組合式鋼圍堰封堵技術(shù)在洋河水庫泄洪洞加固工程中的設(shè)計及應(yīng)用

□張云濤

洋河水庫除險加固工程包含泄洪洞閘門埋件、閘門更換，需在洞內(nèi)進(jìn)行修復(fù)作業(yè)。洋河水庫以防洪為主，兼顧城市供水、下游灌溉，水庫還需保持一定高度水位，為確保泄洪洞閘門埋件、閘門更換洞內(nèi)修復(fù)作業(yè)能順利進(jìn)行，洋河水庫泄洪洞加固施工采用組合式鋼圍堰封堵技術(shù)，達(dá)到泄洪洞內(nèi)干場施工的目的。組合式鋼圍堰能更安全、有效地將泄洪洞過水洞口進(jìn)行封堵，拆卸方便、制造簡單，通過計算與驗證就能制作施工，縮短工期，為順利如期完工提供有力保障。

1.工程概況

洋河水庫位于河北省秦皇島市撫寧區(qū)大灣子村北，壩址位于洋河干流上，控制流域面積755km2，總庫容3.86億m3，為大（2）型水利樞紐工程。水庫任務(wù)以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用。工程等別為Ⅱ等，其主要建筑物主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水隧洞進(jìn)水口及西干渠放水洞為2級，施工期間水庫水位保持在50m以下。

洋河水庫兼顧城市供水和下游灌溉，施工過程中水庫需留存一定量水源，其留存水源水位高度已超過泄洪洞洞頂高度，因此在更換泄洪洞進(jìn)口閘門、閘門埋件、洞身修復(fù)過程中需對洞口進(jìn)行封堵，經(jīng)綜合考慮為保證洞內(nèi)干場作業(yè)，采用臨時鋼圍堰封堵的措施。

2.泄洪洞進(jìn)口鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼圍堰封堵分為兩部分，第一部分封堵高程▽37.0m～42.0m的過水洞口，為喇叭口形狀；第二部分封堵喇叭口上部高程▽43.0m～52.0m的開敞式洞口頂板。

2.1 過水洞口封堵

通過查詢原設(shè)計圖紙及水下潛水探摸，過水洞口為喇叭口，進(jìn)口寬6m、高5m，漸變至寬3.5m、高3.5m進(jìn)水洞口。封堵采用組合式鋼圍堰形式，支撐在進(jìn)口喇叭口混凝土頂板及混凝土底檻處，平板鋼圍堰高5.45m。鋼圍堰放置在▽37.0m混凝土底板上，鋼閘門頂高程為42.45m。每個閘門頂設(shè)置塑料限位壓縮塊3塊，長×寬×厚（600mm×100mm×40mm），為防止過水洞口混凝土頂板邊緣在閘門水壓力作用下將混凝土結(jié)構(gòu)壓碎，故將塑料限位壓縮塊向洞口邊緣向上提高15cm，即所在高程為（▽42.15m～42.25m），該部位為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，受力鋼筋為Ф25@165mm，分布鋼筋為Ф12@250mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠滿足受壓支撐使用。

因波浪爬高、安全系數(shù)及施工期不確定因素，鋼圍堰設(shè)計時水庫水位按52m考慮。

封堵鋼圍堰尺寸確定為5.86m×5.45m（寬×高），設(shè)計為平面鋼閘門，制作為2扇，每扇尺寸為2.93m×5.45m（寬×高），面板采用10mm厚鋼板，門葉厚度600mm。在洞口部分可簡化為鋼閘門作用在鋼筋混凝土頂板與底檻之間簡支板梁，簡支板門葉長度為5.45m，分為兩扇閘門，兩扇閘門均設(shè)置底水封、頂水封。

