大流量河床式枢纽工程泄水建筑物改造实践_杨伟俊.pdf

收稿日期:2022 09 19大流量河床式枢纽工程泄水建筑物改造实践杨伟俊1，朱春波2(1.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州311215;2.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州310000)摘要:河床式枢纽工程选择合适的泄水建筑物型式对保障工程安全至关重要。该文结合大流量河床式枢纽工程 浙江省衢州市塔底水利枢纽工程橡胶坝改造为泄洪闸工程实践，分析不同型式泄水建筑物适用条件，总结改造方案结构布置、消能防冲、施工导流等关键技术要点，特别是下游消能防冲设施改造成功经验，可供类似工程参考。关键词:大流量河床式枢纽工程;橡胶坝;泄洪闸;水工建筑物改造;消能防冲中图分类号:TV65文献标识码:B文章编号:1002 3011(2023)01 0051 03引言河床式枢纽工程主要承担水力资源开发、航运开发、改善城市水环境等功能，枢纽建筑物一般由泄水建筑物、通航建筑物和发电建筑物等组成。泄水建筑物兼具挡水和泄水功能，一般包括橡胶坝、翻板闸和泄洪闸等型式。橡胶坝是将高强橡胶加工成的坝袋锚固在混凝土底板或端墙上形成封闭袋体，利用充排水(气)控制其升降活动的袋式挡水坝1，具有造价低、结构简单、景观效果较好等优点，缺点是坝袋寿命较短、维护不便。大流量河床式枢纽工程采用橡胶坝作为泄水建筑物，由于汛期河道流量大、泥沙含量高、漂浮物多，橡胶坝塌坝泄洪时坝袋磨损严重，易造成橡胶坝坝袋破裂、下游防冲消能设施破坏等问题，严重影响工程安全和效益。现结合浙江省衢州市塔底水利枢纽工程实例，总结对采用橡胶坝的大流量河床式枢纽工程泄水建筑物进行改造的关键技术，以期为类似工程改造提供参考。1改造前枢纽工程布置浙江省衢州市塔底水利枢纽工程位于乌溪江与衢江汇合口下游 350 m 的衢江河段，衢州城区下游，坝址以上集水面积 8 162 km2。这是一座以水电开发和改善衢州城区水环境为主、兼顾航运和改善灌溉条件等综合利用工程，自左岸至右岸分别为船闸、橡胶坝、泄洪冲砂闸、充排水泵房和河床式电站，泄水建筑物主要为橡胶坝和泄洪冲砂闸。橡胶坝共分 5 跨，每跨净宽 85 m，设计坝袋高 5.25 m，剖面图见图 1。泄洪冲砂闸共设 3 孔，单孔净宽 12 m。橡胶坝下游消能防冲设施包括消力池、护坦和抛石图 1橡胶坝剖面图15水 利 科 技2023 年第 1 期防冲槽，消力池长 16.3 m、深1 m，后接长10 m 的混凝土护坦，下游设抛石防冲槽。工程于 2006 年建成投入运行，受洪水影响，2011 年、2015 年、2016年和 2017 年橡胶坝袋多次出现裂口或破裂。2橡胶坝存在的问题枢纽工程设计最大泄量约 12 000 m3/s，而泄洪冲砂闸实际过流能力仅仅 900 m3/s，当上游来水超过 1 250 m3/s 时，需通过橡胶坝塌坝泄洪。根据多年运行经验，每次橡胶坝塌坝泄洪，坝袋均有不同程度的磨损，且多次出现塌坝后坝袋破裂不能充水的情况。橡胶坝检修不方便，坝袋修补条件差、时间长，严重影响工程正常运行。橡胶坝塌坝泄洪不能有效控制下泄流量，同时下游消能防冲设施较薄弱，泄洪时下游冲刷严重，造成消力池、护坦等消能防冲设施多次损毁。经分析，橡胶坝坝袋易破损的主要原因是河道洪水流量大，泥沙含量高，塌坝泄洪时泥沙卷入坝袋与下游塌落区底板之间，坝袋与塌落区底板不断拍打摩擦，造成坝袋磨损严重。总结类似工程运行经验认为，对于洪水期泥沙含量高、漂浮物多的河道，不应采用橡胶坝作为泄水建筑物2 4。根据工程运行过程出现的问题，结合类似工程运行经验，经对比分析认为:工程位于大流量、多泥沙河流上，采用橡胶坝作为泄水建筑物适应性较差;为保证工程安全，橡胶坝需进行技术改造。3橡胶坝改造方案选择不同于新建工程，泄水建筑物改造涉及新建泄水建筑物型式选择、与现状建筑物连接、施工节点安排和度汛等多个关键技术问题。