高速水流工况下导流洞门槽水下探摸技术研究

任良龙，周竟平，王亚芬

(北大荒农业股份有限公司庆丰分公司，黑龙江庆丰 158421)

双峰水库工程位于农垦牡丹江管理局海林农场，枢纽工程等级为中级(Ⅲ)型工程。

1 双峰水库导流工程简介

双峰水库采用围堰一次断流、右岸两条导流洞泄流的全年导流方式，每条导流隧洞进口用中墩分隔成两个孔口。导流时段分为初期、中期、后期3个阶段:

1)初期导流时段上、下游围堰全年挡水，导流洞联合泄流。

2)中期导流时段坝体临时断面挡水，导流洞联合泄流。

3)后期导流时段坝体挡水，导流洞拟在牡丹江管理局年11月上旬下闸，下闸后由左、右岸冲沙底孔泄流。牡丹江管理局年6月，水库永久泄水建筑物投入运行，水库达到防洪设计标准。

2 导流洞下闸前门槽水下探摸的意义

双峰水库导流洞于牡丹江管理局年10月开始过流;到下闸封堵时最长过流时间6个月，且上游游河段江水含沙量较大，导流洞门槽在泄流过程中经长期高速水流和泥沙的冲刷，门槽水下部分、底槛有可能冲蚀和破坏，为后续下闸封堵带来很大风险。

为降低下闸风险，在下闸前探摸门槽水下部分的冲蚀情况是相对必要的，下闸后针对门槽的冲蚀情况实施紧急堵漏，为下闸后抢险堵漏提供可靠依据。

3 主汛期高速水流工况下导流洞门槽水下探摸技术研究

3.1 探摸时段的确定

在工期合理的情况下，导流洞门槽水下探摸宜在河道最枯季节进行，此时流量小，流速慢，探摸难度相对较小，探摸设备的设计相对简单。

由于双峰水库核准较晚，工程核准后即具备发电条件，为确保牡丹江管理局重点工程项目建设，水库必须确保牡丹江管理局年底投产蓄水。根据整个水库的建设工期，导流洞需在10月初下闸封堵，导致导流洞门槽水下探摸工作必须在5月份前完成，此时双峰水库坝址已进入全年主汛期，江水流量大、流速高，水下探摸工作难度很大。

3.2 试探门结构设计

试探门的设计需根据试探时导流洞进口的水位、流速、流量以及试探时的起吊设备进行综合考虑，且能够在高速水流工况下准确探摸门槽水下部分的冲蚀和破坏情况，并对探摸的实际数据进行自动记录。

根据设计资料，9月份双峰水库坝址多年平均月流量为150 m3/s，按10 a一遇标准，导流洞过水最大截面达到3×6 m，导流洞进口处于全淹没状态，过流速度达到8.964 m/s。

在高速水流工况下，试探门需利用自重进入水下工作，试探门的挡水面积越大，试探门与门槽的摩擦了越大，整体结构受力越大，试探门的结构强度及吊装设备要求更高，相应风险也较大。

通过综合考虑导流洞进口过流参数、试探门的自重及调运设备，试探门主梁为板式结构，横梁由两根组合工字钢组成，两横梁之间采用角钢连接，梁体翼缘板进行梅花型开孔，尽量减小试探门的挡水面积。试探门结构示意图见图1。

图1 试探门结构

3.3 试探门受力分析及支承型式选取

在高速水流工况下，试探门在门槽内受力极为复杂，相对试探门的强度设计，需主要计算高速水流作用于试探门的力传递至门槽后，在门槽滑动支承作用下，试探门的变形以及与门槽之间的摩擦阻力。在保证试探门强度可靠的前提下，试探门的自重能够克服其与门槽之间的阻力，使试探门能够在自重作用下稳定运行。

高速水流作用于试探门的合力(KN/m2)。

式中:K为系数，取1.5(按平面计取);Y为水的重力密度，10kN/m3;v为流速，v=8.964m/s(4780m3/s流量下，导流洞进口最大流速);计算得，F=61.5KN/m2。

试探门的总迎水面积为11.9 m2，水流作用于试探门的合力为ΣF=11.9×F=732 KN。

如采用滑道支承结构，计算得门槽滑道对试探门的摩擦阻力为:

