罗跃顶, 张顺利

(1.葛洲坝集团第二工程有限公司,四川 成都 610091;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究,四川 成都 610072)

1 概 述

苍溪航电枢纽位于四川省境内的嘉陵江中上游河段上,为河床式电站,总装机容量为 66 M W,共安装 3台单机容量 22 M W的贯流式灯泡机组,工程等级为Ⅲ等。枢纽建筑物从左到右分别为土石坝段、接头坝段、河床式厂房坝段、一孔冲沙闸、两孔泄洪闸、水力自控翻板坝段和船闸。

根据四川嘉陵江苍溪航电枢纽左岸工程的施工特点,为满足现场施工需要,在主厂房下游尾水渠底板上布置了 1台 M Q 600C/30型高架门座式起重机(以下简称门机),用于其覆盖范围内的混凝土浇筑、金属结构件、钢筋及大型模板等的吊装工作。根据该门机的特性和本工程建筑物的布置情况,门机上游轨道中心线布置在主厂房尾水闸墩下游面以下 1.5 m处,桩号为坝 0+80.265,下游轨道中心线桩号为坝 0+87.265,两轨距为 7 m,即门机中心线桩号为坝 0+83.765,轨顶高程为 351.02 m。门机布置如图 1所示。

2 水文情况

嘉陵江洪水主要由暴雨形成,属陡涨陡落型洪水。

据实测资料统计,年最大洪峰流量最早发生于 5月 (1967年 5月 17日),最晚发生于 10月(1965年 10月 22日),年最大洪水发生时间以 7、9两个月最多,8月次之。年最大流量的年际变化较大,实测年最大洪峰流量为 23 700 m3/s(1981年 7月 14日)。

分期设计洪水计算成果及使用期见表 1。

表 1 分期设计洪水计算成果表 /m3◦s-1

3 2010年汛前施工形象

2010年汛期,厂房上游拦沙坎全部施工完成,坎顶高程为 373.5 m。泄洪冲沙闸闸室段全部浇筑到坝顶 390.8 m高程。下游消能防冲段全部施工完成,墙顶高程为 372.5 m。泄洪冲沙闸上下游的二期纵向导墙和导水墙全部施工完成,厂房下游二枯土石围堰形成,该工程汛后用于厂房施工的二枯围堰全部形成。厂房进水口和尾水渠混凝土基本完成,主厂房上游进水口施工到胸墙高程以下 363.67 m高程,中间的主机间和下游尾水扩散段浇筑上升到机组安装中心线高程355.30 m。安装间底板全部施工完成到 369.5 m高程,上下游墙、左侧边墙及桥机柱在汛期上升浇筑,左岸土石坝和接头坝基本施工到坝顶高程390.8 m。

4 圆筒门机度汛防护标准

2010年全球气候变化莫测,特别是四川许多地区暴雨成灾。结合 2009年洪水实际情况,原定于汛前将 M Q 600门机拆除。鉴于 M Q 600门机担负施工任务重,施工时间紧的特点,本着保进度、降低风险、保安全的原则,经过多次专题会议研究,决定将 M Q 600高架圆筒门机不拆除并对其进行加固以利度汛。

图 1 MQ600C/30高架圆筒门机平面布置示意图

本工程主体建筑物等级为 3级,临时性建筑物为 5级建筑物,按十年一遇设计,门机度汛设防标准采用表 1中 5～9月十年一遇洪水设计,流量为 18 400 m3/s,对应水位高程为 378.42 m,门机轨道面高程为 351.14 m,圆筒门机被淹深度约 27 m,平均流速按 3 m/s确定。2009年最大洪峰流量达到 11 800 m3/s,对应的洪水位高程为 374.9 m。按表 1,对应的洪水频率为 3年一遇,查阅最近十年嘉陵江洪水情况也是最大的。因此,综合考虑,按设计十年一遇洪水标准进行度汛。

5 加固方案的确定

经对圆筒门机在设计洪水位时的计算分析,门机仅依靠自重在洪水冲击下不能稳定,有滑动和倾倒的危险,因此,除考虑门机行走轮锁定在轨道上外,必须采取加固措施防止门机倾斜,以确保其在汛期洪水冲击下的安全。

根据现场实际情况,结合门机的特性,从施工可行、运行方便、加固合理、结构可靠等角度出发,主要考虑了对上、中、下层钢丝绳进行加固的方案。

6 防护结构受力分析

为避开主流区,尽量减少水流冲击力,门机在度汛时布置在 2#机尾水右边墩和 3#机尾水左边墩的下游面(图 2)。

下部钢丝绳直接系在行走台车与门腿的相交部位(上下游方向)以抵抗水平推力,避免轨道受力破坏。中部四个方向受拉钢丝绳布置在门机驾驶室下部塔身的吊环上以抗倾覆,同时具有一定的超标准洪水安全储备。顶部钢丝绳布置在门机起重臂端头上,将起重臂牵引固定。

