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        新疆某水電站攔河閘下游護(hù)坦修復(fù)方案設(shè)計(jì)綜述

        2021-11-24 00:32:32禹作利
        黑龍江水利科技 2021年11期
        關(guān)鍵詞:攔河閘抗沖輪胎

        李 梅,禹作利

        (1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,天津 300222;2.天津市水利工程公司,天津 300222)

        1 工程概況

        新疆某水電站由攔河閘、引水渠道、隧洞、壓力前池、壓力鋼管、廠房、泄水槽及尾水渠等主要建筑物組成。攔河閘由擋水壩、引水閘和泄洪沖沙閘組成。河槽部位布置水閘,兩岸灘地為砂礫石壩。泄水建筑物布置在主河床段,由左至右依次為4孔(4#-7#)泄洪沖沙閘(左側(cè)兩孔布置沖沙廊道,右側(cè)兩孔為開敞式并設(shè)溢流板排漂、排冰)和8孔(8#-15#)泄洪閘。正常蓄水位為1933.5m,設(shè)計(jì)洪水位1933.50m,校核洪水位為1935.08m。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為1960m3/s,校核洪水洪峰流量為2950m3/s。

        閘室下游護(hù)坦根據(jù)原河床地形分為深淺護(hù)坦兩部分。4#-8#孔下游,為深護(hù)坦形式;9#-15#孔下游為淺護(hù)坦形式。深護(hù)坦和淺護(hù)坦均采用1m厚C20F300W6混凝土。

        2 破壞情況及原因

        根據(jù)攔河閘實(shí)際運(yùn)行情況,6#-8#閘護(hù)坦破壞比較嚴(yán)重,13#閘護(hù)坦有輕微破壞,其他閘孔護(hù)坦基本無破壞。

        由于該水電站總體布置方案基本采用了壩+泄洪排沙閘+電站引水閘的布置,且將首部工程全部布置在河道中,人為加大過閘的單寬流量,提高了過閘夾砂水流的勢能,造成攔河閘下游防沖系統(tǒng)沖掏破壞的問題。

        3 護(hù)坦修復(fù)設(shè)計(jì)原則

        該水電站攔河閘下游護(hù)坦修復(fù)方案的基本原則:保持原狀,加強(qiáng)觀測,減少維修,防止隱患。根據(jù)以上原則進(jìn)行該水電站工程修復(fù)方案設(shè)計(jì)。

        4 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)方案

        4.1 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)方案初擬

        根據(jù)本工程的特點(diǎn),參考了一些已建類似工程所做的修復(fù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),列出了以下4種修復(fù)設(shè)計(jì)方案:

        1)普通混凝土+表層貼輝綠巖鑄石板

        輝綠巖鑄石板具有結(jié)構(gòu)緊密,吸水率小,抗壓強(qiáng)度高,耐磨性能好的特點(diǎn),屬于脆性材料,硬度較高。三門峽水利樞紐工程曾于1971-1973年用輝綠巖鑄石板作為抗沖耐磨材料對(duì)排沙底孔進(jìn)行了全面襯砌。施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理,清除基面上松動(dòng)顆粒,使表面外露新鮮骨料,后用高壓水清除表面沙粒、粉塵,澆筑C2825F300W6一級(jí)配混凝土,再涂抹3cm厚M30砂漿找平,最后將6cm厚的輝綠巖鑄石板(50cm×50cm)黏結(jié)到表面。

        2)普通混凝土+表層固定鋼軌

        鋼軌有良好的抗沖擊和抗磨損能力。協(xié)合拉引水樞紐工程曾在護(hù)坦部位采用了鋼軌護(hù)面作為抗磨材料,證明其抗磨效果好。施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理,為使新舊混凝土能很好的結(jié)合,在混凝土表面設(shè)置φ20插筋,間、排距1m,鋼筋埋入一期混凝土內(nèi)的長度為80cm,露出一期混凝土的長度為15cm,清除基面上松動(dòng)顆粒,使表面外露新鮮骨料,后用高壓水清除表面沙粒、粉塵,后澆筑C2825F300W6二級(jí)配混凝土至原設(shè)計(jì)高程,將鋼軌(43kg/m)固定,鋼軌并排排列,不留空隙。

        3)普通混凝土+廢舊輪胎護(hù)面

        輪胎具有高彈性和良好的耐磨性能,是柔性材料,對(duì)沖砸的卵石既有緩沖作用,又可大大緩和卵石的沖擊力,且廢舊輪胎材料易得又經(jīng)濟(jì),是理想的防護(hù)材料和防沖抗磨材料。新疆協(xié)合拉引水樞紐工程在護(hù)坦部位采用了廢舊輪胎作為抗沖磨材料,運(yùn)行結(jié)果證明此方案具備經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠,施工簡便,維修成本低等優(yōu)點(diǎn)。其施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理,為使新舊混凝土能很好的結(jié)合,在混凝土表面設(shè)置φ20插筋,間、排距1m,鋼筋埋入一期混凝土內(nèi)的長度為80cm,露出一期混凝土的長度為15cm,清除基面上松動(dòng)顆粒,使表面外露新鮮骨料,后用高壓水清除表面沙粒、粉塵,后澆筑C2825F300W6二級(jí)配混凝土至原設(shè)計(jì)高程并找平,然后按設(shè)計(jì)位置鉆孔,鉆孔深度為280mm,間距200mm,錨栓用環(huán)氧樹脂固結(jié),再鋪設(shè)輪胎(750 mm×200mm),固定輪胎用錨栓(錨栓直徑d=16mm,長度L=300mm)加50×50mm2、厚5mm的平墊片和彈簧墊片,然后放雙螺帽擰緊即可,螺栓露出不易超過2扣,以免頂壞上面覆蓋的輪胎。安裝輪胎時(shí)要一排一排,從低處向高處逐排安裝。

