǎo)流洞長(zhǎng)458 m，為有壓隧洞，進(jìn)水口設(shè)有進(jìn)水塔和2扇下游止水的封堵閘門。閘門特性見表1。每孔門槽底部左右側(cè)各安裝有4 m高的門槽保護(hù)框，通過15.2 m長(zhǎng)拉桿用花籃螺栓固定在門槽側(cè)部混凝土墻上(見圖1)。底板除2 110 mm寬的鋼底檻外，上下游1 m范圍內(nèi)用環(huán)氧砂漿抹面，厚度大于50 mm，以增加混凝土的沖刷耐磨性。

表1 漫灣電站1號(hào)導(dǎo)流洞封堵閘門特性表

圖1 漫灣水電站1號(hào)導(dǎo)流洞閘門門槽及保護(hù)框圖

1號(hào)導(dǎo)流洞從1987年12月過流，到1992年底下閘前已經(jīng)歷5個(gè)汛期，特別是經(jīng)受了1991年8月份的8 200 m3/s洪水、單洞流量近4 500 m3/s特大洪水的考驗(yàn)，底部流速達(dá)16 m/s。為保證工程順利下閘封水，設(shè)計(jì)制作了試探門用于水下探查，包括門槽保護(hù)框的打撈和對(duì)門槽、底檻水下部位進(jìn)行檢查。據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)門槽保護(hù)框花籃螺栓已全部脫落，拉桿皆沿保護(hù)框吊耳板的加強(qiáng)板下緣折斷后被水沖走。掉入水中，情況不明。潛水員水下探查，確認(rèn)保護(hù)框吊耳板從根部折斷，拉桿和保護(hù)框蓋板已不存在，只剩下無蓋的箱體，箱體內(nèi)和三面靠墻部位沉積了大量的石塊和泥沙。水下打撈工作從1992年11月13日到12月17日，歷時(shí)35 d，期間最大流量942 m3/s，水深11 m，流速達(dá)6 m/s。采取了真空吸砂，水下切割，制作專用吊具等方法，終于將保護(hù)框打撈出3個(gè)，右孔左邊保護(hù)框已被水沖走。1號(hào)導(dǎo)流洞左右孔封堵閘門于1993年3月27日10：09和10：14分先后順利下閘封水[1-2]。

1.2 馬來西亞巴貢水電站

巴貢水電站位于馬來西亞東部的沙撈越州BALUI河上，電站裝機(jī)容量2 400 MW，工程主要由面板堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪建筑物和右岸導(dǎo)流建筑物組成。右岸導(dǎo)流建筑物共3條導(dǎo)流隧洞，進(jìn)水口呈喇叭口狀，設(shè)有2 m厚中墩，將導(dǎo)流洞分為2個(gè)洞道，每個(gè)寬6 m，高12 m，并逐漸縮窄，到門槽處只有4.75 m，每孔門槽都設(shè)有門槽保護(hù)框。2001年底導(dǎo)流洞開始過流。為滿足巴貢水電站水庫蓄水期間下游居民生活和河道生態(tài)基本需水，在正式蓄水前一年，先將3個(gè)運(yùn)行的導(dǎo)流洞中的1號(hào)導(dǎo)流洞關(guān)閉改建為流量為150 m3/s的放水洞，在洞內(nèi)安裝可控制流速針閥和蝶閥，然后在蓄水時(shí)啟用放水洞，并關(guān)閉另外2個(gè)導(dǎo)流洞。

到2008年下閘的導(dǎo)流洞運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)近8 a，由于BALUI河漂木甚多，屢屢撞擊閘門門槽、底檻及周邊混凝土，原設(shè)置6孔門槽保護(hù)框中被沖毀破壞的已過半。為保證導(dǎo)流洞閘門成功下閘，對(duì)門槽埋件和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查，清除損壞并卡阻在門槽內(nèi)的保護(hù)框，設(shè)計(jì)制作了1套門槽探查裝置。專業(yè)潛水員利用門槽探查裝置將門槽保護(hù)框采用水下切割后取出，并對(duì)6孔門槽水下部分進(jìn)行了探查，各門槽側(cè)輪軌道和水封不銹鋼軌道均完好，但底檻工字鋼主框架之間所澆筑的混凝土都被沖刷成深度不等的凹坑，尤其1號(hào)導(dǎo)流洞鋼板下部混凝土部分被掏空，鋼板面成弓狀。由于與底水封匹配的底檻鋼板平面基本平整，1號(hào)導(dǎo)流洞封堵閘門在2008年3月21日順利關(guān)閉。經(jīng)潛水員在閘門背后檢查，水封工作良好，只有少量漏水[3-4]。

