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洋河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程包含泄洪洞閘門埋件、閘門更換，需在洞內(nèi)進(jìn)行修復(fù)作業(yè)。洋河水庫(kù)以防洪為主，兼顧城市供水、下游灌溉，水庫(kù)還需保持一定高度水位，為確保泄洪洞閘門埋件、閘門更換洞內(nèi)修復(fù)作業(yè)能順利進(jìn)行，洋河水庫(kù)泄洪洞加固施工采用組合式鋼圍堰封堵技術(shù)，達(dá)到泄洪洞內(nèi)干場(chǎng)施工的目的。組合式鋼圍堰能更安全、有效地將泄洪洞過(guò)水洞口進(jìn)行封堵，拆卸方便、制造簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算與驗(yàn)證就能制作施工，縮短工期，為順利如期完工提供有力保障。

1.工程概況

洋河水庫(kù)位于河北省秦皇島市撫寧區(qū)大灣子村北，壩址位于洋河干流上，控制流域面積755km2，總庫(kù)容3.86億m3，為大（2）型水利樞紐工程。水庫(kù)任務(wù)以防洪為主，兼顧城市供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用。工程等別為Ⅱ等，其主要建筑物主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水隧洞進(jìn)水口及西干渠放水洞為2級(jí)，施工期間水庫(kù)水位保持在50m以下。

洋河水庫(kù)兼顧城市供水和下游灌溉，施工過(guò)程中水庫(kù)需留存一定量水源，其留存水源水位高度已超過(guò)泄洪洞洞頂高度，因此在更換泄洪洞進(jìn)口閘門、閘門埋件、洞身修復(fù)過(guò)程中需對(duì)洞口進(jìn)行封堵，經(jīng)綜合考慮為保證洞內(nèi)干場(chǎng)作業(yè)，采用臨時(shí)鋼圍堰封堵的措施。

2.泄洪洞進(jìn)口鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼圍堰封堵分為兩部分，第一部分封堵高程▽37.0m～42.0m的過(guò)水洞口，為喇叭口形狀；第二部分封堵喇叭口上部高程▽43.0m～52.0m的開(kāi)敞式洞口頂板。

2.1 過(guò)水洞口封堵

通過(guò)查詢?cè)O(shè)計(jì)圖紙及水下潛水探摸，過(guò)水洞口為喇叭口，進(jìn)口寬6m、高5m，漸變至寬3.5m、高3.5m進(jìn)水洞口。封堵采用組合式鋼圍堰形式，支撐在進(jìn)口喇叭口混凝土頂板及混凝土底檻處，平板鋼圍堰高5.45m。鋼圍堰放置在▽37.0m混凝土底板上，鋼閘門頂高程為42.45m。每個(gè)閘門頂設(shè)置塑料限位壓縮塊3塊，長(zhǎng)×寬×厚（600mm×100mm×40mm），為防止過(guò)水洞口混凝土頂板邊緣在閘門水壓力作用下將混凝土結(jié)構(gòu)壓碎，故將塑料限位壓縮塊向洞口邊緣向上提高15cm，即所在高程為（▽42.15m～42.25m），該部位為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，受力鋼筋為Ф25@165mm，分布鋼筋為Ф12@250mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠滿足受壓支撐使用。

因波浪爬高、安全系數(shù)及施工期不確定因素，鋼圍堰設(shè)計(jì)時(shí)水庫(kù)水位按52m考慮。

封堵鋼圍堰尺寸確定為5.86m×5.45m（寬×高），設(shè)計(jì)為平面鋼閘門，制作為2扇，每扇尺寸為2.93m×5.45m（寬×高），面板采用10mm厚鋼板，門葉厚度600mm。在洞口部分可簡(jiǎn)化為鋼閘門作用在鋼筋混凝土頂板與底檻之間簡(jiǎn)支板梁，簡(jiǎn)支板門葉長(zhǎng)度為5.45m，分為兩扇閘門，兩扇閘門均設(shè)置底水封、頂水封。

