水下封閉式（浮箱式）鋼圍堰在泄洪洞改造中的應用

王敬存

【摘要】輸水泄洪洞是官廳水庫樞紐的主要泄水建筑物，不但承擔排泄上游來水來沙的巨大任務，它還是樞紐運行中控制上游水位、調(diào)整河勢綜合效益的關鍵性建筑物，它對樞紐的安全和正常運行起著舉足輕重的作用。進水塔進口部位和泄洪洞洞身段鋼襯鋼板長期處于水下及潮濕的環(huán)境中，鋼管內(nèi)表面因銹蝕而產(chǎn)生脫皮、鼓泡、銹坑等現(xiàn)象，使管道內(nèi)壁糙率加大，從而影響過水能力及使用壽命。此外進水塔后漸變段混凝土發(fā)生腐蝕，表面軟化，經(jīng)水沖刷脫落，局部腐蝕厚度達1.5cm。因此，必須對泄洪洞鋼板襯砌段表面以及腐蝕混凝土段部位進行防腐蝕保護，以延長結(jié)構(gòu)的使用年限，保證其安全運行。

【關鍵詞】輸水泄洪洞；鋼圍堰運輸；浮箱式鋼圍堰安裝

1、工程背景及施工難點

1.1工程背景

官廳水庫為大（Ⅰ）型綜合利用水利樞紐，位于北京市西北約80km的官廳山峽入口處，是永定河上大型骨干工程?？値烊?1.6億m3，壩址以上控制流域面積43402km2，壩址處多年平均年徑流量8.8億m3。

輸水泄洪洞是官廳水庫樞紐的主要泄水建筑物，不但承擔排泄上游來水來沙的巨大任務，它還是樞紐運行中控制上游水位、調(diào)整河勢綜合效益的關鍵性建筑物，它對樞紐的安全和正常運行起著舉足輕重的作用。泄洪洞自1954年投入運行以來，屬于無壓隧洞，直到2003年輸水泄洪洞進行了改建，根據(jù)有壓隧洞的運行要求，部分洞段設置了鋼襯，但是直到2008年泄洪洞才開始充水形成有壓狀態(tài)。進水塔進口部位和泄洪洞洞身段鋼襯鋼板長期處于水下及潮濕的環(huán)境中，鋼管內(nèi)表面因銹蝕而產(chǎn)生脫皮、鼓泡、銹坑等現(xiàn)象，使管道內(nèi)壁糙率加大，從而影響過水能力及使用壽命。

1.2施工難點

⑴ 本工程作為一個改造項目，施工條件受已有工程運行影響較大。工程施工的難點不在主體工程——更換閘門門槽本身，而在于其臨時工程的圍堰施工。

對策：

本工程導流方案擬采用浮箱式鋼圍堰方案。具體方案如下：

在進水口正面443.263～464m高程建鋼圍堰對孔口464m高程以下進行封堵，同時需對464m高程閘墩至胸墻間的兩個水平孔口進行封堵，亦需封堵462m高程的8個水平門槽孔口。閘墩至胸墻間的兩個水平孔口、水平門槽孔口均采用加肋鋼板進行封堵。

⑵ 由于本工程工作環(huán)境相對較封閉，通風條件較差，濕度較大，確保泄洪洞的防護處理和鋼管防銹處理的質(zhì)量是本工程的重點。

對策：

本工程洞內(nèi)施工供風采用一臺SFD-1型隧道專用通風機和φ500mm拉鏈式軟風管進行壓入式通風，確保洞內(nèi)空氣流通，及時排出毒、濕氣體；潮濕工作面用噴燈烘干表面再進行施工。

⑶ 進行圍堰設計及施工時，確保圍堰安全可靠，并做好圍堰和已有結(jié)構(gòu)間的止水是本工程的難點，也是本工程的重點。

對策：

鋼圍堰吊裝前對鋼圍堰的吃水深度、穩(wěn)定性等進行試驗。鋼圍堰吊裝時由300t汽車吊將鋼圍堰吊至水中使其處于懸浮狀態(tài)，由拖船將鋼圍堰拖至進水塔封堵處，然后由卷揚機起吊，潛水員水下配合就位，確保圍堰安裝位置準確，牢固可靠。吊裝過程中要確保鋼圍堰的穩(wěn)定性，防止風浪漂浮及傾覆現(xiàn)象發(fā)生；封堵止水確保做到加工準確、測量準確、安裝準確及成品保護完善。

2、施工導流

2.1工程導流標準

工程永久建筑物泄洪洞級別為1級。按照《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》（SL303-2004）的有關規(guī)定，本工程導流建筑物級別確定為4級。擋水標準選定為20年一遇。20年一遇庫水位為478.8m，考慮超高，擋水高程確定為479m。