河床式枢纽工程泄水建筑物一般有橡胶坝、翻板闸、钢坝闸和泄洪闸等，各有优缺点和适应性。橡胶坝结构简单，造价低，景观协调性好，但挡水高度较低，坝袋寿命短(易老化且易被尖锐物刺破)。翻板闸是一种节能闸坝，利用作用在闸门上的水压力与闸门自重作为启闭闸门动力，造价低，运行灵活，管理方便，但挡水高度较低，抗冲击能力差，易被漂浮物和泥沙卡塞。钢坝闸一般采用底轴液压驱动，闸门卧倒时与河床齐平，闸门顶可长期溢流，景观效果好，开度调节灵活，但在多泥沙河流中底轴易被卡塞，检修条件较差。橡胶坝、翻板闸和钢坝闸一般适用小型河流，橡胶坝、钢坝闸更适用景观河道，在大型多泥沙、多漂浮物河流中适应性较差。常规泄洪闸一般采用钢闸门挡水，启闭机启闭闸门。钢闸门分平板闸门和弧形闸门两种，前者又分为直拉式平板门和斜拉式平板门等。常规泄洪闸挡水高度高，启闭灵活，可靠性好，但造价高，结构较复杂。本次泄水建筑物改造工程位于大型多泥沙河流上，上游为城市主城区，改造方案应确保建筑物安全可靠。通过工程考察和技术分析，最终推荐橡胶坝改造采用直拉式平板钢闸门泄洪闸方案。4改造方案4.1结构布置橡胶坝为已建工程，改造工程施工期间上游水库不能放空。已建橡胶坝由上游混凝土防渗墙、上游连接板、橡胶坝底板形成封闭防渗体系。经分析研究，将改建泄洪闸布置在橡胶坝底板下游，紧贴橡胶坝底板。该布置方案既可以利用已建橡胶坝作为上游围堰，又可以利用橡胶坝已有防渗系统连接封闭，可大幅减少工程投资，缩短工期。改建泄洪闸共设 23 孔，采用直拉式平板钢闸门，单孔净宽 15 m，总净宽 345 m，纵剖面示意图见图 2。闸室采用钢筋混凝土整体式结构。闸底板水流向长 11 m，采用厚 2.3 1.5 m 的 C25W6 钢筋混凝土结构，表层设 40 cm 厚 C40W6 工程聚丙烯纤维混凝土防冲表层。每孔闸为独立结构单元，闸墩采用缝墩结构，水流向长9 m，厚2.6 m。闸顶设检修平台，平台高程 65.0 m。其上为启闭平台排架，启闭平台高程 74.50 m。已建橡胶坝在上游砂砾石河床采用混凝土防渗墙防渗，防渗墙设连接板和橡胶坝底板连接，形成封闭的防渗系统，运行状况良好。改造工程将新建泄洪闸底板和已建橡胶坝底板连接，新设铜片止水，与橡胶坝已有防渗系统连接封闭，利用现有防渗系统且延长有效渗径。改造后泄洪闸上游布置检修桥，启闭机采用防护罩保护，不设启闭机房。工作闸门检修采用浮船式检修闸门，不设检修闸门槽。改建泄洪闸和左侧已建船闸上闸首、右侧已建泄洪冲砂闸左边墩采用设连接墙方式连接。在改建泄洪闸左、右边墩上游各设一堵厚 50 cm 的连接墙，连接墙和左侧船闸上闸首边墙、右侧泄洪冲砂闸左边墩采用凿毛植筋方式连接，将连接墙作为左岸船252023 年第 1 期水 利 科 技图 2改建泄洪闸纵剖面示意图闸、右侧泄洪冲砂闸整体的一部分，改建泄洪闸左、右边墩和连接墙设伸缩缝连接。伸缩缝间设铜片止水，形成枢纽工程封闭防渗系统。橡胶坝有 4 个中墩和 2 个边墩，为不影响改建泄洪闸行洪，橡胶坝中墩和边墩凿除。改建泄洪闸地基为砂砾石，局部区域为回填砂砾卵石。因改建泄洪闸需和周边已建建筑物连接，为减少两者间不均匀沉降，根据开挖揭示的实际情况，对曾开挖扰动、非原状地基的局部区域进行低压水泥注浆处理，注浆孔间距 2 m 2 m，平均注浆深度约 5 m。4.2下游消能防冲设计橡胶坝下游消能防冲设施为传统的消力池和护坦结构。河道洪水期泥沙含量高，消力池内泥沙堆积较多;泄洪时橡胶坝下游流态紊乱，下游消力池、护坦冲刷破坏严重，已经多次修复。根据工程运行经验，下游消力池和护坦冲刷破坏是因为末端垂直防冲不足，洪水从防冲设施末端淘空上溯，造成底部淘空后破坏。根据模型试验成果，下泄设计流量时，至护坦末端的闸下消能率仅约 24%，可见消力池消能作用非常有限。因此下游防冲重点是做好末端垂直防冲，防止末端冲刷破坏上溯。