浅谈水库输水洞拦污栅水下更换作业要点

董至辰

（陕西石头河水利产业（集团）有限责任公司,陕西 咸阳 712000）

1 工程概况

石头河水库位于岐山、眉县、太白县三县交界处的斜峪关上游1.5 km处,是具有防洪、灌溉、发电、供水和水产养殖的大（Ⅱ）型水利工程。水库控制流域面积673 km2,总库容1.47亿m3,有效库容1.2亿m3,死库容0.05亿m3,正常高水位801 m,设计洪水位801 m,校核洪水位802.52 m,保坝洪水位807.65 m,死水位728 m。水库大坝最大坝高114 m[1]。

2 拦污栅更换原因

根据2013年～2015年水库除险加固枢纽金属结构拦污栅水下检查资料显示,拦污栅锈蚀严重,且原拦污栅底部位于高程732 m门槽内,未放置于拦污栅底坎处。为避免旧拦污栅影响水库的安全生产,故将旧拦污栅进行拆除,并安装新拦污栅。

3 作业面临的问题

施工作业面临的问题：①施工作业前需要停止输水洞运行,并要求拦污栅前水流流速小于0.5 m3/s且水位低于772 m即最大作业水深约50 m,才能保证水下作业人员的人身安全,而石头河水库承担着农业灌溉、渭河生态流量下泄和宝鸡、杨凌、咸阳、西安等地区的城市供水等任务。施工期间生态流量、城市供水与农业灌溉如何保证是需要考虑的大问题。②施工用浮式平台（以下简称“浮台”）在吊装过程中如何避免倾覆与沉没。③如何吊装以及吊装过程中遇到卡滞问题怎么解决。

4 解决方案

4.1 在保证城市供水与农业灌溉的前提下满足作业要求

施工期间输水洞停止运行,而城市供水是城市建设的基础,保证城市供水就是保证稳定的城市经济发展和人民的生活,因此事关民生的城市供水与农业灌溉绝不能因施工而停止。结合往年同期城市供水与农业灌溉用水量与渠道利用系数计算渠首流量,经计算所需出库为最少6 m3/s（其中城市供水与农业灌溉所需出库大约为5 m3/s,渭河生态流量1 m3/s以上）。施工期间所有用水只能从泄洪洞放出,查阅“泄洪洞水位～流量关系曲线”并使用“线性内插法”计算得出在水位760 m时泄洪洞闸门开启0.06 m时流量为6 m3/s。测量泄洪洞消力池到渠首高差,根据式（1）计算所需水泵轴功率：

式中：P为水泵轴功率,kW；ρ为水的密度,kg/m3；g为重力加速度,N/kg；Q为流量,m3/s；H为水泵扬程,m；η为水泵效率。

经计算选用满足功率要求的水泵,最终在泄洪洞出口的消力池处架设15台抽水泵,其中5台抽水泵作为备用泵轮换使用,以避免水泵长时间不间断使用产生故障及实际用水量较计算用水量大供水无法满足的现象发生,保证供水的不间断性。

4.2 浮式吊装平台的稳定性

查阅原拦污栅相关资料,旧拦污栅尺寸为12 m×4 m,自重为20466 kg,共分为6段。原拦污栅参数见表1。

表1 原拦污栅参数表

新拦污栅高13.2 m,自重大约18 t,分为4节,每节高3.3 m,每节重4.5 t。通体采用316不锈钢制作。新拦污栅参数见表2。

表2 新拦污栅参数表

4.2.1 倾覆计算

考虑到吊装拦污栅时会产生偏心荷载,容易使浮台倾斜更有甚者可能倾覆。为了安全起见在浮台安装吊臂的对向设置压载舱使浮台平衡。浮台尺寸为8 m×6.5 m×1.25 m（长×宽×高）上部起重及潜水设备重6000 kg,设计起重能力20000 kg。当按照设计起重能力计算时,对向压载舱的水需要提供26000 kg的重量来抵抗偏心荷载。则需在吊臂对向分隔出26 m3的压载舱以抵抗吊装时产生的大偏心荷载。压载舱水量随着吊装重量的不同随时调整,且在浮台四角加设卷锚机,施工时将船锚置于库底以免浮台在施工过程中移动（见图1）。

