欧阳志平

(三明市水利水电工程有限公司，福建 三明 365000)

本次水电站工程中的导流洞封堵方案，由三明市水利水电工程有限公司提出。依据现场情况，导流洞封堵门下闸后，由于库底的库容不大，水很快会上涨淹没道路，这样对下闸后起吊设备的拆除、撤退影响很大，有可能会造成部分滑车组及绑扎的钢丝绳等工具无法安全撤离。在我国，传统的针对水电站引水导流洞封堵施工技术研究中，主要依靠堵头施工进行，并未结合相关的应力分析，因此，实际应用中的封堵效果远不如预期，造成施工轴力低的问题[1- 2]。大坝导流洞下闸封堵蓄水是水库投入运行的一个重要阶段，封堵工作成功与否，事关全局，所以封堵工作既是一项非常重要的工程，也是一项非常慎重的工作[3]。必须高度重视，确保安全顺利地完成封堵任务。为此，必须成立由指挥部、监理组及施工单位主要成员组成的下闸封堵领导小组，统一布置指挥下闸封堵前后的一切工作。基于此，通过研究水电站引水导流洞封堵施工技术，致力于从根本上提高水电站引水导流洞封堵施工轴力，增强水电站引水导流洞封堵效果。通过各方积极配合，充分做好封堵前的各项准备工作。并在实施过程中做到精心设计、精心施工，胜利完成封堵任务。

1 工程概况

水电站工程位于湖南省沅陵县沅水左岸一级支流洞庭溪下游，地属沅陵县七甲坪镇，距沅陵县城129km，距下游河口(沅水干流)13.2km。属山丘地貌，山峦起伏，耕地及人口少，流域内植被较好，水分储蓄量较大，水土流失少。鸟儿巢大坝控制面积381km2，干流长52.2km，干流坡降4.66‰。

水电站工程属Ⅲ等工程，大坝、引水系统进水口等主要永久性建筑物按3级建筑物设计。大坝为砌石单圆心双曲拱坝，坝顶高程为181.0m，防洪墙顶高程182.2m，坝底河床开挖最低高程为105.2m，最大坝高为75.8m，大坝设计洪水位(P=2%)为高程178.07m，校核洪水位为180.95m，总库容5840万m3，正常蓄水位为高程176.5m。

导流隧洞位于坝址右岸，全长250m，导流洞的横断面为城门型，导流洞进口设有闸门槽和沉放闸门的启闭框架。进口底板高程为110.85m，进口渐变段长10m，型断面尺寸4m×4m， 其余断面为6m×5.5m，长240m，洞底纵坡3%，进水口坐标：x=3190573.77，y=486943.50，进水口与河道交角为44°，距坝址直线距离为97.34m，出水口坐标：x=3190520.15，y=487148.02，底高程为107.6m，距坝直线距离为174m，与河道交角为37°。于桩号138m(进水桩号为0算起)处有一转点坐标为：x=3190486.79，y=487042.30，转角为119°19′49″，转弯半径为80m。

导流洞封堵闸门处的过流断面为4.0m×4.0m(宽×高)的城门型，封堵闸门的尺寸为4.5m×4.5m×0.5m(宽×高×厚)，按5级建筑物设计，闸门设计的挡水位为135.5m，最大设计水头为24.65m。

2 分析水电站引水导流洞洞口水力

在水电站引水导流洞封堵施工过程中，必须预先分析水电站引水导流洞洞口水力。

采用有限元法通过数值模拟的方式，模拟水电站引水导流洞洞口水力施工数值。利用有限元法将水电站引水导流洞洞口水力数值模拟分成2个部分，分别为施工过程数值模拟和水电站引水导流洞洞口水力数值模拟[4]。对于施工过程中数值模拟主要是利用有限元软件，实现在水电站引水导流洞洞口上荷载的施加和释放的循环，每一次荷载循环代表一个施工步骤，所以在数值模拟过程中对于荷载施加不能一次完成。应用有限元方法对施工过程数值模拟分析的过程中，荷载的释放与施加是通过相关系数来控制的[5]。

基于此，设其目标函数为w，可得：

w=(α+δ)p

(1)

式中，α—各个施工增量；δ—当前模拟的施工荷载释放系数；p—洞口水力的等效结点力。

通过公式(1)，模拟分析封堵施工过程数值。永久堵头处承担水平推力为：

P=γQρghA

(2)