据 水闸设计规范(SL 265 2016)第 4.4.5条“在夹有较大砾石的多泥沙河流上的水闸，不宜设消力池，可采用抗冲耐磨的斜坡护坦与下游河道连接，末端应设防冲墙”，结合工程运行经验和模型试验成果，改造方案下游消能防冲设施不再采用消力池+护坦，改用 C25 钢筋混凝土斜坡护坦和下游河道连接，护坦末端采用直径 1 m 的 C30 混凝土密排灌注桩作为垂直防冲墙。灌注桩底部深入基岩3.5 m，桩间设高压旋喷防渗墙封闭，桩顶部设 C30混凝土压顶梁和斜坡护坦连接。斜坡护坦长 13 m，厚 80 cm，顶高程 53.75 53.00 m。4.3施工导流方案选择枢纽工程主要功能为水力发电、航运和改善城区水环境，橡胶坝改造工程施工时上游不能放空，施工工作面长约 350 m，施工导流是改造方案顺利实施的关键。施工导流选择橡胶坝挡水导流和分期围堰导流两种方案进行比选，两者技术分析比较简述如下:(1)橡胶坝挡水导流方案。采用橡胶坝坝袋挡水，施工期间正常发挥枢纽工程挡水和泄洪功能。优点是不影响上游防洪安全，且简化施工方案，有效缩短正常施工工期至 1 年;缺点是橡胶坝距离下游施工工作面近，需采用保护措施和应急预案有效保证施工安全。(2)围堰导流方案。采用上游土石围堰挡水，施工期间枢纽工程正常蓄水。优点是挡水安全性较高;缺点是土石围堰长近400 m，高近6 m，填筑方量大，施工工期需 2 年，遇汛期(下转第 56 页)35水 利 科 技2023 年第 1 期设计，严格控制不同区块的开挖方式和爆破钻爆参数，精心组织爆破施工，安全顺利完成时间长达 5年的的相关爆破作业。坝区左岸紧邻铁路线，严格按照相关爆破工作规定组织爆破方案设计，并报送铁路部门审批，施工中严格监管，安全顺利完成相关铁路运行窗口期的爆破。(2)优选高大承重支架方案。船闸工程孔洞结构多，悬挑结构多、挑距远、承重大，板梁结构厚重，通过多次优选扣件式脚手架方案、盘扣式脚手架方案和四管柱方案等，最终选用扣件式脚手架方案，满足合规要求。(3)协调高空作业和立体交叉作业。采用船闸充放水流道和拦水坝溢流面滑模施工方案，降低了立体交叉作业和高空作业风险。船闸闸墙结构高处作业通行采用标准化梯笼设施，大大降低了高处攀爬的风险。(4)优化设计大件重物吊装作业。横跨一期船闸结构和预留二期船闸位置的钢筋混凝土门机轨道梁最重件高达 114 t、预应力钢筋混凝土电缆沟桥重达 80 t，两者跨度均约 25 m，跨度大、结构厚重，受场地条件限制，难以采用普通汽车起重设备、门机和架桥机起吊，原则上只能就地架立满堂架现浇，工期长，支架高、宽、承重大，安全风险高。经过优化，将钢筋混凝土门机轨道梁改为钢结构门机轨道梁，自重降低到 52.5 t，将预应力钢筋混凝土电缆沟桥改为钢结构电缆沟桥，自重降低到约 24.6 t，在闸室进口底高程填筑平台，布置 500 t 汽车吊机，安全高效完成吊装任务。(5)做好水上水下作业安全管理。右岸一期基坑施工时，左岸河道经疏浚后继续通航，临水作业和水上作业涉及围堰抗冲护脚设施和通航指示灯维护等工作。左岸二期基坑过洪后，残留外露的部分混凝土防渗结构采用静态膨胀剂预先胀裂，再人工挖除;河中残留体采用静态膨胀剂预先胀裂，再采用专项打桩船上的冲击锤破除。专项打桩船采用 4边液压支腿撑立在河道中固定。严格要求临水作业和水上作业人员穿好救生衣，拴好安全绳，防止坠河溺水或渣石坍塌伤害。4结语根据水口坝下工程的特点和安全工作难点，重点从施工组织管理、施工技术支持、资源配置和施工协调等方面采取相应措施，在全力保证工程施工顺利进行的同时实现安全生产风险可控，安全管控措施可供类似工程参考。第一作者简介:徐智伟(1973 )，男，福建莆田人，工程师，从事水利工程和市政工程施工工作。(上接第 53 页)泄洪难以及时拆除，将严重影响上游城区防洪安全。综上，考虑枢纽工程上游为城市主城区，施工期上游防洪安全至关重要，同时考虑工期要求紧，最终推荐采用橡胶坝挡水导流方案。5结语橡胶坝造价低，结构简单，施工期短，在河床式枢纽工程中作为河道泄水建筑物得到广泛应用。多个工程经验表明，橡胶坝对大流量、多泥沙河流适应性较差，主要表现为坝袋磨损严重、维修难度大、下游消能防冲设施易损坏等。对于大流量河床式枢纽工程，需重点关