2.2施工導流準備

2.2.1進水塔竣工圖查詢

由于本次工程的圍堰需要借助現(xiàn)有進水塔的結(jié)構(gòu)才能完成，故首先對進水塔的結(jié)構(gòu)進行查詢。經(jīng)過官廳水庫管理處同意，項目部對進水塔的檔案資料進行查詢，并做好記錄。

2.2.2進水塔水下結(jié)構(gòu)勘察

⑴水下勘察目的

通過水下勘察，確定進水塔細部結(jié)構(gòu)的具體尺寸，為導流圍堰的設計提供詳細的施工數(shù)據(jù)，并且保證圍堰的安全實施。

⑵水下勘察內(nèi)容

1）進水塔閘門基礎混凝土底板寬度（順水流方向）。

2）對進水塔閘墩間各孔口寬度進行勘察。

3）高程464水平封堵蓋板位置，在閘墩上勘察水平寬度。

4）高程462水平封堵蓋板位置，對孔口長寬方向勘察；并勘察排架柱與孔口的關系。

5）勘察排架柱之間的凈寬。

6）閘墩迎水面的破損情況。

2.3導流方案

檢修門槽的更換及維修需在無水條件下進行，根據(jù)官廳水庫輸水泄洪洞進水塔檢修閘門門槽改造工程初步設計報告的研究和比較，采用鋼圍堰方案進行封堵，即在進水口正面443.263～464.00m高程對孔口464m高程以下進行封堵，同時需對464m高程閘墩至胸墻間的兩個水平孔口進行封堵，亦需封堵462m高程的8個水平門槽孔口。

2.4圍堰設計

2.4.1豎直鋼圍堰設計

豎直鋼圍堰設置在輸水進水塔進口處設置有兩個邊墩和一個中墩，各閘墩中心距為7.1m。底坎上游邊緣高程443.263m，呈1：10坡度。

封堵孔口寬度為14.2m，高度為20.737m。為使安裝調(diào)整方便，鋼圍堰采用浮箱式鋼閘門形式。由于整扇浮體門安裝就位時需要的空間較大，而進水塔前淤沙較高，可利用的空間較小，所以擬采用分節(jié)式浮體鋼圍堰，即把圍堰從高度方向分成7節(jié)，每節(jié)均為一個大浮箱，內(nèi)設充水艙。每節(jié)均可獨立操作就位，每個艙設一個充排水閥和進排氣閥（向艙內(nèi)充水時，用來排氣；排出艙內(nèi)水時，用來充氣），當圍堰充水下沉封孔時，向充水艙充水，直至圍堰具有一定的下沉力，使其能夠在壩面設備的操作下沿導向裝置降至閘門封孔位置。其中底節(jié)高2.98m，頂節(jié)高度為2.754m，中間5節(jié)高度均為3m，均設置側(cè)止水、底止水、就位導向裝置、充排水閥和排氣閥。

每節(jié)鋼圍堰由面板、主梁、豎直次梁及止水裝置組成，采用Q345鋼材制作。共設置3根主梁， 11根豎直次梁，面板厚度25mm，主梁支承間距14.4m，梁高1500mm，初步計算主梁最大應力約210MPa，最大撓度約28.8mm，滿足規(guī)范要求。鋼圍堰底部和節(jié)間止水采用矩形橡膠止水，預留10mm的壓縮量。側(cè)向止水采用矩形橡膠止水，預留50mm的壓縮量，以適應閘墩表面的不平度。

2.4.2水平鋼圍堰設計

水平蓋板設在464m高程，封堵閘墩至胸墻間的兩個水平孔口。該平臺上有3個排架柱，為此水平蓋板分成兩塊。每塊水平蓋板外形尺寸為7.2m×2.5m，擋水水位按479.000m水位設計，設計水頭為15m。蓋板采用鋼結(jié)構(gòu)由面板、主梁、次梁及止水裝置組成，共設置3根主梁。主梁梁高390mm，初步計算主梁最大應力約209MPa，最大撓度約0.33mm，滿足規(guī)范要求。蓋板底部采用橡膠止水，預留10mm的壓縮量，上游側(cè)止水與豎直鋼圍堰止水結(jié)合，以保證封水嚴密。蓋板支承在閘墩上，共設置6個支承。每塊水平蓋板重約6.5噸。其吊運和就位采用70kN輔助起吊設備操作。蓋板的吊運和調(diào)整就位可利用排架頂部平臺的16t龍門起重機操作。每塊蓋板重約2.2t，4塊蓋板總重約9噸。