根據(jù)類似設(shè)計(jì)方案，采用如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主梁腹板厚度為10mm，腹板高度600mm，腹板長(zhǎng)度為5305mm，腹板間距為710mm，主梁后翼緣板采用250mm寬、20mm厚鋼板。次梁頂腹板厚度為20mm，腹板高度600mm，腹板長(zhǎng)度為2870mm。次梁頂翼緣板厚度為20mm，寬度為300mm，長(zhǎng)度為2530mm。次梁底腹板厚度為20mm，腹板高度600mm，腹板長(zhǎng)度為2870mm，次梁底翼緣板厚度為20mm，寬度為220mm，長(zhǎng)度為2530mm。每?jī)蓚€(gè)次梁中間設(shè)置槽鋼次梁，槽鋼為[20,長(zhǎng)度為710mm，居中布置。邊梁腹板厚度為20mm，高度為600mm，腹板長(zhǎng)度為5450mm，翼緣板厚度為20mm，寬度為200mm，長(zhǎng)度為5450mm。其它部位腹板厚度為10mm。

2.2 泄洪洞喇叭口平面鋼閘門強(qiáng)度校核計(jì)算

靜水壓力作用于閘門面板，喇叭洞口上緣支撐點(diǎn)高程為42.25m，水庫(kù)水位按52m計(jì)算，洞口上緣按水深9.75m，洞口下緣按水深15m（喇叭洞口底板混凝土高程為37m）分別計(jì)算靜水壓力。

洞口上緣靜水壓力為9.75t/m2,洞口下緣靜水壓力為15t/m2,為簡(jiǎn)化計(jì)算取單寬1m鋼平面閘門面板，靜水壓力作用在鋼閘門面板合力為直角梯形。

2.2.1 單位寬度洞口上緣所受壓力

2.2.2 單位寬度洞口下緣受壓力

2.2.3 喇叭口底板鋼圍堰最大彎矩

鋼圍堰矩形荷載最大彎矩M1：M1=qL2/8=9.75×5.25×5.25/8=33.59t·m。

鋼圍堰三角形荷載最大彎矩M2：M2=5.25×5.25×5.25/9/1.732=9.28t·m。

合計(jì)彎矩：M合=M1+M2=33.59+9.28=42.87t·m。

2.2.4 腹板高度

翼緣板暫取寬250mm、厚20mm，鋼材容許應(yīng)力1700kg/cm2。

圖2 底檻布置剖面圖

鋼圍堰腹板高度h腹=42.87/(25×2×1.7)=0.504m,取60cm,

腹板厚度按照:梁腹板經(jīng)濟(jì)厚度δ經(jīng)=7+3h/1000（mm）=7+3×600/1000=8.8mm

梁腹板厚度δ取10mm。

2.3 泄洪洞喇叭口底板底檻設(shè)計(jì)

為保證平面鋼閘門受力良好及泄洪洞進(jìn)口喇叭口封堵效果，需設(shè)置鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底檻，施工方案如下：采用300mm高豎向鋼板，水平鋼板進(jìn)行支撐，加強(qiáng)板進(jìn)行后撐，在水平鋼板上面進(jìn)行開(kāi)孔，開(kāi)孔直徑為Ф34mm，兩排孔中心間距為300mm。在加工廠焊接制作完成后吊裝至水下，根據(jù)開(kāi)孔位置，在水下鋼筋混凝土底板鉆孔注入環(huán)氧砂漿插入錨筋，錨筋采用Ф28mm螺紋鋼筋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制作并錨固，鋼筋的抗拔力滿足要求。底檻布置平面圖見(jiàn)圖1，底檻布置剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 底檻布置平面圖

錨筋數(shù)量。錨筋采用Ф28mm鋼筋，單根鋼筋抗剪強(qiáng)度：τ=6.15×950=5.84t

經(jīng)計(jì)算，洞口單位寬度1m下緣受壓力為34.78t，單個(gè)閘門寬度為2.93m，合計(jì)壓力為101.91t。

單個(gè)閘門錨筋最少根數(shù)：101.91÷5.84=18根，兩個(gè)閘門錨筋根數(shù)為36根。

在鋼板上開(kāi)孔47個(gè)Ф34mm孔位安裝錨筋，滿足需要。

2.4 泄洪洞喇叭口以上部分閘室側(cè)墻安全校核計(jì)算

2.4.1 側(cè)墻彎矩及受力計(jì)算

正常運(yùn)行時(shí)，最大水深為9m，沿水平方向取單寬1m斷面進(jìn)行計(jì)算，此處側(cè)向水壓力為9t/m。板的外伸長(zhǎng)度為2.46m。

