基于坝身导流情况下底孔闸门安装方式探究

赵 洋，王春娟，赵 珍，马少博，张 波

(1.陕西省水务集团有限公司，陕西 西安 710004；2.杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100；3.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710075)

1 研究背景

对于大中型水库，将导流建筑物和永久性建筑物进行结合设计，在施工和运营过程中发挥双重作用。对于小型水库，在考虑项目整体投资规模小，考虑坝身过流方式进行导流，可有效降低项目投资成本。导流施工技术在水利工程施工中广泛应用，在水利工程施工中应用能够发挥重要作用[1-2]。李然[3]对小湾水电工程坝身导流底孔封堵进行了介绍，成功完成了大坝导流底孔封堵工作。尹学明[4]等结合大型水利水电工程分析施工导流方案，发现方案的优劣性直接决定了项目总进度和总工期。崔世彬[5]对某一水电站大坝临时工程施工分析，对水电站大坝临时导流底孔出口启闭机排架施工要点进行了全面阐述。李方平[6]等通过对旭龙水电站导流建筑物规模、导流隧洞出口布置以及向下游供水方案的比选研究，采用了2条导流隧洞高低洞设计，解决了从初期到后期导流设计全过程中挡水、泄水问题。邸书茵[7]介绍了在水利工程导流底孔过流的情况下，构建弧形闸门安装的悬空作业平台，满足底孔过流条件下弧形闸门安装施工进度。刘志雄[8]等人在两种不同启闭方式过程中闸门水力学条件变化情况时，通过导流底孔封堵闸门水力学模型试验，进行了两个启闭方案下底孔内流态、压力特性以及闸门启闭力的对比试验研究。梁金亮[9]在闸门安装施工过程中，通过一系列制度管理、技术创新，制定出相应施工方案，及时解决闸门施工中重点和难点。胡尚军[10]介绍内蒙古海勃湾水电站泄洪闸表孔弧门主要安装工艺流程，安装过程中主要质量控制点。

通过对上述研究分析，坝身导流主要存在两方面问题。一是在施工前期利用坝身底孔导流虽对混凝土浇筑施工影响较少，但后期金属结构闸门安装时，由于底孔不断过流，导致闸门预埋件安装和二期混凝土浇筑处于非正常环境，施工困难。二是在进行闸门安装时，因闸门体积较大，通常将闸门在底孔处先进行吊装，再进行底孔闸房施工和液压启闭机安装，当液压启闭机未完全安装完成时，遇到较大降雨时，工作闸门未有动力进行启闭，坝前水位不断升高，威胁下游村庄及城市的安全。

如何在无专用导流建筑物情况下，对底孔闸门安装遇到上述两种问题进行解决，提出了一种采取底孔封堵和闸门抬高的方式进行闸门安装。以水量平衡原理为基础，对枯水期洪水进行计算，分别探讨一孔封堵一孔过流、单孔过流时底孔闸门抬高、双孔过流时底孔闸门抬高安装全过程，在保证安装人员和下游群众安全和财产前提下，对其进行数值计算，探究此方法的可行性。

2 基本原理和计算方法

当工程无专用导流建筑物时，采用坝身导流进行工作闸门安装，主要包含底孔封堵和闸门抬高两个重要过程，两个过程逐次进行。

2.1 底孔封堵

在进行预埋筋安装和二期混凝土浇筑时，采用封堵一孔，另一孔过流的方式进行。在枯水期，利用底孔过流和水泵抽水的方式快速降低坝前水位，当水位降低到底孔底板高程时，对其中一孔进行封堵，另一孔保持畅通，畅通底孔加上水泵继续抽水，尽量降低坝前水位高程。当封堵底孔后面施工全部完成，并达到过流条件时，对另一孔进行封堵作业，已施工完成的底孔进行过流。