1.3 黃河李家峽水電站

黃河李家峽水電站位于青海省尖扎、化隆兩縣交界的李家峽峽谷中段。電站裝機(jī)5臺(tái)，單機(jī)容量400 MW，總裝機(jī)2 000 MW。樞紐由攔河大壩、壩后式廠房、泄水建筑物、灌溉渠道、出線站等永久建筑物組成。導(dǎo)流洞布置在右岸，封水閘門及埋件均設(shè)在進(jìn)水塔內(nèi)，孔口尺寸11 m×12.5 m，設(shè)計(jì)水頭95 m，門槽寬2 m，深1.25 m。為防止門槽處底板和側(cè)墻因沖刷或氣蝕破壞，造成下閘后門后漏水，甚至封堵失敗，因此在門槽中心線上、下游底板和側(cè)墻處均進(jìn)行了鋼板襯砌，底板上游襯砌1.53 m，下游襯砌1.97 m，側(cè)墻上游襯砌1.25 m，下游襯砌3 m。門槽內(nèi)設(shè)置門型保護(hù)框，支承材料為木材。下閘前，采用2×4 000 kN固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)拆除時(shí)，保護(hù)框與門槽發(fā)生卡阻，吊耳焊縫被拉裂。經(jīng)過補(bǔ)焊加強(qiáng)吊耳，不斷調(diào)整起吊方式，歷經(jīng)10 d左右時(shí)間，終于將保護(hù)框順利提出門槽。1996年12月26日，導(dǎo)流洞閘門成功下閘。下閘后檢查發(fā)現(xiàn)，下游底板鋼襯與混凝土接縫處被沖刷形成深1.7～2 m，平均寬10 m，長(zhǎng)8 m的深坑，底護(hù)板下部部分混凝土被水流掏空。底檻中部30 mm厚的Q345鋼襯被磨蝕剩0.1 mm厚[5]。

產(chǎn)生上述沖刷現(xiàn)象的主要原因是由于黃河上游水土流失嚴(yán)重，植被差，每逢下雨或汛期, 河水?dāng)y帶大量的泥沙流入洞內(nèi)，同時(shí)也挾帶大量的卵石、塊石, 在高速水流作用下，年復(fù)一年地磨損底板，若遇底板與混凝土接縫不良、錯(cuò)臺(tái)偏大，水流將在該處產(chǎn)生空穴水流，空蝕著周圍的混凝土，使之剝落。久而久之，在空蝕和推移質(zhì)聯(lián)合作用下，襯砌結(jié)構(gòu)遭破壞，進(jìn)一步惡化了水流流態(tài),并逐漸演變成大范圍的深坑和沖槽。

1.4 黃河拉西瓦水電站

黃河拉西瓦水電站位于青海省貴德縣與貴南縣交界處的黃河干流上，壩址上游32.8 km處為已建龍羊峽水電站，下游8.6 km處為已建的尼那水電站。電站裝機(jī)6臺(tái)，共4 200 MW。樞紐由雙曲拱壩、壩身泄洪建筑和壩后消力塘、左岸導(dǎo)流建筑物和右岸地下引水發(fā)電建筑物組成。左岸共設(shè)計(jì)施工導(dǎo)流隧洞1條，在導(dǎo)流洞中部豎井式閘室內(nèi)，共設(shè)2孔導(dǎo)流封堵閘門門槽埋件及2扇導(dǎo)流封堵閘門，孔口尺寸6 m×11.352 m，設(shè)計(jì)水頭165 m。導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)過流時(shí)間為5 a，最高過流水頭為57.25 m。門槽型式采用Ⅱ型，由于過留時(shí)間長(zhǎng)，水流及推移質(zhì)情況復(fù)雜，底檻采用復(fù)合鋼板(雙相鋼2205+Q345B)，該復(fù)合鋼板經(jīng)試驗(yàn)證明，其耐磨性、耐沖刷腐蝕性能良好。在三峽排沙底孔鋼襯中得到應(yīng)用[6]。為保護(hù)門槽，在門槽上、下游段設(shè)置保護(hù)鋼襯，門槽內(nèi)設(shè)高2.8 m，重4.24 t的門槽保護(hù)框(見圖2)。