圆筒门机遭遇十年一遇洪水时,防护结构考虑的主要受力为:圆筒门机各部位自重、水对圆筒门机的浮力、动水冲击力、浪压力、风压力等。由于过堰水流受到门机及堰体的阻挡后流态十分复杂,水力要素难以精确计算,分析过程中对其进行了简化。

6.1 计算条件

(1)由于基坑过流日期无法预测,过流过程的水流要素更难以计算,为了计算方便且又能满足度汛安全,假定门机底部 2 m水深范围水流静止,取 3 m/s平均流速,波浪高度取 1.1 m,波浪影响深度假定为 10 m。门机浸在水下部分的结构主要有行走台车、门架和筒身三部分,上部机台局部受到浪压力的影响。

(2)嘉陵江漂浮物多为小树木,冲击力小,不列入计算,由安全储备承担。

(3)门机自重约 231 t,假定被淹 27 m时重量为200 t。

(4)门机门腿刚度大,假定无变形。

6.2 受力计算过程

(1)门架动水压力。

根据《公路桥涵设计通用规范》J T GD 60-2004第 33页说明,门架按方形桥墩的动水冲击力计算。

式中 K为门腿形状系数,取 1.5;A为阻水面积,包括门腿及水下塔身面积,经计算为:A=4A1+2A2=4×1.3×7.85+π×3.37/2×(2×8.23+2.5)≈130(m2);γ为水的重力密度,取 10 k N/m3;V为流速,取 3.0 m/s;g为 重 力 加 速 度,取9.81 m/s2。

(2)浪压力。

根据笔者近两年在工地上所经历的,嘉陵江上有时风速很大,在夏季曾出现过狂风刮倒砖瓦房顶的现象,因此,江面上也可能会出现短暂大风。由于无相关风速和吹程统计资料,故浪高取1.1 m,浪压力影响深度取 4.9 m,浪压力参考有关资料取 80 k N/m2。

(3)风压力。

根据门机厂家提供的资料,门机工作时允许最大风压为 0.25 k N/m2,使用地区最大地面风压为0.6 k N/m2。

7 防护设施设计

经查《一般用途钢丝绳》G B/T 20118-2006后,选用的钢丝绳直径为 30 m m,钢丝绳结构为:6×19+F C,纤维芯钢丝绳,按最大抗拉强度 1 870 M P a选择,其最小破断拉力为 517 k N。

7.1 下部门腿的加固

门机自身的锁定装置能将门腿固定在轨道上,度汛时,另外在四个门腿下部从上下游方向用φ 30钢丝绳与地锚连接固定。

图 2 门机汛期加固平面布置示意图

图 3 门机汛期加固立面布置示意图

7.2 中部塔身的加固

利用驾驶室下部的塔身分四个方向布置有吊环,对应地面位置呈放射方向,其中上游三个方向呈分散形对着尾水闸墩、下游一个方向对着尾水渠底板基础。在这四个方向对应地面的位置各先施工 4根φ 32锚筋或利用主体结构混凝土中的 φ 32钢筋,锚筋伸入岩石或混凝土面以下 2 m,锚筋底端设成楔形,以便更牢固地锚固在地基或混凝土内,锚筋外露 30 c m,然后分别用两个 φ 32圆钢与锚筋焊接形成吊环,钢丝绳将塔身上的吊环与地面上的吊环连接,并用 5 t葫芦拉紧。

锚筋孔采用 φ 50人工手风钻钻孔,钻孔结束后,将孔内粉尘和泥浆用风吹出,检查合格后,灌入掺有膨胀剂的 M 20砂浆,然后将带有钢楔子的锚筋垂直插入孔中,并用大锤将锚筋尽量打到孔底;待孔口有砂浆溢出后,不再晃动锚筋,孔口再用钢楔楔紧,锚筋施工完成 7 d后方能受力挂钢丝绳。

7.3 顶部钢丝绳的加固

在泄洪冲沙闸 3#闸墩下游面坝顶高程处预埋 φ 32圆钢环,门机停靠在锁定位置后,起重臂旋转到上游面,对正 3#闸墩方向,采用钢丝绳将起重臂端部吊钩与预埋的圆钢环连接。加固方案的具体位置如图 2、3所示。

7.4 加固缆绳方案

(1)采用加固的缆绳方案为朝来水方向上中两层,共 4组缆绳。该门机起重机背水方向为 1组缆绳,共 5组缆绳。

(2)5组缆绳规格和根数、地锚所受拉力如下:

①S 1组为朝水流方向沿该起重机臂长轴线布置的、最高点固定在回转支撑朝水流方向最前端,由直径 30 m m、6×19 F C的钢丝绳 4根捆扎而成,理论总长度 190 m(未计入绳端固定、沿绳长的下挠需要的绳长),地锚所受牵拉力为 315 k N。

②S 2、S 3组为对称于来水方向的该起重机臂长轴线朝两侧放射状布置的两组缆绳,最高点固定在该起重机臂根部连接轴处两侧,分别由直径30 m m、6×19 F C的钢丝绳 5根捆扎而成,理论总长度共 602 m(未计入绳端固定、沿绳长的下挠需要的绳长),地锚所受牵拉力为 360 k N。

