钢围堰在藏木水电站导流底孔封堵施工的应用

杨　雄， 吴小峰, 张　刚

(1. 中国葛洲坝集团第六工程有限公司， 云南昆明 650000; 2. 浙江华东工程有限公司， 浙江杭州 310000)



钢围堰在藏木水电站导流底孔封堵施工的应用

杨雄1， 吴小峰1, 张刚2

(1. 中国葛洲坝集团第六工程有限公司， 云南昆明 650000; 2. 浙江华东工程有限公司， 浙江杭州 310000)

【摘要】藏木水电站5#～8#坝段为导流底孔坝段，4个导流底孔结构及尺寸完全相同。导流底孔出口段为斜弧面型溢流面，断面尺寸为(宽)7.0 m×(高)11.5 m，孔底长53.36 m，孔顶长45.8 m。由于表孔过流时间过久，底孔封堵施工工期滞后4个月，原设计的“填筑横向围堰进行导流底孔封堵”方案的可行性及安全性存在诸多难点及不确定因素。为保证按时完成封堵施工，采用在孔口设置钢结构围堰挡水对底孔进行封堵施工。充分利用钢结构围堰的实用性、安全性和经济性等特点成功应用其挡水功能，为导流底孔封堵按期完工提供强有力的技术支撑和可行性保障，为藏木水电站蓄水后首个洪水期安全度汛做出了重要贡献。

【关键词】藏木水电站；导流底孔；封堵；钢结构；围堰；应用

1工程概况

藏木水电站5#～8#坝段为导流底孔坝段，每个坝段内设1个导流底孔，每个导流底孔结构及尺寸完全相同。导流底孔出口段为斜弧面型溢流面，断面尺寸为(宽)7.0 m×(高)11.5 m。底孔封堵区孔底高程3 246.00 m，长53.36 m；孔顶高程3 257.50 m，长44.49 m，此时底孔出口处消力池河水水位高程3 248.20 m。导流底孔分A块、B块、C块浇筑，A、B两块利用设置在(坝)0+048.00桩号的混凝土挡水墙挡水(高程3 249.20 m)进行干地施工，C块利用钢结构围堰(高程3 249.20 m)挡水进行干地施工。具体布置见图1。

图1　导流底孔施工布置

2钢围堰设计

钢围堰既需具备挡水功能，又需保证其不占有施工空间。根据现场实际情况，围堰设计为三面挡水，分别为导流底孔下游正面挡水及导流底孔两侧面挡水。为使围堰不占据施工作业空间，拟在导流底孔底板EL.3 246.00基础上下降60 cm至EL.3 245.40作为钢结构围堰底部安装高程。

钢结构围堰正面挡水模板先以垂直溢流面方式设置斜模板，以此形成挑檐，斜段模板长61.12 m，挑檐长度相对导流底孔下游边缘为1.39 m，斜模板上连接竖直模板。钢结构围堰钢两侧模板根据溢流面结构线及正向模板设置，侧模板底口贴合溢流面。模板由-6 mm钢面板及肋板组成，再用[16a围檩加固。由于正面模板跨度较大且吃水较深，在模板背水侧设置两道8.6 m×0.8 m×1.0 m(长×宽×高)钢桁架，以平均正面模板受力从而增加钢围堰整体抗水压强度。侧模板因面积较小、吃水深度浅，受力工况较好，仅需用围檩支撑。钢围堰设计总宽度为9.1 m，导流底孔宽为7 m，这可使导流底孔两边各具有1.05 m施工作业空间。

导流底孔下游水位高程3 248.20 m，考虑到水位季节性涨高因素，最大挡水高程按3 249.20 m设计。考虑到浪高等因素，围堰设计高程为3 250.02 m。由于施工工期的紧迫性，为最大限度节省工期，围堰拟分两次制作安装。前期设计高程为3 249.42 m，后期根据水位情况适时安装60 cm二次加高部分。届时钢结构围堰总高程将达到3 250.02 m，足以满足后期挡水需要。