2.2 闸门抬高

当预埋件和二期混凝土全部完成后，在还未拆除封堵的底孔后边进行工作闸门安装，另一孔继续保持畅通。安装完成后，由于没有动力设备工作闸门处于关闭状态，需要对工作闸门进行抬高，采用垫物或倒链等多种方式将闸门抬高，保持底孔的过流。由于采用垫物和倒链，不可能将整个工作闸门全部抬高打开，只能抬高一定高度。当施工完后，保持工作闸门抬高过流通畅，另一孔进行封堵施工。两个底孔工作闸门施工完成后，采用将闸门抬高的方式进行底孔过流，直至动力设备安装完成并与闸门完成连接。

2.3 水量平衡方程

此安装方式原理主要由水量平衡方程作为基本方程[11-12]，枯水期洪水流量过程线作为上流边界条件，以洪水来水、水库蓄水、底孔过流三者为水量平衡动态研究对象，以差分方式(时间间隔60s)对三种不同情形进行差分计算，得出不同情形下淹没情况发生的临界值。如公式(1)。

Q洪t+W库-Q底t=0

(1)

式中，Q洪—洪水流量，m3/s；W库—库容的增量，m3；Q底—底孔的流量，m3/s；t—时间，s。

2.4 底孔过流公式

根据SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》[13]和SL279—2002《水工隧洞设计规范》[14]中关于底孔出流的设计规定，如公式(2)。

(2)

式中，Q底—底孔的流量，m3/s；μ—孔口流量系数，文中取0.90；A—孔口断面面积，m2；g—重力加速度，m/s2；H1—孔口中心线的作用水头，m。

3 实际工程案例分析

某水利工程等级为Ⅳ等工程，枢纽由挡水坝段、泄洪坝段和放水设施等主要建筑物组成[15]。坝型为混凝土重力坝，泄水坝段主要由两个底孔和一个溢流表孔组成，无专用的导流建筑物。在地基处理阶段，利用束窄河道的方式进行河床导流。地基处理完成后，通过部分地基过流，部分坝体浇筑(有底孔的坝段先行浇筑)的顺序施工。当包含底孔的坝段浇筑至底孔高度时，进行其他坝段的浇筑，导流利用底孔进行。底孔尺寸3m×2.5m(宽×高)，底孔底板高程1163m，底孔上部第一个通风口高程1170.5m。

3.1 水库库容特征曲线

假设在进行工作闸门安装时，库底清理工作已完成，水库库容～高程曲线和初步设计时水库特征曲线相同。对水库的高程～库容曲线进行数量化[12]，如图1所示，得出高程～库容曲线方程如下，相关系数0.9979以上。

图1 水库库容特征曲线

W=300498.95-361.40(H+500)+0.11(H+500)2

(3)

式中，W—水库库容，万m3；H—水位高程，m。

3.2 枯水期洪水过程线

某水库导流建筑物设计重现期为5～10年，采用底孔导流进行工作闸门安装在项目建设后期，大坝已浇筑完成，考虑到安全的需要，因此安装阶段设计标准采用10年一遇的洪水过程进行计算。根据多年最大暴雨过程推算最大洪水流量过程线是指坝址处多年经历的最大洪水过程，但文中工作闸门安装选择在枯水期进行，一旦选择采用最大洪水过程线会造成安装过程中过大考虑洪水对于安装的影响。

由于全年洪水过程和区域内全年的径流量直接存在着紧密联系，因此文中在最大洪水过程线和枯水期的基础上，提出枯水期洪水过程线，采用枯水期平均径流量占全年平均径流量的比值，将最大暴雨过程推算出的最大洪水流量过程线进行整体缩放，得出枯水期洪水过程线。

(4)

(5)

Q1=αf(t)

(6)

式中，P—多年平均径流量，m3；Q—洪水流量，m3/s；t—时间，s；α—枯水期径流量系数P1—枯水期平均径流量，m3；Q1—枯水期洪水流量，m3/s；f(t)—洪水流量过程线。

某水库多年平均径流量1540万m3，枯水期多年平均径流量为323万m3，得出α=0.21，对10年一遇的洪水过程线进行整体缩放，得出枯水期洪水过程线如图2所示。图2进行方程化时，采用多次方程进行量化相关性不理想，最终采用多段线性方程进行量化，如公式(7)～(10)。