根據(jù)類似設(shè)計方案，采用如下結(jié)構(gòu)設(shè)計：主梁腹板厚度為10mm，腹板高度600mm，腹板長度為5305mm，腹板間距為710mm，主梁后翼緣板采用250mm寬、20mm厚鋼板。次梁頂腹板厚度為20mm，腹板高度600mm，腹板長度為2870mm。次梁頂翼緣板厚度為20mm，寬度為300mm，長度為2530mm。次梁底腹板厚度為20mm，腹板高度600mm，腹板長度為2870mm，次梁底翼緣板厚度為20mm，寬度為220mm，長度為2530mm。每兩個次梁中間設(shè)置槽鋼次梁，槽鋼為[20,長度為710mm，居中布置。邊梁腹板厚度為20mm，高度為600mm，腹板長度為5450mm，翼緣板厚度為20mm，寬度為200mm，長度為5450mm。其它部位腹板厚度為10mm。

2.2 泄洪洞喇叭口平面鋼閘門強(qiáng)度校核計算

靜水壓力作用于閘門面板，喇叭洞口上緣支撐點高程為42.25m，水庫水位按52m計算，洞口上緣按水深9.75m，洞口下緣按水深15m（喇叭洞口底板混凝土高程為37m）分別計算靜水壓力。

洞口上緣靜水壓力為9.75t/m2,洞口下緣靜水壓力為15t/m2,為簡化計算取單寬1m鋼平面閘門面板，靜水壓力作用在鋼閘門面板合力為直角梯形。

2.2.1 單位寬度洞口上緣所受壓力

2.2.2 單位寬度洞口下緣受壓力

2.2.3 喇叭口底板鋼圍堰最大彎矩

鋼圍堰矩形荷載最大彎矩M1：M1=qL2/8=9.75×5.25×5.25/8=33.59t·m。

鋼圍堰三角形荷載最大彎矩M2：M2=5.25×5.25×5.25/9/1.732=9.28t·m。

合計彎矩：M合=M1+M2=33.59+9.28=42.87t·m。

2.2.4 腹板高度

翼緣板暫取寬250mm、厚20mm，鋼材容許應(yīng)力1700kg/cm2。

圖2 底檻布置剖面圖

鋼圍堰腹板高度h腹=42.87/(25×2×1.7)=0.504m,取60cm,

腹板厚度按照:梁腹板經(jīng)濟(jì)厚度δ經(jīng)=7+3h/1000（mm）=7+3×600/1000=8.8mm

梁腹板厚度δ取10mm。

2.3 泄洪洞喇叭口底板底檻設(shè)計

為保證平面鋼閘門受力良好及泄洪洞進(jìn)口喇叭口封堵效果，需設(shè)置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底檻，施工方案如下：采用300mm高豎向鋼板，水平鋼板進(jìn)行支撐，加強(qiáng)板進(jìn)行后撐，在水平鋼板上面進(jìn)行開孔，開孔直徑為Ф34mm，兩排孔中心間距為300mm。在加工廠焊接制作完成后吊裝至水下，根據(jù)開孔位置，在水下鋼筋混凝土底板鉆孔注入環(huán)氧砂漿插入錨筋，錨筋采用Ф28mm螺紋鋼筋進(jìn)行現(xiàn)場制作并錨固，鋼筋的抗拔力滿足要求。底檻布置平面圖見圖1，底檻布置剖面圖見圖2。

