羅躍頂, 張順利

(1.葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091;2.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究,四川 成都 610072)

1 概 述

蒼溪航電樞紐位于四川省境內(nèi)的嘉陵江中上游河段上,為河床式電站,總裝機容量為 66 M W,共安裝 3臺單機容量 22 M W的貫流式燈泡機組,工程等級為Ⅲ等。樞紐建筑物從左到右分別為土石壩段、接頭壩段、河床式廠房壩段、一孔沖沙閘、兩孔泄洪閘、水力自控翻板壩段和船閘。

根據(jù)四川嘉陵江蒼溪航電樞紐左岸工程的施工特點,為滿足現(xiàn)場施工需要,在主廠房下游尾水渠底板上布置了 1臺 M Q 600C/30型高架門座式起重機(以下簡稱門機),用于其覆蓋范圍內(nèi)的混凝土澆筑、金屬結(jié)構(gòu)件、鋼筋及大型模板等的吊裝工作。根據(jù)該門機的特性和本工程建筑物的布置情況,門機上游軌道中心線布置在主廠房尾水閘墩下游面以下 1.5 m處,樁號為壩 0+80.265,下游軌道中心線樁號為壩 0+87.265,兩軌距為 7 m,即門機中心線樁號為壩 0+83.765,軌頂高程為 351.02 m。門機布置如圖 1所示。

2 水文情況

嘉陵江洪水主要由暴雨形成,屬陡漲陡落型洪水。

據(jù)實測資料統(tǒng)計,年最大洪峰流量最早發(fā)生于 5月 (1967年 5月 17日),最晚發(fā)生于 10月(1965年 10月 22日),年最大洪水發(fā)生時間以 7、9兩個月最多,8月次之。年最大流量的年際變化較大,實測年最大洪峰流量為 23 700 m3/s(1981年 7月 14日)。

分期設(shè)計洪水計算成果及使用期見表 1。

表 1 分期設(shè)計洪水計算成果表 /m3?s-1

3 2010年汛前施工形象

2010年汛期,廠房上游攔沙坎全部施工完成,坎頂高程為 373.5 m。泄洪沖沙閘閘室段全部澆筑到壩頂 390.8 m高程。下游消能防沖段全部施工完成,墻頂高程為 372.5 m。泄洪沖沙閘上下游的二期縱向?qū)蛯?dǎo)水墻全部施工完成,廠房下游二枯土石圍堰形成,該工程汛后用于廠房施工的二枯圍堰全部形成。廠房進水口和尾水渠混凝土基本完成,主廠房上游進水口施工到胸墻高程以下 363.67 m高程,中間的主機間和下游尾水擴散段澆筑上升到機組安裝中心線高程355.30 m。安裝間底板全部施工完成到 369.5 m高程,上下游墻、左側(cè)邊墻及橋機柱在汛期上升澆筑,左岸土石壩和接頭壩基本施工到壩頂高程390.8 m。

4 圓筒門機度汛防護標準

2010年全球氣候變化莫測,特別是四川許多地區(qū)暴雨成災(zāi)。結(jié)合 2009年洪水實際情況,原定于汛前將 M Q 600門機拆除。鑒于 M Q 600門機擔負施工任務(wù)重,施工時間緊的特點,本著保進度、降低風險、保安全的原則,經(jīng)過多次專題會議研究,決定將 M Q 600高架圓筒門機不拆除并對其進行加固以利度汛。

圖 1 MQ600C/30高架圓筒門機平面布置示意圖

本工程主體建筑物等級為 3級,臨時性建筑物為 5級建筑物,按十年一遇設(shè)計,門機度汛設(shè)防標準采用表 1中 5～9月十年一遇洪水設(shè)計,流量為 18 400 m3/s,對應(yīng)水位高程為 378.42 m,門機軌道面高程為 351.14 m,圓筒門機被淹深度約 27 m,平均流速按 3 m/s確定。2009年最大洪峰流量達到 11 800 m3/s,對應(yīng)的洪水位高程為 374.9 m。按表 1,對應(yīng)的洪水頻率為 3年一遇,查閱最近十年嘉陵江洪水情況也是最大的。因此,綜合考慮,按設(shè)計十年一遇洪水標準進行度汛。

