导流洞门槽保护的研究与探讨

李 岗,朱增兵,方寒梅

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)04—0085—05

导流洞门槽保护的研究与探讨

李 岗,朱增兵,方寒梅

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

结合国内外工程实例，对比分析了导流洞门槽保护框设置与否的应用效果，对设置门槽保护框可能出现的问题进行了研究与探讨。提出了导流洞门槽设计及施工中应注意的关键技术问题。为导流洞门槽的设计和施工提供借鉴。

导流洞；门槽；保护框

0 前 言

施工导流隧洞(以下简称导流洞)是水电水利工程中重要的临时建筑物，导流洞封堵闸门的顺利下闸封堵是工程下闸蓄水的关键。

导流洞的布置高程一般都较低，运行状况较差。由于导流洞过流时间长，流态复杂，水质情况、推移质的特性具有很大的不确定性，因此对于门槽的磨损、破坏情况、是否有杂物驻留在门槽内等一直是工程建设者关注的问题。因此导流洞闸门的门槽设计与保护历来是各个工程的重点。

1 保护框的应用情况

由于担心门槽破坏或石块、泥沙淤积在门槽内难以清除，影响下闸封堵，因此许多工程中采用了在门槽两侧设置保护框的方式进行防护，消除工程建设者的担心和顾虑。

门槽保护框的设置形式很多，有些工程使用过程比较顺利，没有发现什么问题，但也有许多工程的保护框出现或多、或少的一些问题。下面就几个工程中使用保护框出现的情况进行简要介绍。

1.1 澜沧江漫湾水电站

位于澜沧江中游河段的漫湾水电站左岸设有2条平行布置的导流隧洞，分别于1987年12月和1988年5月建成过流。其中1号导流洞长458 m，为有压隧洞，进水口设有进水塔和2扇下游止水的封堵闸门。闸门特性见表1。每孔门槽底部左右侧各安装有4 m高的门槽保护框，通过15.2 m长拉杆用花篮螺栓固定在门槽侧部混凝土墙上(见图1)。底板除2 110 mm宽的钢底槛外，上下游1 m范围内用环氧砂浆抹面，厚度大于50 mm，以增加混凝土的冲刷耐磨性。

表1 漫湾电站1号导流洞封堵闸门特性表

图1 漫湾水电站1号导流洞闸门门槽及保护框图

1号导流洞从1987年12月过流，到1992年底下闸前已经历5个汛期，特别是经受了1991年8月份的8 200 m3/s洪水、单洞流量近4 500 m3/s特大洪水的考验，底部流速达16 m/s。为保证工程顺利下闸封水，设计制作了试探门用于水下探查，包括门槽保护框的打捞和对门槽、底槛水下部位进行检查。据观察发现门槽保护框花篮螺栓已全部脱落，拉杆皆沿保护框吊耳板的加强板下缘折断后被水冲走。掉入水中，情况不明。潜水员水下探查，确认保护框吊耳板从根部折断，拉杆和保护框盖板已不存在，只剩下无盖的箱体，箱体内和三面靠墙部位沉积了大量的石块和泥沙。水下打捞工作从1992年11月13日到12月17日，历时35 d，期间最大流量942 m3/s，水深11 m，流速达6 m/s。采取了真空吸砂，水下切割，制作专用吊具等方法，终于将保护框打捞出3个，右孔左边保护框已被水冲走。1号导流洞左右孔封堵闸门于1993年3月27日10：09和10：14分先后顺利下闸封水[1-2]。

1.2 马来西亚巴贡水电站

巴贡水电站位于马来西亚东部的沙捞越州BALUI河上，电站装机容量2 400 MW，工程主要由面板堆石坝、左岸引水发电系统、泄洪建筑物和右岸导流建筑物组成。右岸导流建筑物共3条导流隧洞，进水口呈喇叭口状，设有2 m厚中墩，将导流洞分为2个洞道，每个宽6 m，高12 m，并逐渐缩窄，到门槽处只有4.75 m，每孔门槽都设有门槽保护框。2001年底导流洞开始过流。为满足巴贡水电站水库蓄水期间下游居民生活和河道生态基本需水，在正式蓄水前一年，先将3个运行的导流洞中的1号导流洞关闭改建为流量为150 m3/s的放水洞，在洞内安装可控制流速针阀和蝶阀，然后在蓄水时启用放水洞，并关闭另外2个导流洞。