3、圍堰施工

3.1泄洪洞充水平壓

圍堰施工前，新建閘門井內(nèi)閘門關閉，將進水塔處檢修閘門開啟，將泄洪洞內(nèi)充滿水，確保后續(xù)施工處于靜水作業(yè)，保證潛水員及鋼圍堰安裝的安全。

3.2進口底板前水下清淤

由于進口底板前有部分淤積，鋼圍堰安裝前需進行清除，確保該底板處平整。進水塔前淤泥采用絞吸式挖泥船進行清理，并將淤泥輸送至施工區(qū)域以外的水域，避免淤泥對圍堰施工的再次影響。

3.3閘墩迎水面處理

根據(jù)水下勘察報告，閘墩迎水面有外露鋼筋、混凝土棱及混凝土表面缺陷等問題。潛水員下水，采用T404型水下割條將閘墩迎水面上的鋼筋切割掉，并將混凝土棱角打磨光滑，對凹陷較大的混凝土面采用聚合物水下水泥進行修補處理，確保鋼圍堰的止水效果。

3.4水平封堵處平臺清理

根據(jù)水下勘察報告，高程464、462平臺處有大量施工垃圾需要清理。潛水員下水，將垃圾裝入預制好的吊物欄內(nèi)，水面上人員通過滑輪將垃圾提出水面。平臺水平封堵范圍內(nèi)垃圾全部清除，確保水平封堵的效果。

3.5吊裝場地勘察

對水庫周邊進行勘察，尋找現(xiàn)狀道路離水庫水面較近、水深較深的施工場地，保證后續(xù)鋼圍堰吊裝入水的要求，鋼圍堰吊入水中的地址選在大壩左岸溢洪道附近的電站廠房處，該處水深5～12米。

鋼圍堰吃水深度通過下面浮力公式進行計算：

F=ρgv排水 （2-3）

若使鋼圍堰在水中處于懸浮狀態(tài)，鋼圍堰的重力等于其在水中的浮力，可以得出

G=F=ρgv排水 （2-4）

鋼圍堰按最重為35t，與水接觸面積為S=3×14.65=43.95m2鋼圍堰的吃水深度：h=0.8m。所選吊裝位置的水深滿足要求。

鋼圍堰最重達35t，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，吊車停放位置距離鋼圍堰的入水處的水平距離為20m，通過查詢300t吊車的工作性能表得，選擇300t吊車滿足鋼圍堰吊裝入水的要求。

3.6鋼圍堰制造及運輸

鋼箱圍堰制造選用具有疊梁門制造資質(zhì)廠家制造，制造標準及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)按照疊梁門標準進行，并對鋼箱圍堰的密閉性進行試驗，驗收合格后，方可出廠。鋼圍堰運輸采用運輸車分塊運至施工現(xiàn)場。

3.7鋼圍堰安裝

鋼圍堰運至施工現(xiàn)場后，準備安裝。通過對施工現(xiàn)場的勘察，選在水庫左岸靠近溢洪道處有電站廠房（現(xiàn)已停用），水深5～12米。該處的水深、距岸邊距離基本滿足吊裝要求。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，采用300T汽車吊，將鋼圍堰從該處吊入水中，使鋼圍堰單面面積最大的一面與水面接觸，增大接觸面面積，減小鋼圍堰的吃水深度；并調(diào)整鋼圍堰在水中的姿態(tài)，使安裝導向裝置的一面露出水面，以免在拖運過程中，對導向裝置損壞，確保安裝的順利。鋼圍堰吊入水中后，利用其自身的浮力，通過拖船，將鋼圍堰拖至進水塔附近。

鋼圍堰的垂直吊裝就位主要是通過485m高程處布置的兩臺4T卷揚機吊裝就位。就位時從底節(jié)開始將浮箱式鋼圍堰分節(jié)吊入水中，拖船將其拖至進水塔前，采用兩臺卷揚機與之連接，然后打開鋼圍堰上預先布置好的1#艙進水閥和排氣閥，向鋼圍堰充水艙內(nèi)充水，控制充水速度，讓鋼圍堰緩慢直立，沿就位導向裝置下放至孔口，潛水員水下配合就位，就位后打開2#艙進水閥和排氣閥，向2#艙內(nèi)充水，以增加鋼圍堰的總體重量，保證每節(jié)浮體門底水封嚴密。

結(jié) 論：

實踐證明，采用方案應用是成功的，特別是在縮短工期方面。它是一種創(chuàng)造性的施工方法，是水利工程技術人員集體智慧的結(jié)晶。隨著水庫水下改造工程浮箱式鋼圍堰在國內(nèi)水利工程中應用的增多，希望能進一步改進與完善水下改造施工工藝，不斷推動水下封閉圍堰施工技術的發(fā)展。