5 加固方案的確定

經(jīng)對圓筒門機在設(shè)計洪水位時的計算分析,門機僅依靠自重在洪水沖擊下不能穩(wěn)定,有滑動和傾倒的危險,因此,除考慮門機行走輪鎖定在軌道上外,必須采取加固措施防止門機傾斜,以確保其在汛期洪水沖擊下的安全。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,結(jié)合門機的特性,從施工可行、運行方便、加固合理、結(jié)構(gòu)可靠等角度出發(fā),主要考慮了對上、中、下層鋼絲繩進行加固的方案。

6 防護結(jié)構(gòu)受力分析

為避開主流區(qū),盡量減少水流沖擊力,門機在度汛時布置在 2#機尾水右邊墩和 3#機尾水左邊墩的下游面(圖 2)。

下部鋼絲繩直接系在行走臺車與門腿的相交部位(上下游方向)以抵抗水平推力,避免軌道受力破壞。中部四個方向受拉鋼絲繩布置在門機駕駛室下部塔身的吊環(huán)上以抗傾覆,同時具有一定的超標準洪水安全儲備。頂部鋼絲繩布置在門機起重臂端頭上,將起重臂牽引固定。

圓筒門機遭遇十年一遇洪水時,防護結(jié)構(gòu)考慮的主要受力為:圓筒門機各部位自重、水對圓筒門機的浮力、動水沖擊力、浪壓力、風壓力等。由于過堰水流受到門機及堰體的阻擋后流態(tài)十分復(fù)雜,水力要素難以精確計算,分析過程中對其進行了簡化。

6.1 計算條件

(1)由于基坑過流日期無法預(yù)測,過流過程的水流要素更難以計算,為了計算方便且又能滿足度汛安全,假定門機底部 2 m水深范圍水流靜止,取 3 m/s平均流速,波浪高度取 1.1 m,波浪影響深度假定為 10 m。門機浸在水下部分的結(jié)構(gòu)主要有行走臺車、門架和筒身三部分,上部機臺局部受到浪壓力的影響。

(2)嘉陵江漂浮物多為小樹木,沖擊力小,不列入計算,由安全儲備承擔。

(3)門機自重約 231 t,假定被淹 27 m時重量為200 t。

(4)門機門腿剛度大,假定無變形。

6.2 受力計算過程

(1)門架動水壓力。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》J T GD 60-2004第 33頁說明,門架按方形橋墩的動水沖擊力計算。

式中 K為門腿形狀系數(shù),取 1.5;A為阻水面積,包括門腿及水下塔身面積,經(jīng)計算為:A=4A1+2A2=4×1.3×7.85+π×3.37/2×(2×8.23+2.5)≈130(m2);γ為水的重力密度,取 10 k N/m3;V為流速,取 3.0 m/s;g為 重 力 加 速 度,取9.81 m/s2。

(2)浪壓力。

根據(jù)筆者近兩年在工地上所經(jīng)歷的,嘉陵江上有時風速很大,在夏季曾出現(xiàn)過狂風刮倒磚瓦房頂?shù)默F(xiàn)象,因此,江面上也可能會出現(xiàn)短暫大風。由于無相關(guān)風速和吹程統(tǒng)計資料,故浪高取1.1 m,浪壓力影響深度取 4.9 m,浪壓力參考有關(guān)資料取 80 k N/m2。

(3)風壓力。

根據(jù)門機廠家提供的資料,門機工作時允許最大風壓為 0.25 k N/m2,使用地區(qū)最大地面風壓為0.6 k N/m2。

7 防護設(shè)施設(shè)計

經(jīng)查《一般用途鋼絲繩》G B/T 20118-2006后,選用的鋼絲繩直徑為 30 m m,鋼絲繩結(jié)構(gòu)為:6×19+F C,纖維芯鋼絲繩,按最大抗拉強度 1 870 M P a選擇,其最小破斷拉力為 517 k N。