到2008年下闸的导流洞运行时间长达近8 a，由于BALUI河漂木甚多，屡屡撞击闸门门槽、底槛及周边混凝土，原设置6孔门槽保护框中被冲毁破坏的已过半。为保证导流洞闸门成功下闸，对门槽埋件和混凝土结构进行全面检查，清除损坏并卡阻在门槽内的保护框，设计制作了1套门槽探查装置。专业潜水员利用门槽探查装置将门槽保护框采用水下切割后取出，并对6孔门槽水下部分进行了探查，各门槽侧轮轨道和水封不锈钢轨道均完好，但底槛工字钢主框架之间所浇筑的混凝土都被冲刷成深度不等的凹坑，尤其1号导流洞钢板下部混凝土部分被掏空，钢板面成弓状。由于与底水封匹配的底槛钢板平面基本平整，1号导流洞封堵闸门在2008年3月21日顺利关闭。经潜水员在闸门背后检查，水封工作良好，只有少量漏水[3-4]。

1.3 黄河李家峡水电站

黄河李家峡水电站位于青海省尖扎、化隆两县交界的李家峡峡谷中段。电站装机5台，单机容量400 MW，总装机2 000 MW。枢纽由拦河大坝、坝后式厂房、泄水建筑物、灌溉渠道、出线站等永久建筑物组成。导流洞布置在右岸，封水闸门及埋件均设在进水塔内，孔口尺寸11 m×12.5 m，设计水头95 m，门槽宽2 m，深1.25 m。为防止门槽处底板和侧墙因冲刷或气蚀破坏，造成下闸后门后漏水，甚至封堵失败，因此在门槽中心线上、下游底板和侧墙处均进行了钢板衬砌，底板上游衬砌1.53 m，下游衬砌1.97 m，侧墙上游衬砌1.25 m，下游衬砌3 m。门槽内设置门型保护框，支承材料为木材。下闸前，采用2×4 000 kN固定卷扬启闭机拆除时，保护框与门槽发生卡阻，吊耳焊缝被拉裂。经过补焊加强吊耳，不断调整起吊方式，历经10 d左右时间，终于将保护框顺利提出门槽。1996年12月26日，导流洞闸门成功下闸。下闸后检查发现，下游底板钢衬与混凝土接缝处被冲刷形成深1.7～2 m，平均宽10 m，长8 m的深坑，底护板下部部分混凝土被水流掏空。底槛中部30 mm厚的Q345钢衬被磨蚀剩0.1 mm厚[5]。

产生上述冲刷现象的主要原因是由于黄河上游水土流失严重，植被差，每逢下雨或汛期, 河水携带大量的泥沙流入洞内，同时也挟带大量的卵石、块石, 在高速水流作用下，年复一年地磨损底板，若遇底板与混凝土接缝不良、错台偏大，水流将在该处产生空穴水流，空蚀着周围的混凝土，使之剥落。久而久之，在空蚀和推移质联合作用下，衬砌结构遭破坏，进一步恶化了水流流态,并逐渐演变成大范围的深坑和冲槽。

1.4 黄河拉西瓦水电站

黄河拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界处的黄河干流上，坝址上游32.8 km处为已建龙羊峡水电站，下游8.6 km处为已建的尼那水电站。电站装机6台，共4 200 MW。枢纽由双曲拱坝、坝身泄洪建筑和坝后消力塘、左岸导流建筑物和右岸地下引水发电建筑物组成。左岸共设计施工导流隧洞1条，在导流洞中部竖井式闸室内，共设2孔导流封堵闸门门槽埋件及2扇导流封堵闸门，孔口尺寸6 m×11.352 m，设计水头165 m。导流洞设计过流时间为5 a，最高过流水头为57.25 m。门槽型式采用Ⅱ型，由于过留时间长，水流及推移质情况复杂，底槛采用复合钢板(双相钢2205+Q345B)，该复合钢板经试验证明，其耐磨性、耐冲刷腐蚀性能良好。在三峡排沙底孔钢衬中得到应用[6]。为保护门槽，在门槽上、下游段设置保护钢衬，门槽内设高2.8 m，重4.24 t的门槽保护框(见图2)。

2008年7月，水下检查发现，门槽保护框上预留的钢丝绳10 t卡环已断裂报废。经过有关部门协调，利用上游龙羊峡水电站停机，减少下泄流量，以利于拆除保护框。检查发现，保护框与门槽间隙中有石子、水泥浆等杂物(图3)，经数次超容量启吊均未能保护框提出门槽。每次停机，门槽处均还有0.8 m左右水深，加之流速较大，给拆除工作带来相当的困难。为此，在门槽上下游设置钢围堰，使门槽处形成静水。由青岛太平洋工程有限公司，采用水下切割将保护框拆除(图4)。2008年11月10—19日，经过60余h奋战，门槽保护框全部拆除完毕。拉西瓦导流洞于2009年3月1日顺利下闸封水[7]。拉西瓦水电站工程导流洞门槽保护框卡阻及处理情况见图3～5。