钢围堰安装依靠定位三脚架，固定依靠工字钢和设置与导流底孔底板的插筋支撑(图2)。

图2　钢围堰平面布置

2.1受力分析

钢围堰所受荷载有水平方向和竖直方向的力。

(1)水平方向。逆水流方向的江水对正向模板的水压力F1；垂直水流方向的江水对两侧向模板的水压力F2和F3(图3)。

图3　水平方向受力状况

根据水力学理论：F1=(1/2)γh2b

式中:h为水面深；b为受力面宽。

取h=hmax=4.62 m，b=9.1 m

F1=(1/2)9.8×4.622×9.1=951.75 kN

取安全系数为1.5，故F1按1.5×951.75 kN=1 427.625 kN考虑。

因钢围堰为对称结构，左右两侧模板所受水压力大小相同，方向相反，故水平力F2和F3抵消。

(2)竖直方向。

钢围堰自身重力：G=23.33×9.8=228.634 kN

江水对钢围堰向上的浮力：F′=287.034 kN

故合力(F)为：

F=F′-G=58.4 kN(方向向上)

取安全系数为1.2，故按F=1.2×58.4=70.08 kN考虑。根据以上受力分析，在最不利工况下(忽略侧向模板支撑力)，钢围堰固定主要为平衡水平方向的水压力及竖直方向的浮力。

2.2加固措施

水平方向布置5道(2工 14a)工字钢对正面模板支撑，以平衡江水压力，支撑点为焊接在钢桁架上的钢板形成;两侧侧向模板布置2道(2工 14a)工字钢对其支撑，以平衡在两侧模板受力不均情况下的不利荷载。钢围堰正向及侧向支撑加固方式见图4、图5。

图4　正向模板加固支撑方式

图5　侧向模板加固支撑方式

竖直方向主要由锚固在溢流面的三脚架对侧向模板加固，三脚架上端用锚筋锚固在溢流面混凝土上，下端焊接在钢围堰侧模板上，给钢围堰施加一个向下的抗浮力，以防止钢围堰上浮失稳。钢围堰竖直方向抗浮加固方式见图6。

图6　钢围堰抗浮加固方式

2.3受力验算

(1)水平方向。在最不利工况下(不考虑侧模板支撑力)， 每根 工 14a工字钢平均受水平水压力(FH)为：FH=F1/10=142.76 kN。根据力的合成与分解将FH转换为工字钢轴向压力(F)为:F=FH/sin45。=201.89 kN。根据本结构性质，较短支撑杆受力情况明显强于较长支撑杆，故此仅需验算较长支撑杆受力。

工 14a：A=21.516 cm2,iy=1.73 cm,根据欧拉定理：

长细比λ=μl/iy=0.5×353.24/1.73=102.1

在此受力情况下工字钢可承受最大压应力为：

δcr=π2E/λ2=3.142×2.06×1011/102.12=194.8 MPa

实际应力：δ=F/A=201.89×1000/21.516=93.83 MPa<δcr，故满足受压强度要求。

(2)竖直方向。根据受力分析，在考虑安全系数后F=1.2×58.4=70.08 kN，F由两侧模板上的抗浮三脚架承担，每个三脚架承担F/2=35.04 kN，约为3.5 t。根据工程经验，由∠80×10角钢组成的本抗浮三脚架完全能满足受力强度要求，故不再进行受力验算。

3钢围堰制作

钢结构围堰由项目部综合加工厂制作完成。根据工程需要，共需制作4套钢结构围堰。

制作前先由技术部会同综合加工厂负责人及制作工进行图纸交底，并说明制作过程需注意的事项以及制作质量要求。钢围堰主要采用钢模板焊接拼装，然后用型钢围檩加固，成型后再进行附属结构的安装。