圖1 底檻布置平面圖

錨筋數(shù)量。錨筋采用Ф28mm鋼筋，單根鋼筋抗剪強(qiáng)度：τ=6.15×950=5.84t

經(jīng)計算，洞口單位寬度1m下緣受壓力為34.78t，單個閘門寬度為2.93m，合計壓力為101.91t。

單個閘門錨筋最少根數(shù)：101.91÷5.84=18根，兩個閘門錨筋根數(shù)為36根。

在鋼板上開孔47個Ф34mm孔位安裝錨筋，滿足需要。

2.4 泄洪洞喇叭口以上部分閘室側(cè)墻安全校核計算

2.4.1 側(cè)墻彎矩及受力計算

正常運行時，最大水深為9m，沿水平方向取單寬1m斷面進(jìn)行計算，此處側(cè)向水壓力為9t/m。板的外伸長度為2.46m。

閘室側(cè)墻固端最大彎矩：Mmax=qL2/2=9×2.46×2.46÷2=27.23t.m。

2.4.2 混凝土抵抗彎矩計算

混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度的極限彎矩：Ml=1.05γRl×bh2/6

式中：

γ—受拉區(qū)混凝土的塑性系數(shù)，取1.54；

Rl—混凝土抗拉強(qiáng)度，200#混凝土取13kg/cm2；

b—混凝土板梁寬度，取單寬1m；

h—混凝土板梁厚度，取0.6m（1m厚側(cè)墻減去0.4m閘門槽深度）。

計算得出：Ml=1.05×1.54×0.013×1×60×60/6=12.61t.m＜27.23t.m，由此可見，不能滿足抗彎要求，需在懸臂板梁端部加置鋼管支撐。

閘室側(cè)墻支撐后固端最大彎矩：M2max=ql2/8=9×2.46×2.46÷8=6.81t.m。

閘室側(cè)墻支撐后中間最大彎矩：M3max=9ql2/128=9×9×2.46×2.46÷128=3.83t.m。

閘室側(cè)墻支撐點簡支端受力：FA=3ql/8=3×9×2.46÷8=8.3t。

閘室側(cè)墻根部受力：FB=5ql/8=5×9×2.46÷8=13.84t。

固定端梁安全系數(shù)：K1=12.61/6.81=1.85。

2.4.3 喇叭口鋼管支撐計算

采用DN150鋼管從過水洞口37m～43m高程設(shè)置3根鋼管，43m高程至鋼圍堰頂間距按1m、1m、1.5m、1.5m、2m、2m支撐兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)，共計10根鋼管。

鋼材的抗拉、抗壓和抗彎容許應(yīng)力為1700kg/cm2。

C=πd=3.14×15=47.1cm,鋼管壁厚為4.5mm，截面積為：S=47.1×0.45=21.19cm2。

每根鋼管容許抵抗應(yīng)力為：21.19×1.7=36.02t。鋼管容許應(yīng)力滿足要求。

3.泄洪洞喇叭口頂板以上部分鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計

泄洪洞喇叭口頂板以上部分鋼圍堰采用半圓拱形鋼圍堰。圍堰兩側(cè)支撐在閘室兩側(cè)混凝土立墻上，兩個支點受壓，取單寬1m鋼板，鋼圍堰底高程為43.0m，鋼圍堰在立墻上兩個支撐點間距為4.9m。

圓拱形鋼圍堰型式。泄洪洞喇叭口進(jìn)口混凝土頂板長為4.5m（上下游方向），寬為7m（左右方向），擬在頂板上面放置半徑為2.45m拱形鋼圍堰，滿足放置要求。受力鋼筋為Ф 25@165mm，分布鋼筋為Ф12@250mm，鋼筋及混凝土抗壓強(qiáng)度滿足要求。

3.1 拱形鋼圍堰受力計算

拱圈最大軸向壓力為：N1=（52-43）×1×4.9÷2=22.05t。

鋼圍堰排水體積V=πr2h/2=3.14×2.45×2.45×9÷2=84.82m3。

產(chǎn)生浮力F浮=ρV=84.82×1.0=84.82t。

經(jīng)計算喇叭口箱體混凝土重G重=124t，箱體所受的浮力F浮=70.71t,拱形鋼圍堰重量G鋼=7.268t，為防止箱體上浮，需混凝土預(yù)制塊配重。

混凝土塊配重：G配=84.82+70.71-7.268-124=24.26t。

混凝土預(yù)制塊擬采用1.5m×1.5m×1m尺寸，水中單重3.15t，配置10塊。

混凝土預(yù)制塊重量：G重=3.15×10=31.5t＞24.26t，能夠保證混凝土箱體不上浮。

選用I16工字鋼作為拱圈，截面積為26.1cm2,可承載壓力F壓=26.1cm2×1.7t/cm2=44.37t。

安全系數(shù)K=44.37÷22.05=2.01。

拱形鋼圍堰面板采用8mm厚鋼板。

翼緣板與閘室混凝土結(jié)構(gòu)接觸部位焊接[20槽鋼，槽鋼內(nèi)安裝P型橡膠止水。其中兩側(cè)槽鋼里側(cè)支腿進(jìn)行切割2cm，焊接2cm厚、3cm寬鋼板，鋼板支撐在混凝土上。