式中，P—封堵体迎水面承受的总水压，kN；γQ—可变荷载分项系数，取1.0；ρ—水的密度，1000kg/m3;g—重力加速度，9.8N/kg；h—平均水头高度，(73.94+68.44)/2=71.19m;A—导流洞过流面积，29.137m2。

堵头的长度采用抗剪断强度公式：

(3)

式中，L—封堵体长度，m；K—安全系数；γ—混凝土容重；A—断面面积，m2；S—断面周长，m；f—混凝土与岩石的摩擦系数；λ—抗剪断面积有效系数；C—混凝土与岩石接触面的抗剪断凝聚力；其余变量含义同前。

在此基础上，对于水电站引水导流洞洞口水力数值模拟需要结合具体施工情况，以此来确定所要采取的模拟措施。对于水电站引水导流洞洞口水力力学模拟主要考虑等效替换，将混凝土与洞口水力进行强度等效替换，从而使水电站引水导流洞洞口水力模拟转换为等抗压强度的混凝土力学模拟，降低数值模拟难度[6]。其有限元分析表达式为：

(4)

式中，E—折算后的混凝土弹性模量；g—水电站引水导流洞洞口水力上的最大应力；s—水电站引水导流洞洞口横截面积；q—弹性模量；v—水电站引水导流洞洞口材料的屈服强度。

利用公式(4)对水电站引水导流洞洞口水力数值进行模拟，实现了水电站引水导流洞洞口水力分析，为水电站引水导流洞封堵施工提供理论数据。

3 水电站引水导流洞封堵施工技术

3.1 计算闸门起吊受力

在水电站引水导流洞封堵施工前期，必须通过计算闸门起吊受力，合理设计水电站引水导流洞封堵施工技术。考虑到水电站引水导流洞封堵施工是一个非常复杂的动态过程，此次运用曲线曲率感知方程计算闸门起吊受力[7- 8]。水电站引水导流洞封堵施工时闸门起吊受力情况属于线性问题，具有线性数学特征，所以运用曲线曲率感知方程将此过程简化，力求能够最大限度地近似计算出闸门起吊受力情况。为此做出以下假设：将闸门起吊受力假设成一个平面问题；将闸门简化为一个具有一定质量的点；假设闸门起吊受力没有惯性诱导作用[9- 10]。则闸门起吊受力情况计算图示，如图1所示。

图1 计算图示

在图1中，C—闸门起吊质量点；a—闸门起吊外边缘受力情况；b—闸门起吊内边缘受力情况；α—水电站引水导流洞斜展率；LB—水电站引水导流洞标准段距的距离；LA—闸门起吊端部的受力情况；L1—闸门起吊受力位移；L2—闸门起吊变形位移[11]。在此基础上，得出L1与L2的曲线方程:

(5)

(6)

式中，R—水电站引水导流洞封堵施工中心线半径；Rd—闸门主线至内侧车道中心线半径；O2—闸门起吊受力横向偏位；Rα—弹性模量。

通过公式(5)、(6)，得出闸门起吊受力。

3.2 封堵闸门沉放

计算闸门起吊受力后，封堵闸门沉放。在封堵闸门沉放前，模板的支撑定位必须牢固，大部分采用螺栓固定[12]。在浇筑中不得移位，混凝土浇捣必须密实，按规定养护28d方可吊装。在进行闸门吊装试验完成后，安装好各部止水橡胶和碰木，所以闸门制作必须在封堵前一个月完成。起重吊装设备的准备，本闸门起吊下闸依靠导流洞口上方的钢筋混凝土框架作为吊架。在试吊前必须对其承载能力进行计算复核。考虑下闸过程中水压力的因素，起吊设备采用慢速卷扬机，机型为JM5。下闸封堵前，闸门槽前后段的淤积物清理。此工作必须在下闸前10d左右安排。应特别注重安全工作，清淤的沉积物必须远离闸口堆放，以免重新流入闸槽。在下闸的前一刻，必须派潜水员下闸摸槽，确定是否清理干净，彻底清除边角的障碍物方可下闸。封堵闸门沉放的具体流程为:(设备进场)卷扬机布置→滑车组、导向滑车绑扎→滑车组钢丝绳穿绕→点动卷扬机至钢丝绳受力状态→检查各受力点安全无误后→试吊(点动卷扬机至闸门底部脱离支撑物约5cm)→调整吊点位置使水封与门槽能处紧贴状态→检查卷扬机的制动、静置片刻→安全无误后，拆除模板，清除闸门底部的杂物→闸门上下作小幅度的升降动作→再次确认无误后，拆除钢平台→正式起吊(下放封堵闸门至底槛，对中并检查密封良好后闸门侧向用木楔打紧)→拆除起吊系统。