閘室側(cè)墻固端最大彎矩：Mmax=qL2/2=9×2.46×2.46÷2=27.23t.m。

2.4.2 混凝土抵抗彎矩計(jì)算

混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度的極限彎矩：Ml=1.05γRl×bh2/6

式中：

γ—受拉區(qū)混凝土的塑性系數(shù)，取1.54；

Rl—混凝土抗拉強(qiáng)度，200#混凝土取13kg/cm2；

b—混凝土板梁寬度，取單寬1m；

h—混凝土板梁厚度，取0.6m（1m厚側(cè)墻減去0.4m閘門槽深度）。

計(jì)算得出：Ml=1.05×1.54×0.013×1×60×60/6=12.61t.m＜27.23t.m，由此可見(jiàn)，不能滿足抗彎要求，需在懸臂板梁端部加置鋼管支撐。

閘室側(cè)墻支撐后固端最大彎矩：M2max=ql2/8=9×2.46×2.46÷8=6.81t.m。

閘室側(cè)墻支撐后中間最大彎矩：M3max=9ql2/128=9×9×2.46×2.46÷128=3.83t.m。

閘室側(cè)墻支撐點(diǎn)簡(jiǎn)支端受力：FA=3ql/8=3×9×2.46÷8=8.3t。

閘室側(cè)墻根部受力：FB=5ql/8=5×9×2.46÷8=13.84t。

固定端梁安全系數(shù)：K1=12.61/6.81=1.85。

2.4.3 喇叭口鋼管支撐計(jì)算

采用DN150鋼管從過(guò)水洞口37m～43m高程設(shè)置3根鋼管，43m高程至鋼圍堰頂間距按1m、1m、1.5m、1.5m、2m、2m支撐兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)，共計(jì)10根鋼管。

鋼材的抗拉、抗壓和抗彎容許應(yīng)力為1700kg/cm2。

C=πd=3.14×15=47.1cm,鋼管壁厚為4.5mm，截面積為：S=47.1×0.45=21.19cm2。

每根鋼管容許抵抗應(yīng)力為：21.19×1.7=36.02t。鋼管容許應(yīng)力滿足要求。

3.泄洪洞喇叭口頂板以上部分鋼圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄洪洞喇叭口頂板以上部分鋼圍堰采用半圓拱形鋼圍堰。圍堰兩側(cè)支撐在閘室兩側(cè)混凝土立墻上，兩個(gè)支點(diǎn)受壓，取單寬1m鋼板，鋼圍堰底高程為43.0m，鋼圍堰在立墻上兩個(gè)支撐點(diǎn)間距為4.9m。

圓拱形鋼圍堰型式。泄洪洞喇叭口進(jìn)口混凝土頂板長(zhǎng)為4.5m（上下游方向），寬為7m（左右方向），擬在頂板上面放置半徑為2.45m拱形鋼圍堰，滿足放置要求。受力鋼筋為Ф 25@165mm，分布鋼筋為Ф12@250mm，鋼筋及混凝土抗壓強(qiáng)度滿足要求。

3.1 拱形鋼圍堰受力計(jì)算

拱圈最大軸向壓力為：N1=（52-43）×1×4.9÷2=22.05t。

鋼圍堰排水體積V=πr2h/2=3.14×2.45×2.45×9÷2=84.82m3。

產(chǎn)生浮力F浮=ρV=84.82×1.0=84.82t。

經(jīng)計(jì)算喇叭口箱體混凝土重G重=124t，箱體所受的浮力F浮=70.71t,拱形鋼圍堰重量G鋼=7.268t，為防止箱體上浮，需混凝土預(yù)制塊配重。

混凝土塊配重：G配=84.82+70.71-7.268-124=24.26t。

混凝土預(yù)制塊擬采用1.5m×1.5m×1m尺寸，水中單重3.15t，配置10塊。

混凝土預(yù)制塊重量：G重=3.15×10=31.5t＞24.26t，能夠保證混凝土箱體不上浮。

選用I16工字鋼作為拱圈，截面積為26.1cm2,可承載壓力F壓=26.1cm2×1.7t/cm2=44.37t。

安全系數(shù)K=44.37÷22.05=2.01。

拱形鋼圍堰面板采用8mm厚鋼板。

翼緣板與閘室混凝土結(jié)構(gòu)接觸部位焊接[20槽鋼，槽鋼內(nèi)安裝P型橡膠止水。其中兩側(cè)槽鋼里側(cè)支腿進(jìn)行切割2cm，焊接2cm厚、3cm寬鋼板，鋼板支撐在混凝土上。