图2 拉西瓦水电站门槽保护框图图 单位：mm

图3 拉西瓦水电站导流洞门槽保护框卡阻情况图

图4 拉西瓦水电站导流洞门槽保护框水下切割图

类似导流洞门槽保护框过流期间被冲走、损坏或发生卡阻的工程实例还有很多[8],如龙开口水电站保护框被冲走、瀑布沟水电站保护框被卡等，不再一一列举。

图5 拉西瓦水电站导流洞门槽保护框拆除后情况图

2 设置保护框容易出现的问题及原因

门槽保护框非主要承载设备，受力不明确，设计强度、刚度、与门槽配合间隙等没有可遵循的标准，更多是依靠工程师的经验，因此保护框的设计也差别很大。门槽保护框设计中，即要防止保护框向内移位，又要防止保护框被冲出，因此保护框与门槽设有双向挡动，且间隙较小。由于保护框长期处于动水中，因此可能由于如下原因发生卡阻、局部损坏、冲走：

(1) 由于制造、安装误差或浇筑变形过大引起卡阻。这个原因理论上通过制造、安装、浇筑过程严格控制是可以避免的，在截流前也可进行消缺处理。

(2) 保护框放入后，由于门槽上部施工，可能掉入石子、砂浆、水泥浆或其它杂物，造成卡阻，理论上可以通过加强施工管理避免，但一旦发生将可能造成保护框卡阻。

(3) 导流洞过流后，水流中不可避免带有大量泥沙、碎石、或其它杂物等推移质，由于保护框的存在，沉积在门槽中，引起的卡阻的可能很大，且难以预防。

(4) 由于水流脉动压力作用，可能引起保护框振动。振动可能导致保护框或门槽的导向发生局部变形，造成保护框卡阻；也可能导致保护框上或门槽上的侧向挡动结构发生损坏，进而导致保护框冲走；可能造成活动吊具损坏。

从以上原因分析看，导流洞保护框出现问题的可能性非常大，而危害最大的是卡阻。一旦造成保护框卡阻，不能顺利提出，只能利用水下切割手段才将其分段取出。由于保护框处于水下，且导流洞流速较大，处理起来不仅费用高，难度也非常大。从前述工程实例看，设置保护框后卡阻的不在少数。因此，设置保护框本身存在很大的风险。

3 未设置保护框的工程实例分析

在国内水电工程中，也有许多没有设置保护框。如黄河中上游水电工程龙羊峡、公伯峡、炳灵等水电站均未设置保护框，下闸前，做了试探框进行了水下探查，未有门槽两侧淤积、破坏记录，下闸基本顺利。其它河流中也有很多未设置保护框的工程，如澜沧江大朝山水电站等。

建于20世纪60年代的刘家峡水电站未设置门槽保护框，历经近8 a长时间过流，门槽遭到严重冲蚀破坏，1967年下门封堵时，闸门在距底槛以上0.7 m处被卡阻，前后历时14个月才将漏洞堵住[9]。但并不是因门槽两侧破坏、或底部堆积异物造成卡阻，与是否设置保护框并无直接关系。除此，未见类似报到。

笔者参加调研了李家峡、公伯峡、拉西瓦多个水电站工程下闸后导流洞门槽的破坏情况。李家峡导流洞过流5 a多，公伯峡导流洞过流3 a多，拉西瓦导流洞过流5 a多，从李家峡、公伯峡、拉西瓦等水电站导流洞下闸后的探查情况看，门槽两侧主轨、钢衬未有大的磨损，门槽下游侧的破坏主要在底槛中部，主要表现为底槛中部钢板磨损，底板钢衬后混凝土形成较大冲刷坑。

在国内未设置保护框的工程中，下闸大多比较顺利，近30年来没有因门槽底部有难以清除杂物导致闸门无法下闸的报道。从门槽部位的水力学分析，导流洞进口流速一般在7～8 m/s以上，随上游水量变化而变化，门槽内堆积石块、泥沙的可能性不大。