3.3 导流洞混凝土塞堵头浇筑

完成封堵闸门沉放后，导流洞混凝土塞堵头浇筑。在导流洞混凝土塞堵头浇筑中，首先布置水电系统[13]。导流洞混凝土塞堵头的施工用水主要有混凝土搅拌机用水及工作面冲洗用水，混凝土搅拌机用水可用目前大坝右岸坝头的水池供水，工作面的冲洗可用小水泵直接在洞内抽水冲洗。主要用电为搅拌机供电、照明电及工作面振捣用电及抽排水用电，可从左岸坝顶的配电房用电缆接线到各用电点。而后，在混凝土塞浇筑时，施工围堰及排水导流。在混凝土塞浇筑段的上游用双排黏土袋堆砌上游围堰，并在二排黏土袋间用黏土夯实，以使浇筑段获得工地施工的条件。在此基础上，设置钢管排水管，为防止导流洞封堵闸门可能有较大的渗漏，应在堵头段预埋Φ120的钢管并加装相应的闸阀，用于引排水。在封堵完成后再将闸阀关闭，进行水泵抽排水。在浇筑段最低处设1台潜水泵，将浇筑段的积水抽排到施工段外[14]。在靠近下游围堰处设2台潜水泵，将下游围堰上游处积水抽排到围堰下游，以降低洞内水位。通过测量混凝土塞段的施工坝肩位置，根据施工图纸，从大坝的测量控制点用全站仪引测二级控制点到导流洞内，确保混凝土塞的施工位置与图纸相符。除此之外，还需要处理工作面，抽干导流洞内积水，进行洞底清淤工作。整个洞内沉积物清除干净后，洞壁也应清洗干净，经现场施工员及监理人员验收后方可开始混凝土浇筑。与此同时，拌和混凝土，堵头段混凝土浇筑的搅拌机设于导流洞出口的上游侧施工平台处[15]。在此过程中，下部混凝土浇筑如洞内漏水量较大时应适量掺入速凝剂。最后，进行混凝土运输，将混凝土从搅拌机口卸下，经由输送泵输送到堵头段工作面。设置2套混凝土拌和机输送系统同时承担混凝土运输任务。需要注意的是，由于堵头段上游侧的模板是不能进去拆模的，从经济角度考虑，采用木模。为便于施工，下游侧也采用木模，模板及脚手架施工均和混凝土浇筑同步施工。在完成以上施工操作后，回填灌浆，关闭排水闸阀，完成混凝土堵头浇筑以后，在封堵施工轴力强度达250kN时，实现水电站引水导流洞封堵施工。

4 实例分析

4.1 实验准备

为构建实例分析，实验对象选取水电站，工程内容为水电站引水导流洞封堵施工。水电站引水导流洞封堵施工项目及要求，见表1。

表1 水电站引水导流洞封堵施工项目及要求

根据表1，本次实例分析选取的对比指标为封堵施工轴力，封堵施工轴力越高代表此施工技术下的水电站引水导流洞封堵效果越好。首先，使用设计施工技术对水电站引水导流洞进行封堵施工，通过核查工具-Qacenter测得其封堵施工轴力，设置为实验组。再使用传统施工技术对水电站引水导流洞进行封堵施工，同样通过核查工具-Qacenter测得其封堵施工轴力，设置为对照组。为避免偶然现象的出现，在此次的实例分析中，共进行8次实验。针对核查工具-QAcenter测得的封堵施工轴力，记录实验结果。

4.2 实验结果与分析

将2种施工技术下的封堵施工轴力进行对比，结果如图2所示。

图2 封堵施工轴力对比

由图2可知，设计的施工技术封堵施工轴力明显高于标准值，而传统施工技术的封堵施工轴力明显低于标准值，证明设计施工技术对水电站引水导流洞封堵效果更好，具有现实应用价值。

5 结束语

通过水电站引水导流洞封堵施工技术研究，能够取得一定的研究成果，解决传统水电站引水导流洞封堵施工技术中存在的问题。由此可见，设计的封堵施工技术是具有现实意义的，能够指导水电站引水导流洞封堵施工工作优化。在后期的发展中，应加大设计封堵施工技术在水电站引水导流洞封堵施工中的应用力度。国内外针对水电站引水导流洞封堵施工技术研究仍存在一些问题，在日后的研究中还需要进一步对水电站引水导流洞封堵施工技术的优化设计提出深入研究，为提高水电站引水导流洞封堵施工效果提供参考。