        4)高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土

        高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土具有施工工藝非常簡單,易于大面積施工,施工進(jìn)度快,而且經(jīng)濟(jì),易于再次修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)混凝土破壞面積較大時(shí),可考慮此修復(fù)設(shè)計(jì)方案。其施工方法為先對(duì)混凝土基礎(chǔ)表面進(jìn)行鑿毛處理,清除表面的泥漿和松動(dòng)顆粒等,使表面外露新鮮骨料,后用高壓水或高壓風(fēng)清除表面沙粒、粉塵。再對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理,如鋼筋面積明顯減小或被沖斷,應(yīng)補(bǔ)焊同直徑的鋼筋(即φ16鋼筋,鋼筋單邊焊接長度≥20cm)。然后在處理面布置φ20插筋,間、排距1m,插筋伸入混凝土內(nèi)的長度≥80cm,插筋與原護(hù)坦鋼筋網(wǎng)焊接(鋼筋單邊焊接長度≥20cm)。最后在處理面涂抹界面膠,澆注C45抗沖磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纖維網(wǎng),并具有抗凍防滲性能)至設(shè)計(jì)高程。

        4.2 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)方案比選

        1)普通混凝土+表層貼輝綠巖鑄石板方案:

        輝綠巖鑄石板本身硬度很高,但其質(zhì)地較脆,沖擊韌性較差,易被大塊推移質(zhì)砸破。且鑄石板的砌筑難以機(jī)械化施工,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,另外板間接縫是一個(gè)薄弱部位,黏接工藝要求較高,質(zhì)量不易保證,一旦局部施工質(zhì)量控制不好,容易發(fā)生逐塊掀掉,甚至發(fā)展至成片破壞。使用壽命一般為1-3年。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦,其費(fèi)用約為7.38萬元。

        2)普通混凝土+表層固定鋼軌方案:

        表層固定鋼軌,此方案一次性投入較高,需要使用大量鋼材,施工難度大。但使用壽命較長。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦,其費(fèi)用約為54.82萬元。

        3)普通混凝土+廢舊輪胎護(hù)面方案:

        廢舊輪胎,廢舊輪胎錨固相當(dāng)重要,要求較為嚴(yán)格,亦存在被水沖走、輪胎磨損和輪胎老化問題,每個(gè)汛期須及時(shí)檢查,并對(duì)沖走的空隙進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)協(xié)合拉引水樞紐工程的使用情況來看,輪胎防沖抗磨使用壽命在5年以上。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦,其費(fèi)用約為12.34萬元。

        4)高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案:

        高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土,在多泥沙河流上的水利工程中應(yīng)用較多。可以進(jìn)行大面積機(jī)械化施工,施工工藝成熟,施工速度較快。從類似已建工程如三門峽水利樞紐工程、小浪底水利樞紐工程和萬家寨水利樞紐工程等運(yùn)行情況來看,其抗沖磨效果較好,使用壽命相對(duì)較長。修復(fù)一塊面積為8.65m×11m的護(hù)坦,其費(fèi)用約為1.88萬元。

        通過以上分析可知,上述4種方案技術(shù)上均可行,但表層固定鋼軌、廢舊輪胎護(hù)面和輝綠巖鑄石板三種方案的施工工藝均復(fù)雜,難以機(jī)械化施工,施工進(jìn)度較慢;高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案施工工藝成熟,對(duì)于成片破壞的護(hù)坦,可以進(jìn)行機(jī)械化施工,施工進(jìn)度較快。從經(jīng)濟(jì)分析來看,表層固定鋼軌造價(jià)最高,廢舊輪胎護(hù)面方案次之,輝綠巖鑄石板方案造價(jià)較低,高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案造價(jià)最低。綜合分析,對(duì)于下游護(hù)坦推薦使用高標(biāo)號(hào)抗沖磨混凝土方案進(jìn)行修復(fù)。

        4.3 護(hù)坦部位修復(fù)設(shè)計(jì)