2008年7月，水下檢查發(fā)現(xiàn)，門槽保護(hù)框上預(yù)留的鋼絲繩10 t卡環(huán)已斷裂報(bào)廢。經(jīng)過有關(guān)部門協(xié)調(diào)，利用上游龍羊峽水電站停機(jī)，減少下泄流量，以利于拆除保護(hù)框。檢查發(fā)現(xiàn)，保護(hù)框與門槽間隙中有石子、水泥漿等雜物(圖3)，經(jīng)數(shù)次超容量啟吊均未能保護(hù)框提出門槽。每次停機(jī)，門槽處均還有0.8 m左右水深，加之流速較大，給拆除工作帶來相當(dāng)?shù)睦щy。為此，在門槽上下游設(shè)置鋼圍堰，使門槽處形成靜水。由青島太平洋工程有限公司，采用水下切割將保護(hù)框拆除(圖4)。2008年11月10—19日，經(jīng)過60余h奮戰(zhàn)，門槽保護(hù)框全部拆除完畢。拉西瓦導(dǎo)流洞于2009年3月1日順利下閘封水[7]。拉西瓦水電站工程導(dǎo)流洞門槽保護(hù)框卡阻及處理情況見圖3～5。

圖2 拉西瓦水電站門槽保護(hù)框圖圖 單位：mm

圖3 拉西瓦水電站導(dǎo)流洞門槽保護(hù)框卡阻情況圖

圖4 拉西瓦水電站導(dǎo)流洞門槽保護(hù)框水下切割圖

類似導(dǎo)流洞門槽保護(hù)框過流期間被沖走、損壞或發(fā)生卡阻的工程實(shí)例還有很多[8],如龍開口水電站保護(hù)框被沖走、瀑布溝水電站保護(hù)框被卡等，不再一一列舉。

圖5 拉西瓦水電站導(dǎo)流洞門槽保護(hù)框拆除后情況圖

2 設(shè)置保護(hù)框容易出現(xiàn)的問題及原因

門槽保護(hù)框非主要承載設(shè)備，受力不明確，設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度、與門槽配合間隙等沒有可遵循的標(biāo)準(zhǔn)，更多是依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)，因此保護(hù)框的設(shè)計(jì)也差別很大。門槽保護(hù)框設(shè)計(jì)中，即要防止保護(hù)框向內(nèi)移位，又要防止保護(hù)框被沖出，因此保護(hù)框與門槽設(shè)有雙向擋動(dòng)，且間隙較小。由于保護(hù)框長(zhǎng)期處于動(dòng)水中，因此可能由于如下原因發(fā)生卡阻、局部損壞、沖走：

(1) 由于制造、安裝誤差或澆筑變形過大引起卡阻。這個(gè)原因理論上通過制造、安裝、澆筑過程嚴(yán)格控制是可以避免的，在截流前也可進(jìn)行消缺處理。

(2) 保護(hù)框放入后，由于門槽上部施工，可能掉入石子、砂漿、水泥漿或其它雜物，造成卡阻，理論上可以通過加強(qiáng)施工管理避免，但一旦發(fā)生將可能造成保護(hù)框卡阻。

(3) 導(dǎo)流洞過流后，水流中不可避免帶有大量泥沙、碎石、或其它雜物等推移質(zhì)，由于保護(hù)框的存在，沉積在門槽中，引起的卡阻的可能很大，且難以預(yù)防。

