高速水流工況下導流洞門槽水下探摸技術研究

任良龍，周竟平，王亞芬

(北大荒農業股份有限公司慶豐分公司，黑龍江慶豐 158421)

雙峰水庫工程位于農墾牡丹江管理局海林農場，樞紐工程等級為中級(Ⅲ)型工程。

1 雙峰水庫導流工程簡介

雙峰水庫采用圍堰一次斷流、右岸兩條導流洞泄流的全年導流方式，每條導流隧洞進口用中墩分隔成兩個孔口。導流時段分為初期、中期、后期3個階段:

1)初期導流時段上、下游圍堰全年擋水，導流洞聯合泄流。

2)中期導流時段壩體臨時斷面擋水，導流洞聯合泄流。

3)后期導流時段壩體擋水，導流洞擬在牡丹江管理局年11月上旬下閘，下閘后由左、右岸沖沙底孔泄流。牡丹江管理局年6月，水庫永久泄水建筑物投入運行，水庫達到防洪設計標準。

2 導流洞下閘前門槽水下探摸的意義

雙峰水庫導流洞于牡丹江管理局年10月開始過流;到下閘封堵時最長過流時間6個月，且上游游河段江水含沙量較大，導流洞門槽在泄流過程中經長期高速水流和泥沙的沖刷，門槽水下部分、底檻有可能沖蝕和破壞，為后續下閘封堵帶來很大風險。

為降低下閘風險，在下閘前探摸門槽水下部分的沖蝕情況是相對必要的，下閘后針對門槽的沖蝕情況實施緊急堵漏，為下閘后搶險堵漏提供可靠依據。

3 主汛期高速水流工況下導流洞門槽水下探摸技術研究

3.1 探摸時段的確定

在工期合理的情況下，導流洞門槽水下探摸宜在河道最枯季節進行，此時流量小，流速慢，探摸難度相對較小，探摸設備的設計相對簡單。

由于雙峰水庫核準較晚，工程核準后即具備發電條件，為確保牡丹江管理局重點工程項目建設，水庫必須確保牡丹江管理局年底投產蓄水。根據整個水庫的建設工期，導流洞需在10月初下閘封堵，導致導流洞門槽水下探摸工作必須在5月份前完成，此時雙峰水庫壩址已進入全年主汛期，江水流量大、流速高，水下探摸工作難度很大。

3.2 試探門結構設計

試探門的設計需根據試探時導流洞進口的水位、流速、流量以及試探時的起吊設備進行綜合考慮，且能夠在高速水流工況下準確探摸門槽水下部分的沖蝕和破壞情況，并對探摸的實際數據進行自動記錄。

根據設計資料，9月份雙峰水庫壩址多年平均月流量為150 m3/s，按10 a一遇標準，導流洞過水最大截面達到3×6 m，導流洞進口處于全淹沒狀態，過流速度達到8.964 m/s。

在高速水流工況下，試探門需利用自重進入水下工作，試探門的擋水面積越大，試探門與門槽的摩擦了越大，整體結構受力越大，試探門的結構強度及吊裝設備要求更高，相應風險也較大。

通過綜合考慮導流洞進口過流參數、試探門的自重及調運設備，試探門主梁為板式結構，橫梁由兩根組合工字鋼組成，兩橫梁之間采用角鋼連接，梁體翼緣板進行梅花型開孔，盡量減小試探門的擋水面積。試探門結構示意圖見圖1。

圖1 試探門結構

3.3 試探門受力分析及支承型式選取

在高速水流工況下，試探門在門槽內受力極為復雜，相對試探門的強度設計，需主要計算高速水流作用于試探門的力傳遞至門槽后，在門槽滑動支承作用下，試探門的變形以及與門槽之間的摩擦阻力。在保證試探門強度可靠的前提下，試探門的自重能夠克服其與門槽之間的阻力，使試探門能夠在自重作用下穩定運行。

高速水流作用于試探門的合力(KN/m2)。

式中:K為系數，取1.5(按平面計取);Y為水的重力密度，10kN/m3;v為流速，v=8.964m/s(4780m3/s流量下，導流洞進口最大流速);計算得，F=61.5KN/m2。

試探門的總迎水面積為11.9 m2，水流作用于試探門的合力為ΣF=11.9×F=732 KN。

如采用滑道支承結構，計算得門槽滑道對試探門的摩擦阻力為:

式中:u為摩擦系數，根據銅滑塊材質取0.19。

試探門的設計自重為16 t，考慮高速水流工況下試探門受力的復雜性，采用滑道支承結構進行試探門的運行并不可靠，可能導致試探門難以下放至底檻或阻力過大難以提出水面。解決的方法有2種:①增加配重;②改變支承型式。

如增加配重，則要配備容量更大的啟閉設備，造價較高，通過兩種方案對比，試探門采用滾輪支承結構更安全，技術更可靠，且能有效防止試探門對門槽支承滑道的破壞。

在試探門背水面增加4個滾輪，滾輪安裝在兩側邊梁上，對稱布置，輪緣采用拋光處理，滾輪軸承采用推力軸承，大大減小試探門與門槽主軌的摩擦阻力。

3.4 探針設計

探針采用自伸縮、自鎖定結構，探頭自由狀態下由探筒內彈簧頂起，受壓后縮入探筒，并自動鎖定，從而能夠自動記錄被探部位的相對情況。

通過分析門槽水下部分可能被沖刷破壞部位，在試探門的相應位置安裝探針，試探門底部探針按梅花型安裝，探針縱橫間距500 mm，共安裝56組探針，組成探針群組，能夠覆蓋整個門槽底檻，探針探頭低于試探門底緣500 mm，探頭受到擠壓后，縮入探筒，記錄門槽底檻部位沖蝕破壞及變形情況。

在試探門主梁、邊梁上分別安裝8組探針，記錄門槽主軌、側軌以及門楣的破壞及變形情況。

4 水下探摸技術的實際運用

通過研究及設計準備，該技術首先在雙峰水庫導流洞實施運用。分別于2005年7月11日、15日完成導流洞門槽水下探摸工作。試槽探摸時，導流洞最大過流量110 m3/s，流速2.5 m/s。

試探門采用導流洞閘門的固定式啟閉機完成啟閉工作，啟閉機容量為3 600 KN，雙吊點，為保證啟閉機同步，采用同步軸將1臺啟閉的機減速機進行連接。

試槽時，在試探門頂部左、右兩側邊梁腹板的中心各固定一把50 m鋼卷尺，鋼卷尺的“零”刻度與閘門腹板上邊緣對齊，鋼卷尺必須固定牢靠，不得有任何竄動。測量用鋼卷尺需進行校核，保證兩把鋼卷尺的測量精度相同。

由于在高流速工況下，試探門在水下工作時間越長，則風險越大。為盡量減小試探門在水下的工作時間，試探門下閘后需快速判斷試探門是否到底，并完成探針的水下探摸記錄工作，下門前應提前根據底檻的高程、試探門的實際高度、測量基準的高程，計算閘門下到底時鋼卷尺的最終刻度，然后在此刻度上進行醒目標識。閘門下到底時鋼卷尺的最終刻度應為:

鋼卷尺刻度(L)=測量基準高程(H 1)—底檻高程(H 2)—閘門實際高度(H 3)

通過大量的前期準備工作，雙峰水庫導流洞門槽水下探摸工作進行相當順利，每個門槽實施探摸時均在30 min內完成，并基本探明水下底檻、門槽的沖蝕、破壞情況。

5 水下探摸成果分析

試探門提出水面后，對探針記錄的信息進行分析記錄，繪制探頭群組三維圖，從而判斷經過長期高速水流沖刷下，門槽底檻及軌道的變形情況。

通過對布置在試探門底部探頭群組分析，雙峰水庫導流洞門槽鋼結構底檻完整，并未造成破壞，但底檻前沿的二期混凝土存在不同程度的沖蝕破壞，主要集中在門槽中間部位，其中2#導流洞左孔最為嚴重，最大的沖蝕深度達到235 mm，寬度2.3 m，其它孔口的沖蝕深度為40～120 mm。從底檻前沿沖蝕深度分析，導流洞左孔鋼結構底檻底部存在掏空可能，為后續下閘堵漏的重點(下門后的堵漏技術將另文說明)。

通過對布置在試探門邊梁、主梁上探頭群組分析，試探門在門槽內運行時門槽主軌踏面及布置在主軌上的水封座板完整，并未變形和破壞;門槽反軌完整，無變形，門槽主軌至反軌間的相對距離滿足設計要求，滿足封堵閘門下面條件。

［1］房正杰.灣水電站節流施工規劃及實施［J］.云南水力發電，1993(2):12.

［2］宋惠芳.恒定有壓擴散流局部非穩定流動研究［J］.水資源與水工程學報，2007(5):33.