在设置保护框的工程中，保护框被冲走的也不乏工程实例(如上述的漫湾水电站等) ，下闸前水下探查并无大的异物堆积，门槽两侧也未发现较大的破坏痕迹，下闸基本顺利。

许多工程实例表明，即使没有设置保护框，门槽两侧也未发现明显破坏。而门槽底部钢衬磨蚀、混凝土破坏，不是设置保护框能够解决的。

4 保护框的作用分析

设置门槽保护框的目的一般认为主要是2个：① 改善流态，保护两侧门槽免遭破坏；② 防止石块、泥沙淤积在门槽内，影响下闸。

由许多工程实例看，门槽的破坏主要在底部，表现为底槛中部钢板磨损，底板钢衬后混凝土破坏，而门槽两侧的主轨、钢衬未有大的磨损。而门槽底部钢衬磨蚀、混凝土破坏，不是设置保护框能够解决的。设置保护框的第1个目的似乎并无必要。

设置保护框的第2个目的是防止石块、泥沙淤积在门槽内，影响下闸。但从上面分析看，保护框造成卡阻的可能还是很大的，而一旦保护框卡阻，不能顺利提出，保护框就成了门槽中最大的异物，处理难度和代价比不设保护框大的多。而且，保护框需在闸门安装前提前拆除，需合理考虑安装周期，避免施工干扰。

因此，笔者认为，导流洞设置门槽保护框的必要性不大。

5 导流门槽设计、施工的重点

导流洞门槽虽然是临建设备，但由于其关系到下闸蓄水的成败，因此，导流洞门槽设计、施工中应特别注意以下几点：

(1) 采用合理的门槽型式，最好采用Ⅱ型门槽，必要时可通过水力模型试验研究确定，防止气蚀、空蚀破坏。

(2) 适当增加门槽钢衬的结构强度、表面钢板厚度，甚至采用耐磨、耐冲刷、抗腐蚀性能好的材料，减少钢板磨蚀。

(3) 适当增加门槽前后钢衬衬护范围，特别是门槽底部和两侧下部的衬护范围。

(4) 采取合理措施，尽量减少、甚至避免推移质进入导流洞，如导流洞进口设置拦砂坎等。

(5) 严格控制混凝土浇筑质量，特别应重视钢衬与混凝土衔接处的施工质量，防止或减少钢衬后混凝土的冲刷破坏。

(6) 严格控制门槽制造、安装质量。

(7) 截流后，门槽上部塔筒升高施工过程中，应做好门槽安装平台高程处的防护，严防杂物掉入门槽内。

(8) 导流洞进口上游土石围堰、混凝土围堰，应在分流前尽量挖除干净。

(9) 上游碴场(如果有)沿江防护应按水保要求，对汛期水位以下高程的碴料表面进行防护，防止上游石碴和杂物进入门槽或门槽与保护框间隙内。

(10) 当然，下闸前，利用试探框进行水下探查工作，对保证导流洞封堵闸门的顺利下闸封堵都是非常必要的。

6 结 语

通过以上分析，笔者认为，通过合理设计、加强施工管理、严格控制施工质量，导流洞门槽设置保护框的必要性不大。

对于过流时间过长的导流洞，建议结合流域电站整体布置、水头、流速、过流时间综合考虑，研究设置保护框的必要性。

[1] 张兆启.漫湾水电站1号导流洞门槽水下探查及下闸封堵[J].水电站机电技术,1997,(2):62-65.

[2] 张仁,王金祥,吴邦庆.漫湾水电站1号导流洞试探门设计与施工[J].云南水力发电,1994,(1):44-47.

[3] 武夏宁,候晓暾,江燕.巴贡水电站1号导流洞下闸封堵施工方法与应急措施[J].科技传播,2010,(3):48-50.

[4] 何少润.马来西亚巴贡电站导流洞下闸前门槽探测[J].水电站机电技术,2008,(8:42-45.

[5] 谷建国,刘正兴.导流隧洞底板冲刷浅析[J].西北水电,1999,(3):13-15.

[6] 田连治,徐元发.三峡工程电站排砂底孔的金属结构[J].水工机械技术，2002,(1):16-20.

[7] 徐长明.关于黄河拉西瓦水电站导流封堵闸门的思考[J].西北水电，2009,(5):71-76.

[8] 唐德远,鞠其凤.二滩水电站导流洞顺利下闸封堵[J].水电站设计，1998,(6):85-88.

[9] 张贵群.关于施工导流洞进水口闸门槽的冲蚀与防护问题[J].西北水电,1987,(3):45-50.

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

李岗(1982- )，男，山西省长治市人，高级工程师，主要从事水电站金属结构设计工作.

TV663

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.022