        1)對(duì)于4#-8。#閘室下游護(hù)坦,先對(duì)樁號(hào)下0+002.50(6#-7#后移)-下0+012.50護(hù)坦鑿除約20cm,樁號(hào)下0+012.50-下0+018.00進(jìn)行鑿毛處理,清除表面的泥漿和松動(dòng)顆粒等,使表面外露新鮮骨料,后用高壓水或高壓風(fēng)清除表面沙粒、粉塵。再對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理,如鋼筋面積明顯減小或被沖斷,應(yīng)補(bǔ)焊同直徑的鋼筋(即φ16鋼筋,鋼筋單邊焊接長度≥20cm)。然后在處理面布置φ20插筋,間、排距1m,插筋伸入混凝土內(nèi)的長度≥80cm,插筋與原護(hù)坦鋼筋網(wǎng)焊接(鋼筋單邊焊接長度≥20cm)。最后在處理面涂抹界面膠,澆注C45抗沖磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纖維網(wǎng),并具有抗凍防滲性能)至設(shè)計(jì)高程(樁號(hào)下0+018.00高程增加10cm),使護(hù)坦坡度變?yōu)?:7.1。

        對(duì)于9#-15#閘室下游護(hù)坦,先對(duì)樁號(hào)下0+002.50-下0+012.50護(hù)坦鑿除約20cm,清除表面的泥漿和松動(dòng)顆粒等,使表面外露新鮮骨料,后用高壓水或高壓風(fēng)清除表面沙粒、粉塵。再對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理,如鋼筋面積明顯減小或被沖斷,應(yīng)補(bǔ)焊同直徑的鋼筋(即φ16鋼筋,鋼筋單邊焊接長度≥20cm)。然后在處理面布置φ20插筋,間、排距1m,插筋伸入混凝土內(nèi)的長度≥80cm,插筋與原護(hù)坦鋼筋網(wǎng)焊接(鋼筋單邊焊接長度≥20cm)。最后在處理面涂抹界面膠,澆注C45抗沖磨混凝土(加硅粉和聚丙烯纖維網(wǎng),并具有抗凍防滲性能)至原設(shè)計(jì)高程。

        5 底流式消能防沖的水力計(jì)算

        5.1 水力計(jì)算有關(guān)理論

        在設(shè)計(jì)底流式消能工以前,必須判別水流銜接狀態(tài),即水躍的有關(guān)計(jì)算。

        1)收縮水深hc:

        收縮水深hc的基本計(jì)算公式:

        (1)

        式中:E0為以下游河床為基準(zhǔn)面的泄水建筑物上游總水頭;q為收縮斷面處的單寬流量;g為重力加速度;φ為流速系數(shù),對(duì)于低曲線型實(shí)用堰溢流,一般取0.90-0.95[1]。

        根據(jù)所采用的消能工形式,應(yīng)用相應(yīng)的水躍共軛水深計(jì)算公式。當(dāng)采用矩形平底消能工時(shí),則

        (2)

        3)消能池深S的計(jì)算

        對(duì)于矩形斷面平底消能池,其池深S計(jì)算公式為:

        (3)

        式中:σ為安全系數(shù),可取1.05-1.10;Δz為消能池出口水面落差,由下式計(jì)算

        (4)

        式中:b為消能池寬度;φ′為消能池出流的流速系數(shù),一般取0.95[1]。

        4)消能池長度Lk的計(jì)算

        Lk=(0.7-0.8)Lj

        (5)

        式中:Lj為自由水躍的躍長,按下式計(jì)算:

        (6)

        5.2 消能池計(jì)算結(jié)果

        計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 消能池的計(jì)算結(jié)果表

        本次修復(fù)設(shè)計(jì)的消能池滿足要求。

        6 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇

        水流中沖磨介質(zhì)以懸移質(zhì)為主的工程,可根據(jù)最大流速和多年平均含沙量按下表選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí),并進(jìn)行抗沖磨強(qiáng)度優(yōu)選試驗(yàn)[2]。

        表2 抗懸移質(zhì)磨蝕混凝土的強(qiáng)度等級(jí)

        注1:排沙建筑物均應(yīng)按含沙量>2kg/m3選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

        注2:當(dāng)過流中推移質(zhì)含量>2kg/m3時(shí),宜選用較表中提高1-2個(gè)等級(jí)的混凝土(以5MPa為1個(gè)等級(jí))。

        注3:如建筑物投入運(yùn)行前齡期>90d,可用90d強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)等級(jí)強(qiáng)度。

        注4:如σ和流速不一致時(shí),按等級(jí)偏高一級(jí)確定。

        經(jīng)計(jì)算可知,護(hù)坦處最大流速<15m/s,水流空化數(shù)>1.5,且含沙量>2kg/m3,故偏安全考慮,護(hù)坦處選擇強(qiáng)度等級(jí)為C45的混凝土。

        7 結(jié) 語

        攔河閘樞紐的運(yùn)行安全及使用壽命與調(diào)度運(yùn)行密切相關(guān),為保證攔河閘安全運(yùn)行,盡量延長各建筑物的使用壽命,特別是閘底板及上游鋪蓋、下游護(hù)坦防沖耐磨的使用年限,該水庫運(yùn)行調(diào)度必須嚴(yán)格按照水庫運(yùn)行調(diào)度、水庫防洪調(diào)度和泥沙沖淤運(yùn)行原則進(jìn)行。

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