图2 枯水期洪水流量过程线

当t=0h～1.8h时

Q洪=3.5t

(7)

当t=1.5h～3.3h时

Q洪=22.82t-34.78

(8)

当t=3.3h～6h时

Q洪=-11.98t+80.06

(9)

当t=6h～14.2h时

Q洪=-0.79t+12.93

(10)

式中，Q洪—洪水流量，m3/s；t—时间。

3.3 底孔封堵时底孔处水深变化情况

在进行金属结构安装过程时，采用单孔封堵、单孔作业方式进行，对10年一遇洪水和枯水期洪水两种情形进行分析，得出不同时刻底孔水深(以底板高程1163m为水深基础点)变化情况如图3所示。

图3 不同情况下底孔水深变化过程

从图3得出，采用单孔封堵、单孔作业，以10年一遇洪水计算，当洪水过流1.76h时，水深达到底孔高度2.5m；当时间为2.57h时，水深到达7.5m，此时水深到达底孔上部第一个通风口位置，所有安装人员全部撤离，不得在封堵底孔处进行任何作业；在保持单孔封堵不被破坏的情况下(封堵结构可以承受坝前水压)，在4.47h时水深达到最大值18.91m；在7.67h时水深回落到2.5m，洪水全部经底孔泄流。以枯水期洪水计算时，洪水过流3.43h时坝前水深达到最大值2.95m，未超过第一个通风口高度，不会发生危险。

3.4 闸门抬高高度对底孔前水深的影响

以枯水期洪水过程线作为上游边界条件，单孔过流和双孔过流闸门抬高高度对底孔前水深变化情况进行分析计算，如图4—5所示，见表1。e表示底孔闸门开口抬高的高度，h表示底孔的高度(h=2.5m)。

表1 单孔过流时闸门抬升高度对于底孔处水深的影响过程

图4 单孔过流时底孔闸门抬升高度对于水深的影响

从图4和表1可以得出，随着闸门开口高度不断升高，底孔处最大水深不断减少。当闸门开口高度e/h等于0.37时，底孔前最大水深7.5m，正好与底孔上部第一个通风口持平，不会发生淹没破坏。当闸门开口高度e/h小于0.37时，一旦遇到枯水期洪水，会发生水深超过底孔上部的第一个通风口，导致封堵方式失败。

当单孔过流底孔闸门开口高度e/h等于0.37时，底孔处水深7.5m，根据水力学基本原理，得出底孔封堵位置受到最大应力0.07MPa，最大应力点发生在在底孔封堵位置最底端，封堵面受到总压力为275.63kN。在采用钢板结构或者沙袋材料等作为封堵时，应对封堵材料进行稳定性和破坏性分析。

当工作闸门安装完成，将两个底孔工作闸门全部抬高一定高度，此时未有动力设备，无法将闸门全部升起，只有通过倒链或垫高方式进行闸门抬升。随着底孔闸门开口高度上升，底孔处最大水深减少。当闸门开口高度e/h等于0.19时，底孔前最大水深7.5m，达到破坏临界值。当闸门开口高度e/h小于0.19时，会发生水深超过底孔上部第一个通风口情况，导致封堵方式失败，如图5所示，见表2。

表2 双孔过流时闸门抬升高度对于底孔处水深的影响过程

图5 双孔过流时底孔闸门抬升高度对于水深的影响

4 结语

当无专用导流建筑物时，采用单孔封堵和闸门抬高方式进行闸门安装，对实际施工具有可行性和参考性。

(1)在预埋件安装和二期混凝土浇筑时，采用单孔封堵、单孔过流不会发生淹没破坏；在闸门安装过程时，单孔过流闸门开口临界高度e/h等于0.37、双孔过流闸门开口临界高度e/h等于0.19，闸门抬高高度低于临界高度时，会发生淹没破坏。

(2)枯水期洪水过程线采用α参数进行缩放，与实际遇到的洪水过程不一定相符，需进一步研究。在采用封堵作业时，封堵方案中结构稳定性和抗倾覆性是封堵成功关键，是后期研究的重点。