(4) 由于水流脈動(dòng)壓力作用，可能引起保護(hù)框振動(dòng)。振動(dòng)可能導(dǎo)致保護(hù)框或門槽的導(dǎo)向發(fā)生局部變形，造成保護(hù)框卡阻；也可能導(dǎo)致保護(hù)框上或門槽上的側(cè)向擋動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)框沖走；可能造成活動(dòng)吊具損壞。

從以上原因分析看，導(dǎo)流洞保護(hù)框出現(xiàn)問題的可能性非常大，而危害最大的是卡阻。一旦造成保護(hù)框卡阻，不能順利提出，只能利用水下切割手段才將其分段取出。由于保護(hù)框處于水下，且導(dǎo)流洞流速較大，處理起來不僅費(fèi)用高，難度也非常大。從前述工程實(shí)例看，設(shè)置保護(hù)框后卡阻的不在少數(shù)。因此，設(shè)置保護(hù)框本身存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

3 未設(shè)置保護(hù)框的工程實(shí)例分析

在國內(nèi)水電工程中，也有許多沒有設(shè)置保護(hù)框。如黃河中上游水電工程龍羊峽、公伯峽、炳靈等水電站均未設(shè)置保護(hù)框，下閘前，做了試探框進(jìn)行了水下探查，未有門槽兩側(cè)淤積、破壞記錄，下閘基本順利。其它河流中也有很多未設(shè)置保護(hù)框的工程，如瀾滄江大朝山水電站等。

建于20世紀(jì)60年代的劉家峽水電站未設(shè)置門槽保護(hù)框，歷經(jīng)近8 a長(zhǎng)時(shí)間過流，門槽遭到嚴(yán)重沖蝕破壞，1967年下門封堵時(shí)，閘門在距底檻以上0.7 m處被卡阻，前后歷時(shí)14個(gè)月才將漏洞堵住[9]。但并不是因門槽兩側(cè)破壞、或底部堆積異物造成卡阻，與是否設(shè)置保護(hù)框并無直接關(guān)系。除此，未見類似報(bào)到。

筆者參加調(diào)研了李家峽、公伯峽、拉西瓦多個(gè)水電站工程下閘后導(dǎo)流洞門槽的破壞情況。李家峽導(dǎo)流洞過流5 a多，公伯峽導(dǎo)流洞過流3 a多，拉西瓦導(dǎo)流洞過流5 a多，從李家峽、公伯峽、拉西瓦等水電站導(dǎo)流洞下閘后的探查情況看，門槽兩側(cè)主軌、鋼襯未有大的磨損，門槽下游側(cè)的破壞主要在底檻中部，主要表現(xiàn)為底檻中部鋼板磨損，底板鋼襯后混凝土形成較大沖刷坑。

在國內(nèi)未設(shè)置保護(hù)框的工程中，下閘大多比較順利，近30年來沒有因門槽底部有難以清除雜物導(dǎo)致閘門無法下閘的報(bào)道。從門槽部位的水力學(xué)分析，導(dǎo)流洞進(jìn)口流速一般在7～8 m/s以上，隨上游水量變化而變化，門槽內(nèi)堆積石塊、泥沙的可能性不大。

在設(shè)置保護(hù)框的工程中，保護(hù)框被沖走的也不乏工程實(shí)例(如上述的漫灣水電站等) ，下閘前水下探查并無大的異物堆積，門槽兩側(cè)也未發(fā)現(xiàn)較大的破壞痕跡，下閘基本順利。

許多工程實(shí)例表明，即使沒有設(shè)置保護(hù)框，門槽兩側(cè)也未發(fā)現(xiàn)明顯破壞。而門槽底部鋼襯磨蝕、混凝土破壞，不是設(shè)置保護(hù)框能夠解決的。

4 保護(hù)框的作用分析

設(shè)置門槽保護(hù)框的目的一般認(rèn)為主要是2個(gè)：① 改善流態(tài)，保護(hù)兩側(cè)門槽免遭破壞；② 防止石塊、泥沙淤積在門槽內(nèi)，影響下閘。

由許多工程實(shí)例看，門槽的破壞主要在底部，表現(xiàn)為底檻中部鋼板磨損，底板鋼襯后混凝土破壞，而門槽兩側(cè)的主軌、鋼襯未有大的磨損。而門槽底部鋼襯磨蝕、混凝土破壞，不是設(shè)置保護(hù)框能夠解決的。設(shè)置保護(hù)框的第1個(gè)目的似乎并無必要。