图1 浮台示意图

4.2.2 浮力计算

作业浮台处于静水区,没有水流的影响。当浮台完全被淹没时,所受浮力最大,浮台尺寸为8 m×6.5 m×1.25 m（长×宽×高）,自重约为14000 kg,起重系统及潜水系统自重约6000 kg,设计起重能力为20000 kg。根据式（2）计算浮台浮力：

式中：F浮为水的浮力,kN；ρ水为水的密度,kg/m3；g为重力加速度,N/kg；V排为物体排开水的体积,m3。

经过计算当浮台完全淹没时F浮=660 kN,将单片拦污栅最大重量经过放大后取4000 kg作为所吊装重物时,上部自重、荷载等总重326 kN。经计算当吊装重4000 kg时浮台吃水深度0.62 m,故满足要求。

4.3 拦污栅吊装

4.3.1 正常吊装

经过水下检查和清理之后,潜水员在高程758 m导向轮支架上,钻孔、植筋安装新导向轮,使其满足单钢丝绳起吊拦污栅（见图2）。导向轮安装完成后,潜水员携带钢丝绳通过高程758 m处的导向轮,改变拉力方向,然后将钢丝绳固定在拦污栅两侧,然后通过施工平台上安装的卷扬机收紧钢丝绳。钢丝绳收紧后,潜水员使用水下电氧切割设备将拦污栅连接处进行切割,完成切割后潜水员到达安全区域后操纵卷扬机起吊,并观察吊臂上安装的吊秤数据,避免超出设计荷载。当钢丝绳收回0.5 m后停止起吊,安排潜水员观察拦污栅是否产生移位,如有移位则说明拦污栅无卡滞。拦污栅起吊至732.73 m输水洞顶部平台后,使用浮力气囊上的手拉葫芦将拦污栅吊离,通过交通艇将其拖至岸边,随后轮式吊车吊离。

图2 吊装示意图

4.3.2 拦污栅卡滞时如何吊装

当钢丝绳上升0.5 m后,拦污栅无位移现象,则证明拦污栅存在卡滞。由潜水员采用水下电氧切割工艺将每节拦污栅从中间连接处切割,共分12次起吊。切割前,潜水员用钢丝绳锁紧一块拦污栅,另一块则用手拉葫芦进行收紧,避免起吊拦污栅时另一块拦污栅坠落（见图3）。在起吊过程中使用水下机器人对拦污栅起吊过程实时观测,避免另一侧拦污栅对起吊造成影响。

图3 卡滞拦污栅吊装示意图

4.3.3 吊装新拦污栅

新拦污栅总高13.2 m,总重18 t,分为4节,每节高3.3 m,每节重4.5 t,采用分段施工,分片安装至栅槽内,并使用螺栓连接。使用轮式起重机将新拦污栅放置于水面,利用浮力气囊和机动船将拦污栅运至施工区域。

在使用施工平台的起重设备进行吊装时,当起重设备的钢丝绳受力后,更换浮力气囊的钢丝绳,利用浮力气囊的浮力,减轻起重平台的荷载。然后放松钢丝绳,使拦污栅缓慢降至栅槽处（见图4）。

图4 新拦污栅安装示意图

随后两名潜水员分别位于栅槽两侧,通过水下通讯设备指挥起重机进行拦污栅倾斜角度调整,使拦污栅到达栅槽底部。在栅槽两侧放置工字钢,将拦污栅固定在门槽处。随后吊装另一块新拦污栅,每节新拦污栅通过螺栓进行连接。依次安装,直至拦污栅安装完成。最后潜水员确认拦污栅是否位于拦污栅底板位置。

5 结语

目前我国已长期运行多年的水库不在少数,水下结构的维修保养问题是困扰我们已久的问题。水下施工存在着各种不可预见性,面对施工中出现的技术方面问题,我们可以人为改变施工方案,威胁到作业人员生命安全的一些可能出现的现象我们也可以做好应对方案。但水库承担着农业灌溉与城市供水的任务,水库水下结构的维修保养为了作业人员的安全及方案的可行性势必要降低水位,且输水洞等部位在施工过程中要停止输水洞运行,这就会与强农业、保民生的理念产生冲突。如何化解这种冲突是我们应该思考的重中之重。本文以石头河水库除险加固尾留工程输水洞拦污栅更换为例,介绍了一些自己的思路,以期能对类似工程起到借鉴作用。