③S 4组为朝来水方向沿该起重机臂长轴线布置的、最高点固定在该起重机臂根部连接轴处朝来水方向最前端,由直径 30 m m、6×19 F C的钢丝绳 3根捆扎而成,理论总长度 123 m(未计入绳端固定、沿绳长的下挠需要的绳长),地锚所受牵拉力为 181 k N。

④S 5组为背来水方向沿该起重机臂长轴线布置的、最高点固定在回转支承朝来水方向最后端,由直径 30 m m、6×19 F C的钢丝绳 1根捆扎而成,理论总长度 24 m(未计入绳端固定、沿绳长的下挠需要的绳长),地锚所受牵拉力为 80 k N。

(3)5组缆绳的理论总长度为 938 m(未计入绳端固定、沿绳长的下挠需要的绳长)。

(4)该起重机起升吊钩对相应地锚按 50 m幅度、3 m朝外斜拉方式下允许施加的起升钢丝绳总的提升张力为 94.3 k N。

7.5 其 他

(1)门机行走轮与钢轨之间采用自带的锁定装置固定,避免其晃动。

(2)进入汛期前,先将钢丝绳提前安装到门机上,四个锁定地锚提前安装好,待预报大洪水即将到来前,迅速将门机上的钢丝绳与地锚连接固定,保证门机安全度汛。

8 汛期加固过程

每天收集天气情况和业主提供的上游流量情况,当预报大洪水来临要漫过围堰时,从预报开始到洪水到达工地有 10 h时间,这段时间可立即对门机进行加固。

门机首先开到指定位置,将起重臂朝向泄洪冲沙闸 3#闸墩方向,门机门腿用锁定装置固定在轨道上,然后断电,将门机使用的的 10 k V供电线路断电拆除,同时将事先挂在门机上的各方向钢丝绳与地锚进行连接加固,起重臂端头吊钩与 3#闸墩上预埋的吊环用钢丝绳连接加固。拆除门机腿上的行走电机,将预计淹没在水位塔身下的电气设备拆除并运到高程较高的安全位置。将下游二枯围堰先挖开一个缺口,让水先灌入门机所在的厂房基坑内,进行基坑内灌水平压,当洪水位到达围堰顶高程时,平压过程完成。当洪水位继续升高时,水继续从下游灌入基坑,门机受水流冲击力很小,当洪水位继续上升而超过上游拦沙坎顶面 373.5 m高程后,水开始从上游流入基坑,门机开始受上游水流冲击,这时水下门机部分已稳定,只是受上部水流一些影响,四个方向的钢丝绳对门机开始起到拉紧加固作用。

洪水大时,可能会夹带上游的漂木进入门机所在区域,这时,利用岸坡上较高位置处布置的照明灯对河面进行照明,同时加设两套 2 k W的探照灯对上游河面及门机进行观察,发现有较大的漂木时使用冲锋舟及时将漂木引到门机所在范围以外,以防漂木对门机造成撞击。

9 汛期验证过程

2010年 7月 23日,第一次洪峰到达工地,23∶07洪峰流量达到 12 640 m3/s,水位达到高程375.6 m,7月 26日 22∶57,洪峰流量达到 13 940 m3/s,水位达到高程 376.3 m,两次洪峰都超过了2009年,而且是嘉陵江近 20年来最大的洪峰。

在两次洪水过程中,项目部组织了全方位监测,巡值人员实时观测水情并记录在案,测量人员使用仪器对 M Q 600门机进行变形监测,并且实时对上游大型漂浮物进行观测及清理,以防其对M Q 600门机造成冲击。在主汛期期间,M Q 600门机经历了若干次超标洪水的冲击依然稳如泰山,未曾发生丝毫偏移(图 4、5、6)。

汛后,对门机全面进行了检查和安全鉴定,事实证明:本次 M Q 600C高架圆筒门机加固度汛圆满成功,确保了苍溪航电枢纽工程汛后施工进度,同时也为公司大型设备度汛管理工作积累了宝贵经验。

图 4 加固完成开始过水的MQ600门机

10 结 语

(1)本次门机度汛加固方案的实施,保证了门机安全度汛。

图 5 清除门机前的漂浮物

图 6 历经几次超标洪水稳如泰山的门机

(2)通过门机加固方案的实施,显示了门机加固技术在经济效益和技术效果方面的优越性,具有其独特的优点,是一种比较实用的门机安全度汛技术。

(3)由于本门机加固方案具有施工方便、快速的优点,为汛后快速恢复施工赢得了宝贵的时间,获得了业主、监理的好评。鉴于门机加固方案实施条件的特殊性,在实施过程中,要精心组织,严格施工,以确保每一个环节的施工质量。

(4)门机度汛加固方案正在不断地推广完善当中,本工程的建设,为同类工程的大型设备安全度汛积累了经验。