兩側(cè)與混凝土接觸面積為：3×900×2=5400cm2。

原混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為200#混凝土，混凝土抗壓強(qiáng)度為0.2t/cm2,則總承受抗壓力為5400×0.2=1080t。

因此通過(guò)設(shè)計(jì)成槽鋼支腿切割焊接成鋼板后足夠承受壓力，且P型止水不會(huì)受壓撕裂混凝土也不會(huì)被破壞，滿足要求。

3.2 喇叭口頂板壓重后受力計(jì)算

喇叭口頂板擬放置鋼拱形圍堰及配重塊，混凝土預(yù)制塊擬采用1.5m×1.5m×1m尺寸，水中單重3.15t，配置10塊。其中作用在頂板混凝土預(yù)制塊重量：G重=3.15×6=18.9t，單位面積最大重量為6.3÷（1.5×1.5）=2.8t/m2,取單寬1m，最大線性荷載為2.8t/m,頂板最大跨度為6m。

混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度的極限彎矩Ml=1.05γRl×bh2/6

式中：

γ—受拉區(qū)混凝土的塑性系數(shù)，取1.54；

Rl—混凝土抗拉強(qiáng)度，200#混凝土取13kg/cm2；

b—混凝土板梁寬度，取單寬0.75m；

h—混凝土板梁厚度，取1m。

計(jì)算得出混凝土抗拉極限彎矩：Ml=1.05×1.54×0.013×0.75×100×100/6=26.28t.m＞8.4t.m，故喇叭口頂板壓重后能夠滿足要求。

3.3 鋼圍堰P型止水壓縮試驗(yàn)

考慮混凝土接觸結(jié)構(gòu)不平整度，P型止水可壓縮2cm，經(jīng)過(guò)對(duì)P型止水進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，施加10.62t壓力即可壓縮2cm，根據(jù)受力計(jì)算，鋼圍堰拱圈最大軸向壓力為22.05t，壓力超過(guò)10.62t后，工字鋼、槽鋼進(jìn)行支撐受力。

4.閘門封堵

泄洪洞進(jìn)口現(xiàn)有場(chǎng)地限制，利用浮船作為平臺(tái)進(jìn)行吊裝操作，利用浮船卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，人工配合卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)封堵鋼圍堰進(jìn)行吊裝封堵。鋼圍堰采用兩個(gè)吊點(diǎn)同時(shí)吊裝，沿洞口混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)緩慢放下，潛水員在水下配合，將鋼圍堰放入到貼合混凝土結(jié)構(gòu)部位，再將鋼圍堰就位找正，保證圍堰位置準(zhǔn)確，滿足封堵要求。

鋼圍堰安裝完畢后，潛水員檢查鋼圍堰是否準(zhǔn)確就位，查看鋼圍堰有無(wú)變形和碰損等情況，打開(kāi)進(jìn)口事故檢修閘門，再打開(kāi)工作門，第一次開(kāi)度不大于10cm，觀察進(jìn)水塔閘門井水位變化情況，若變化極慢，可適當(dāng)加大出口閘門開(kāi)度，待洞內(nèi)水放空后，初步判定封堵鋼圍堰漏水情況，局部漏水部位由潛水員用棉被進(jìn)行水下漏水處理，封堵完成后觀察兩天，滿足要求后即可進(jìn)行洞內(nèi)施工作業(yè)。

5.結(jié)語(yǔ)

泄洪洞封堵后工程施工持續(xù)約5個(gè)月，水庫(kù)水位保持在50.00m以下，鋼圍堰封堵效果良好，保障了工程順利進(jìn)行。組合式鋼圍堰封堵技術(shù)從鋼圍堰設(shè)計(jì)、專家評(píng)審、鋼圍堰制作與安裝，都進(jìn)行了不斷優(yōu)化與完善，使得此次封堵技術(shù)能夠?yàn)轭愃瞥U(xiǎn)加固工程實(shí)施提供技術(shù)支持。