水库取水竖井闸门水下加固方案研究★

严 晶，尚 斌

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010;2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430010)

取水建筑物是水库枢纽工程的重要组成部分,其运行安全直接关系水库效益的发挥。我国水库取水建筑物进口一般采用取水竖井的结构型式,取水竖井内部设有检修闸门及工作闸门控制取水流量。受设备制造及安装因素影响,部分水库取水竖井闸门不同程度的存在门槽变形、止水不严、门体倾斜等问题,导致闸门漏水,严重影响水库效益的发挥。对于竖井闸门漏水,常用的加固施工方法是降低水库水位并填筑围堰,形成干地施工条件后对闸门进行加固或更换。由于水库大多承担城镇供水任务,放空水库将影响人民生产生活用水安全,其加固方案往往难以实施。因此,在不放空水库的情况下,研究一种水库取水竖井闸门水下加固方案十分必要。

1 工程概况

三泉水库位于湖北省京山市杨集镇三泉村,水库总库容295.4万m3,是一座以乡镇供水和灌溉为主,兼有防洪等综合效益的小(1)型水库。水库枢纽建筑物由大坝、溢洪道和输水管组成。水库于1966年动工兴建,1974年建成蓄水,2009年进行了除险加固。

输水管位于大坝右岸,2009年除险加固时输水管进口新建了圆形竖井,竖井内设检修闸门、工作门各1扇,闸门采用平板铸铁闸门,孔口尺寸1.4 m×1.45 m。由于施工精度原因,工作闸门和检修闸门安装后一直无法下落到位,导致输水管长期漏水,水库长期处于低水位运行,严重影响效益发挥。

2 取水竖井闸门加固施工方案比选

为确保水库效益发挥,拟对输水管取水竖井工作闸门和检修闸门进行更换。工作及检修闸门位于取水竖井底部,更换时需要具备干地施工条件。本次选用填筑围堰方案(方案一)和水下封堵门方案(方案二)进行比选,以确定最优方案。

1)方案一:填筑围堰方案。取水竖井加固施工前,将库水位放空至高程237.4 m,输水管进口设置土袋围堰,围堰长80 m,最大高度4.0 m,顶宽2.0 m,内、外坡比1∶1.5,围堰填筑工程量2 520 m3。围堰填筑完成后进行闸门更换施工,待闸门及启闭机系统安装及调试完毕后,拆除围堰。方案一施工工期105 d,施工期间影响水库下游供水,工程投资约85万元。

2)方案二:水下封堵门方案。取水竖井加固施工前,首先通过潜水员进行水下检查并测量竖井进口尺寸,然后按进口尺寸设计制作封堵门和水上作业平台,通过水上作业平台吊装封堵门并通过潜水员水下安装封堵门。水下封堵门安装完成后进行闸门更换施工,待闸门及启闭机系统安装及调试完毕后,拆除水下封堵门。方案二施工工期40 d,施工期间不影响水库下游供水,工程投资约65万元。

3)方案比选:方案一采用水库放水,输水管进口填筑围堰的方式施工,其优点是方案简单、施工方便;缺点是需要放空水库库容约70万m3,施工后水库如得不到及时补充,将影响集镇供水,造成不良社会影响。方案二采用水下封堵门方案施工,其优点是不必放空水库,节约水资源,水库供水更有保障;缺点是水下封堵门施工案例较少,施工难度较大,存在一定的风险。综合来看,相对于填筑围堰方案(方案一),水下封堵门方案(方案二)施工期间不影响水库下游供水,施工周期较短且工程投资较低,取水竖井加固施工方案推荐采用水下封堵门方案(方案二)[1]。

3 水下封堵门方案设计

水下封堵门方案实施前需根据潜水员水下检测情况进行水下封堵门的布置和设计,然后根据水下封堵门结构尺寸进行水上作业平台设计。

3.1 水下封堵门布置及设计

取水竖井进口设有砖砌拦沙坎,拦沙坎顶部设有拦污栅,由于竖井砖砌体结构不稳定不适于安装封堵门,水下封堵门布置于竖井进口内部,封堵门面板距取水竖井井壁上游面0.20 m,水下封堵门布置图详见图1[2]。

竖井进口孔口尺寸1.40 m×1.45 m(宽×高),水下封堵门设计尺寸1.39 m×1.44 m(宽×高)。

水下封堵门由钢板门和门框组成,钢板门骨架为10号工字钢,门板采用10 mm厚钢板,门板上设置6个直径10 cm的充水平压阀。门框骨架为16号工字钢,门框周边设置双道止水胶条。门框与钢板门采用锚栓连接,门框与进水口顶板、底板和侧墙采用三角梁钻孔锚栓固定。钢板门设计图详见图2,门框设计图详见图3[3]。

3.2 水上作业平台设计

水下封堵门施工需要搭建潜水员水上作业平台,水上作业平台采用φ50 mm钢管搭设骨架,中间架设200 L铁皮浮桶拼装并用扣件固定。根据作业需求,平台尺寸为6 m×4 m,平台竖向布置9排,每排布置6个直径0.90 m的铁皮浮筒,搭建平台共需要54个浮筒。平台四周采用φ50 mm钢管布设围栏。水上作业平台设计图详见图4[4]。