式中:u为摩擦系数，根据铜滑块材质取0.19。

试探门的设计自重为16 t，考虑高速水流工况下试探门受力的复杂性，采用滑道支承结构进行试探门的运行并不可靠，可能导致试探门难以下放至底槛或阻力过大难以提出水面。解决的方法有2种:①增加配重;②改变支承型式。

如增加配重，则要配备容量更大的启闭设备，造价较高，通过两种方案对比，试探门采用滚轮支承结构更安全，技术更可靠，且能有效防止试探门对门槽支承滑道的破坏。

在试探门背水面增加4个滚轮，滚轮安装在两侧边梁上，对称布置，轮缘采用抛光处理，滚轮轴承采用推力轴承，大大减小试探门与门槽主轨的摩擦阻力。

3.4 探针设计

探针采用自伸缩、自锁定结构，探头自由状态下由探筒内弹簧顶起，受压后缩入探筒，并自动锁定，从而能够自动记录被探部位的相对情况。

通过分析门槽水下部分可能被冲刷破坏部位，在试探门的相应位置安装探针，试探门底部探针按梅花型安装，探针纵横间距500 mm，共安装56组探针，组成探针群组，能够覆盖整个门槽底槛，探针探头低于试探门底缘500 mm，探头受到挤压后，缩入探筒，记录门槽底槛部位冲蚀破坏及变形情况。

在试探门主梁、边梁上分别安装8组探针，记录门槽主轨、侧轨以及门楣的破坏及变形情况。

4 水下探摸技术的实际运用

通过研究及设计准备，该技术首先在双峰水库导流洞实施运用。分别于2005年7月11日、15日完成导流洞门槽水下探摸工作。试槽探摸时，导流洞最大过流量110 m3/s，流速2.5 m/s。

试探门采用导流洞闸门的固定式启闭机完成启闭工作，启闭机容量为3 600 KN，双吊点，为保证启闭机同步，采用同步轴将1台启闭的机减速机进行连接。

试槽时，在试探门顶部左、右两侧边梁腹板的中心各固定一把50 m钢卷尺，钢卷尺的“零”刻度与闸门腹板上边缘对齐，钢卷尺必须固定牢靠，不得有任何窜动。测量用钢卷尺需进行校核，保证两把钢卷尺的测量精度相同。

由于在高流速工况下，试探门在水下工作时间越长，则风险越大。为尽量减小试探门在水下的工作时间，试探门下闸后需快速判断试探门是否到底，并完成探针的水下探摸记录工作，下门前应提前根据底槛的高程、试探门的实际高度、测量基准的高程，计算闸门下到底时钢卷尺的最终刻度，然后在此刻度上进行醒目标识。闸门下到底时钢卷尺的最终刻度应为:

钢卷尺刻度(L)=测量基准高程(H 1)—底槛高程(H 2)—闸门实际高度(H 3)

通过大量的前期准备工作，双峰水库导流洞门槽水下探摸工作进行相当顺利，每个门槽实施探摸时均在30 min内完成，并基本探明水下底槛、门槽的冲蚀、破坏情况。

5 水下探摸成果分析

试探门提出水面后，对探针记录的信息进行分析记录，绘制探头群组三维图，从而判断经过长期高速水流冲刷下，门槽底槛及轨道的变形情况。

通过对布置在试探门底部探头群组分析，双峰水库导流洞门槽钢结构底槛完整，并未造成破坏，但底槛前沿的二期混凝土存在不同程度的冲蚀破坏，主要集中在门槽中间部位，其中2#导流洞左孔最为严重，最大的冲蚀深度达到235 mm，宽度2.3 m，其它孔口的冲蚀深度为40～120 mm。从底槛前沿冲蚀深度分析，导流洞左孔钢结构底槛底部存在掏空可能，为后续下闸堵漏的重点(下门后的堵漏技术将另文说明)。

通过对布置在试探门边梁、主梁上探头群组分析，试探门在门槽内运行时门槽主轨踏面及布置在主轨上的水封座板完整，并未变形和破坏;门槽反轨完整，无变形，门槽主轨至反轨间的相对距离满足设计要求，满足封堵闸门下面条件。

［1］房正杰.湾水电站节流施工规划及实施［J］.云南水力发电，1993(2):12.

［2］宋惠芳.恒定有压扩散流局部非稳定流动研究［J］.水资源与水工程学报，2007(5):33.