7.1 下部門腿的加固

門機自身的鎖定裝置能將門腿固定在軌道上,度汛時,另外在四個門腿下部從上下游方向用φ 30鋼絲繩與地錨連接固定。

圖 2 門機汛期加固平面布置示意圖

圖 3 門機汛期加固立面布置示意圖

7.2 中部塔身的加固

利用駕駛室下部的塔身分四個方向布置有吊環(huán),對應(yīng)地面位置呈放射方向,其中上游三個方向呈分散形對著尾水閘墩、下游一個方向?qū)χ菜装寤A(chǔ)。在這四個方向?qū)?yīng)地面的位置各先施工 4根φ 32錨筋或利用主體結(jié)構(gòu)混凝土中的 φ 32鋼筋,錨筋伸入巖石或混凝土面以下 2 m,錨筋底端設(shè)成楔形,以便更牢固地錨固在地基或混凝土內(nèi),錨筋外露 30 c m,然后分別用兩個 φ 32圓鋼與錨筋焊接形成吊環(huán),鋼絲繩將塔身上的吊環(huán)與地面上的吊環(huán)連接,并用 5 t葫蘆拉緊。

錨筋孔采用 φ 50人工手風鉆鉆孔,鉆孔結(jié)束后,將孔內(nèi)粉塵和泥漿用風吹出,檢查合格后,灌入摻有膨脹劑的 M 20砂漿,然后將帶有鋼楔子的錨筋垂直插入孔中,并用大錘將錨筋盡量打到孔底;待孔口有砂漿溢出后,不再晃動錨筋,孔口再用鋼楔楔緊,錨筋施工完成 7 d后方能受力掛鋼絲繩。

7.3 頂部鋼絲繩的加固

在泄洪沖沙閘 3#閘墩下游面壩頂高程處預(yù)埋 φ 32圓鋼環(huán),門機?？吭阪i定位置后,起重臂旋轉(zhuǎn)到上游面,對正 3#閘墩方向,采用鋼絲繩將起重臂端部吊鉤與預(yù)埋的圓鋼環(huán)連接。加固方案的具體位置如圖 2、3所示。

7.4 加固纜繩方案

(1)采用加固的纜繩方案為朝來水方向上中兩層,共 4組纜繩。該門機起重機背水方向為 1組纜繩,共 5組纜繩。

(2)5組纜繩規(guī)格和根數(shù)、地錨所受拉力如下:

①S 1組為朝水流方向沿該起重機臂長軸線布置的、最高點固定在回轉(zhuǎn)支撐朝水流方向最前端,由直徑 30 m m、6×19 F C的鋼絲繩 4根捆扎而成,理論總長度 190 m(未計入繩端固定、沿繩長的下?lián)闲枰睦K長),地錨所受牽拉力為 315 k N。

②S 2、S 3組為對稱于來水方向的該起重機臂長軸線朝兩側(cè)放射狀布置的兩組纜繩,最高點固定在該起重機臂根部連接軸處兩側(cè),分別由直徑30 m m、6×19 F C的鋼絲繩 5根捆扎而成,理論總長度共 602 m(未計入繩端固定、沿繩長的下?lián)闲枰睦K長),地錨所受牽拉力為 360 k N。

③S 4組為朝來水方向沿該起重機臂長軸線布置的、最高點固定在該起重機臂根部連接軸處朝來水方向最前端,由直徑 30 m m、6×19 F C的鋼絲繩 3根捆扎而成,理論總長度 123 m(未計入繩端固定、沿繩長的下?lián)闲枰睦K長),地錨所受牽拉力為 181 k N。

④S 5組為背來水方向沿該起重機臂長軸線布置的、最高點固定在回轉(zhuǎn)支承朝來水方向最后端,由直徑 30 m m、6×19 F C的鋼絲繩 1根捆扎而成,理論總長度 24 m(未計入繩端固定、沿繩長的下?lián)闲枰睦K長),地錨所受牽拉力為 80 k N。

(3)5組纜繩的理論總長度為 938 m(未計入繩端固定、沿繩長的下?lián)闲枰睦K長)。

(4)該起重機起升吊鉤對相應(yīng)地錨按 50 m幅度、3 m朝外斜拉方式下允許施加的起升鋼絲繩總的提升張力為 94.3 k N。

7.5 其 他

(1)門機行走輪與鋼軌之間采用自帶的鎖定裝置固定,避免其晃動。

(2)進入汛期前,先將鋼絲繩提前安裝到門機上,四個鎖定地錨提前安裝好,待預(yù)報大洪水即將到來前,迅速將門機上的鋼絲繩與地錨連接固定,保證門機安全度汛。

8 汛期加固過程

每天收集天氣情況和業(yè)主提供的上游流量情況,當預(yù)報大洪水來臨要漫過圍堰時,從預(yù)報開始到洪水到達工地有 10 h時間,這段時間可立即對門機進行加固。