設(shè)置保護(hù)框的第2個(gè)目的是防止石塊、泥沙淤積在門槽內(nèi)，影響下閘。但從上面分析看，保護(hù)框造成卡阻的可能還是很大的，而一旦保護(hù)框卡阻，不能順利提出，保護(hù)框就成了門槽中最大的異物，處理難度和代價(jià)比不設(shè)保護(hù)框大的多。而且，保護(hù)框需在閘門安裝前提前拆除，需合理考慮安裝周期，避免施工干擾。

因此，筆者認(rèn)為，導(dǎo)流洞設(shè)置門槽保護(hù)框的必要性不大。

5 導(dǎo)流門槽設(shè)計(jì)、施工的重點(diǎn)

導(dǎo)流洞門槽雖然是臨建設(shè)備，但由于其關(guān)系到下閘蓄水的成敗，因此，導(dǎo)流洞門槽設(shè)計(jì)、施工中應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

(1) 采用合理的門槽型式，最好采用Ⅱ型門槽，必要時(shí)可通過水力模型試驗(yàn)研究確定，防止氣蝕、空蝕破壞。

(2) 適當(dāng)增加門槽鋼襯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、表面鋼板厚度，甚至采用耐磨、耐沖刷、抗腐蝕性能好的材料，減少鋼板磨蝕。

(3) 適當(dāng)增加門槽前后鋼襯襯護(hù)范圍，特別是門槽底部和兩側(cè)下部的襯護(hù)范圍。

(4) 采取合理措施，盡量減少、甚至避免推移質(zhì)進(jìn)入導(dǎo)流洞，如導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置攔砂坎等。

(5) 嚴(yán)格控制混凝土澆筑質(zhì)量，特別應(yīng)重視鋼襯與混凝土銜接處的施工質(zhì)量，防止或減少鋼襯后混凝土的沖刷破壞。

(6) 嚴(yán)格控制門槽制造、安裝質(zhì)量。

(7) 截流后，門槽上部塔筒升高施工過程中，應(yīng)做好門槽安裝平臺(tái)高程處的防護(hù)，嚴(yán)防雜物掉入門槽內(nèi)。

(8) 導(dǎo)流洞進(jìn)口上游土石圍堰、混凝土圍堰，應(yīng)在分流前盡量挖除干凈。

(9) 上游碴場(chǎng)(如果有)沿江防護(hù)應(yīng)按水保要求，對(duì)汛期水位以下高程的碴料表面進(jìn)行防護(hù)，防止上游石碴和雜物進(jìn)入門槽或門槽與保護(hù)框間隙內(nèi)。

(10) 當(dāng)然，下閘前，利用試探框進(jìn)行水下探查工作，對(duì)保證導(dǎo)流洞封堵閘門的順利下閘封堵都是非常必要的。

6 結(jié) 語

通過以上分析，筆者認(rèn)為，通過合理設(shè)計(jì)、加強(qiáng)施工管理、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，導(dǎo)流洞門槽設(shè)置保護(hù)框的必要性不大。

對(duì)于過流時(shí)間過長(zhǎng)的導(dǎo)流洞，建議結(jié)合流域電站整體布置、水頭、流速、過流時(shí)間綜合考慮，研究設(shè)置保護(hù)框的必要性。

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Study on Protection of Gate Slot of Diversion Tunnel

LI Gang, ZHU Zeng-bing, FANG Han-mei

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

In connection with practical cases at home and abroad, whether the protection frame for the gate sloe of the diversion tunnel is provided and its application effect in case it is applied are compared and analyzed. Potential risks in case of the application of the protection frame are studied. The key technical points in design and construction of the gate slot of the diversion tunnel are provided. This provides design and construction of the gate slot of the diversion tunnel with reference.Key words:diversion tunnel; gate slot; protection frame

2015-03-19

李崗(1982- )，男，山西省長(zhǎng)治市人，高級(jí)工程師，主要從事水電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.022