制作过程需注意事项：(1)钢围堰正向模板的斜模板与直模板角度必须控制在135°±1°范围内，以保证钢围堰能精确安装。(2)侧向模板需按设计图纸的尺寸进行放线，精确划定其弧度与斜度进行切割、拼装。(3)因钢围堰需密闭挡水，故要求所有焊缝全部满焊，不得有漏焊现象。(4)加固围檩必须双面焊，以保证强度要求。(5)附属结构如定位三脚架、止水、排水桶等必须按施工图纸要求桩号、尺寸设置，且需加固牢靠。

钢围堰制作完成后经业主、监理及项目部技术、质量、安全部门联合验收合格后才能使用。

4钢围堰安装

安装前准备工作：(1)测量工作。测定钢围堰正向、侧向模板底部安装桩号及高程，并测定定位三角架安装桩号。(2)在孔前搭设栈桥为作业人员提供操作平台。(3)人员设备就位。指挥人员、操作人员就位做好安装准备，明确工作分工，安装所需的电焊机、手动葫芦等准备就位。

钢围堰先用25 t平板车运送至缆机吊装现场，再用缆机吊运至导流底孔作业区进行安装。安装全过程均需缆机提供支持，待确定安装完毕后缆机才能脱钩。安装过程依靠接挡水墙拉的手动葫芦提供拉力，以使钢围堰按设计要求精确安装到位。钢围堰定位安装完成后立即进行临时加固，加固后对围堰内进行抽排水施工。由于围堰内水位的变化会引起钢围堰受力情况及稳定性的变化。抽排水过程需根据实际情况适时进行必要水平支撑及抗浮支撑，以确保钢围堰安全。

待围堰内水排尽后再进行最后的整体加固工作，加固按照设计的型钢支撑间距进行布设，支撑必须牢固可靠。

5钢围堰拆除

钢围堰安装完成挡水左右后，加紧对导流底孔孔口C段备仓及混凝土浇筑施工。C段浇筑高度达到4.5 m(混凝土高程达到3 250.50 m)，已超过钢围堰高程，并足以满足挡水需要，即可对钢围堰进行拆除。

钢围堰拆除采取氧气乙炔切割其支撑连接，然后用缆机调离现场，再用25 t平板车运输回收。

6钢围堰附属结构

6.1橡皮管止水

因钢围堰的挡水功能要求其必须密闭不渗水，在钢围堰模板底部圈围设置一道橡胶管止水，橡胶管直径5 cm，壁厚1 cm，橡胶管依靠焊接在模板上的∠50×5角钢固定。钢围堰安装完成后在压力的作用下橡胶管能紧密贴合在溢流面混凝土面部从而形成止水。橡胶管止水具体设置方式见图7。

图7　橡胶管止水布置

6.2积水桶

为使施工过程产生的废水能及时排出孔外，在正向模板斜模板上按2.5 m间距共布置三个积水桶，积水桶采用直径φ325 mm钢管封底制成。积水桶焊接在斜模板上，其底口与斜模板底部齐平。在每个积水桶内布置一个小型污水泵，在施工过程中根据实际情况，适时进行抽排水。积水桶具体布置方式见图8。

7结束语

钢围堰在藏木水电站导流底孔封堵施工中的成功应用较传统的横向土石围堰挡水施工，不仅节约了施工工期，而且较大地节约了工程成本。在导流底孔封堵工期滞后4个月以及原横向土石围堰方案存在诸多不确定性和安全隐患的情况下，创新性地应用钢结构围堰挡水，并按期完成导流

图8　积水桶设置方式

封堵施工，对大坝蓄水后首个洪水期安全度汛起到了不可代替的关键作用。根据实践证明，钢结构围堰在导流底孔封堵中很好地体现了其安全性、经济性和可靠性，在同类工程施工中值得推广应用。

参考文献

[1]刘亚坤.水力学[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

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[5]建筑施工手册(第四版)编写组.建筑施工手册[M].4版. 北京:中国建筑工业出版社，2003.

[作者简介]杨雄(1988～)，男，学士，助理工程师，主要从事水利水电施工技术管理。

【中图分类号】TV551.1+3

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-11-17