門機首先開到指定位置,將起重臂朝向泄洪沖沙閘 3#閘墩方向,門機門腿用鎖定裝置固定在軌道上,然后斷電,將門機使用的的 10 k V供電線路斷電拆除,同時將事先掛在門機上的各方向鋼絲繩與地錨進行連接加固,起重臂端頭吊鉤與 3#閘墩上預(yù)埋的吊環(huán)用鋼絲繩連接加固。拆除門機腿上的行走電機,將預(yù)計淹沒在水位塔身下的電氣設(shè)備拆除并運到高程較高的安全位置。將下游二枯圍堰先挖開一個缺口,讓水先灌入門機所在的廠房基坑內(nèi),進行基坑內(nèi)灌水平壓,當洪水位到達圍堰頂高程時,平壓過程完成。當洪水位繼續(xù)升高時,水繼續(xù)從下游灌入基坑,門機受水流沖擊力很小,當洪水位繼續(xù)上升而超過上游攔沙坎頂面 373.5 m高程后,水開始從上游流入基坑,門機開始受上游水流沖擊,這時水下門機部分已穩(wěn)定,只是受上部水流一些影響,四個方向的鋼絲繩對門機開始起到拉緊加固作用。

洪水大時,可能會夾帶上游的漂木進入門機所在區(qū)域,這時,利用岸坡上較高位置處布置的照明燈對河面進行照明,同時加設(shè)兩套 2 k W的探照燈對上游河面及門機進行觀察,發(fā)現(xiàn)有較大的漂木時使用沖鋒舟及時將漂木引到門機所在范圍以外,以防漂木對門機造成撞擊。

9 汛期驗證過程

2010年 7月 23日,第一次洪峰到達工地,23∶07洪峰流量達到 12 640 m3/s,水位達到高程375.6 m,7月 26日 22∶57,洪峰流量達到 13 940 m3/s,水位達到高程 376.3 m,兩次洪峰都超過了2009年,而且是嘉陵江近 20年來最大的洪峰。

在兩次洪水過程中,項目部組織了全方位監(jiān)測,巡值人員實時觀測水情并記錄在案,測量人員使用儀器對 M Q 600門機進行變形監(jiān)測,并且實時對上游大型漂浮物進行觀測及清理,以防其對M Q 600門機造成沖擊。在主汛期期間,M Q 600門機經(jīng)歷了若干次超標洪水的沖擊依然穩(wěn)如泰山,未曾發(fā)生絲毫偏移(圖 4、5、6)。

汛后,對門機全面進行了檢查和安全鑒定,事實證明:本次 M Q 600C高架圓筒門機加固度汛圓滿成功,確保了蒼溪航電樞紐工程汛后施工進度,同時也為公司大型設(shè)備度汛管理工作積累了寶貴經(jīng)驗。

圖 4 加固完成開始過水的MQ600門機

10 結(jié) 語

(1)本次門機度汛加固方案的實施,保證了門機安全度汛。

圖 5 清除門機前的漂浮物

圖 6 歷經(jīng)幾次超標洪水穩(wěn)如泰山的門機

(2)通過門機加固方案的實施,顯示了門機加固技術(shù)在經(jīng)濟效益和技術(shù)效果方面的優(yōu)越性,具有其獨特的優(yōu)點,是一種比較實用的門機安全度汛技術(shù)。

(3)由于本門機加固方案具有施工方便、快速的優(yōu)點,為汛后快速恢復(fù)施工贏得了寶貴的時間,獲得了業(yè)主、監(jiān)理的好評。鑒于門機加固方案實施條件的特殊性,在實施過程中,要精心組織,嚴格施工,以確保每一個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。

(4)門機度汛加固方案正在不斷地推廣完善當中,本工程的建設(shè),為同類工程的大型設(shè)備安全度汛積累了經(jīng)驗。