水上作业平台需要进行稳定计算,作业平台承受的荷载为浮筒浮力、作业人员自重、机械设备自重和平台自重。平台淹没2/3时平台稳定性最好,此时平台提供浮力61 280 kN,作业人员、机械设备和平台自重共计44 280 kN,平台提供浮力大于人员、机械和平台自重,水上作业平台稳定满足要求。

4 水下封堵门方案实施

4.1 潜水作业方案

水下封堵门施工作业水深小于30 m,潜水作业方式采用供需式空气潜水作业,单组潜水作业人员2人,1人作业1人辅助,潜水作业人员携带应急气瓶,单组人员水下连续作业不得超过3 h。

潜水装备系统主要包括干式潜水服、湿式潜水服、潜水头盔、供气系统、供气脐带、空压机、高压储气瓶、应急备用气瓶、水下控制系统、水下电视、水电灯源、水下电缆、供电系统、终端集控系统、应急备用发电机、潜水作业装备车。

4.2 方案实施流程

水下封堵门方案实施分为以下6个步骤:

1)水下检查及测量(水下)。潜水设备及潜水员进场→潜水作业平台及潜水设备布置→关闭取水竖井检修门及工作门→水下检查→水下清理(拦污栅周围及安装封堵门竖井周围)→潜水员水下检查测量尺寸。

2)水下封堵门制作(水上)。按水下测量进口尺寸设计制作封堵门→制安作业平台→封堵门浮桶制作。

3)水下封堵门安装及封堵(水下)。封堵门水上吊装→封堵门水下定位锚栓和限位槽制安→浮箱悬吊封堵门入水逐渐下沉→封堵门入槽限位后锁定→封堵门浮箱解除→封堵门渗漏堵漏→开启竖井检修门及工作门观察下游渗漏情况→如有渗漏则关闭竖井检修门及工作门后进行潜水员水下堵漏→堵漏完成后再打开竖井检修门及工作门观察下游渗漏情况直至下游无渗漏。

4)竖井检修门及工作门检修和更换。打开竖井管检修门及工作门观察下游渗漏情况稳定后→开始检修及更换闸门作业→检修及更换闸门完成后→闸门启闭试验正常→闸门验收。

5)竖井检修门及工作门更换后闭水试验(水下)。检修及工作门关闭→水下打开封堵门充水阀门→检修及工作门关闭检查下游渗水情况→闸门闭水试验验收。

6)封堵门水下拆除及撤场(水下)。检修及工作门关闭→拆除封堵门堵漏材料→封堵门解除锁定→封堵门拆吊→封堵门限位槽拆除→水下清理及检查→完工撤场。

4.3 作业时间

水下封堵门方案主要水下工作量为水下检查,定位锚栓,限位槽制安,封堵门水下安装,堵漏,闭水试验及封堵门拆除。时间周期如下:准备及进场3 d;水下检查清理4 d;设计验算及制作封堵门,水上平台、浮箱等(含设计及材料采购加工制作)、吊装平台制安等10 d;封堵门水下安装约15 d;干地检修期间待命;闸门闭水试验约3 d;水下拆除5 d,总工期40 d。

4.4 注意事项

1)封堵门安装及封堵:封堵门水下定位采用门框定位,封堵门制造后采用水上吊装平台调运至竖井水面上方,然后逐步下放入水,待定位固定后采用锚栓锚定。封堵门周边空隙采用柔性填料填充,钢板与混凝土接触面应清理干净并采用水下密封胶封盖。

2)闸门闭水试验:竖井工作闸门关闭后,潜水员将封堵门充水阀门打开,上游水库通过充水阀门进入竖井,待封堵门与竖井工作闸门之间充水完成后观察工作闸门闭水情况;工作闸门闭水试验完成后关闭检修闸门,检修闸门关闭后打开工作闸门观察检修闸门闭水情况。

3)封堵门水下拆除:工作闸门与检修闸门闭水试验完成后,关闭工作闸门与检修闸门,然后潜水员入水拆除封堵门,封堵门拆除前应确认冲水阀畅通平压,将封堵门与水上吊装平台吊装连接后松动固定锚栓,然后依次对封堵门浮体空腔充气,封堵门浮起后开始起吊封堵门并吊装出水,然后水下割除定位锚栓并回填锚栓孔。

5 结语

1)我国水库取水竖井数量众多,部分水库取水竖井闸门不同程度的存在漏水现象,受水库无法放空等因素影响,取水竖井闸门维修或更换工作往往难以实施,严重影响水库效益发挥,故研究取水竖井闸门水下加固成套设计施工技术十分必要。

2)采用水下封堵门技术进行竖井闸门加固具有适用范围广、施工周期短、工程投资低、环境影响小、不影响水库效益发挥等诸多优点,在我国水库竖井闸门加固中具有广阔的应用前景。

3)水下作业属于危险性较大的分部分项工程,作业单位需具有相应的潜水作业资质,特种作业人员须持证上岗,作业前应编制专项施工方案并组织专家进行论证,作业过程中应设置专职安全监督员并严格执行设备安全操作规程,确保水下作业安全[5]。