兩側(cè)與混凝土接觸面積為：3×900×2=5400cm2。

原混凝土設(shè)計標(biāo)號為200#混凝土，混凝土抗壓強(qiáng)度為0.2t/cm2,則總承受抗壓力為5400×0.2=1080t。

因此通過設(shè)計成槽鋼支腿切割焊接成鋼板后足夠承受壓力，且P型止水不會受壓撕裂混凝土也不會被破壞，滿足要求。

3.2 喇叭口頂板壓重后受力計算

喇叭口頂板擬放置鋼拱形圍堰及配重塊，混凝土預(yù)制塊擬采用1.5m×1.5m×1m尺寸，水中單重3.15t，配置10塊。其中作用在頂板混凝土預(yù)制塊重量：G重=3.15×6=18.9t，單位面積最大重量為6.3÷（1.5×1.5）=2.8t/m2,取單寬1m，最大線性荷載為2.8t/m,頂板最大跨度為6m。

混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度的極限彎矩Ml=1.05γRl×bh2/6

式中：

γ—受拉區(qū)混凝土的塑性系數(shù)，取1.54；

Rl—混凝土抗拉強(qiáng)度，200#混凝土取13kg/cm2；

b—混凝土板梁寬度，取單寬0.75m；

h—混凝土板梁厚度，取1m。

計算得出混凝土抗拉極限彎矩：Ml=1.05×1.54×0.013×0.75×100×100/6=26.28t.m＞8.4t.m，故喇叭口頂板壓重后能夠滿足要求。

3.3 鋼圍堰P型止水壓縮試驗

考慮混凝土接觸結(jié)構(gòu)不平整度，P型止水可壓縮2cm，經(jīng)過對P型止水進(jìn)行壓縮試驗，施加10.62t壓力即可壓縮2cm，根據(jù)受力計算，鋼圍堰拱圈最大軸向壓力為22.05t，壓力超過10.62t后，工字鋼、槽鋼進(jìn)行支撐受力。

4.閘門封堵

泄洪洞進(jìn)口現(xiàn)有場地限制，利用浮船作為平臺進(jìn)行吊裝操作，利用浮船卷揚啟閉機(jī)，人工配合卷揚機(jī)對封堵鋼圍堰進(jìn)行吊裝封堵。鋼圍堰采用兩個吊點同時吊裝，沿洞口混凝土結(jié)構(gòu)同時緩慢放下，潛水員在水下配合，將鋼圍堰放入到貼合混凝土結(jié)構(gòu)部位，再將鋼圍堰就位找正，保證圍堰位置準(zhǔn)確，滿足封堵要求。

鋼圍堰安裝完畢后，潛水員檢查鋼圍堰是否準(zhǔn)確就位，查看鋼圍堰有無變形和碰損等情況，打開進(jìn)口事故檢修閘門，再打開工作門，第一次開度不大于10cm，觀察進(jìn)水塔閘門井水位變化情況，若變化極慢，可適當(dāng)加大出口閘門開度，待洞內(nèi)水放空后，初步判定封堵鋼圍堰漏水情況，局部漏水部位由潛水員用棉被進(jìn)行水下漏水處理，封堵完成后觀察兩天，滿足要求后即可進(jìn)行洞內(nèi)施工作業(yè)。

5.結(jié)語

泄洪洞封堵后工程施工持續(xù)約5個月，水庫水位保持在50.00m以下，鋼圍堰封堵效果良好，保障了工程順利進(jìn)行。組合式鋼圍堰封堵技術(shù)從鋼圍堰設(shè)計、專家評審、鋼圍堰制作與安裝，都進(jìn)行了不斷優(yōu)化與完善，使得此次封堵技術(shù)能夠為類似除險加固工程實施提供技術(shù)支持。