淺談水庫輸水洞攔污柵水下更換作業要點

董至辰

（陜西石頭河水利產業（集團）有限責任公司,陜西 咸陽 712000）

1 工程概況

石頭河水庫位于岐山、眉縣、太白縣三縣交界處的斜峪關上游1.5 km處,是具有防洪、灌溉、發電、供水和水產養殖的大（Ⅱ）型水利工程。水庫控制流域面積673 km2,總庫容1.47億m3,有效庫容1.2億m3,死庫容0.05億m3,正常高水位801 m,設計洪水位801 m,校核洪水位802.52 m,保壩洪水位807.65 m,死水位728 m。水庫大壩最大壩高114 m[1]。

2 攔污柵更換原因

根據2013年～2015年水庫除險加固樞紐金屬結構攔污柵水下檢查資料顯示,攔污柵銹蝕嚴重,且原攔污柵底部位于高程732 m門槽內,未放置于攔污柵底坎處。為避免舊攔污柵影響水庫的安全生產,故將舊攔污柵進行拆除,并安裝新攔污柵。

3 作業面臨的問題

施工作業面臨的問題：①施工作業前需要停止輸水洞運行,并要求攔污柵前水流流速小于0.5 m3/s且水位低于772 m即最大作業水深約50 m,才能保證水下作業人員的人身安全,而石頭河水庫承擔著農業灌溉、渭河生態流量下泄和寶雞、楊凌、咸陽、西安等地區的城市供水等任務。施工期間生態流量、城市供水與農業灌溉如何保證是需要考慮的大問題。②施工用浮式平臺（以下簡稱“浮臺”）在吊裝過程中如何避免傾覆與沉沒。③如何吊裝以及吊裝過程中遇到卡滯問題怎么解決。

4 解決方案

4.1 在保證城市供水與農業灌溉的前提下滿足作業要求

施工期間輸水洞停止運行,而城市供水是城市建設的基礎,保證城市供水就是保證穩定的城市經濟發展和人民的生活,因此事關民生的城市供水與農業灌溉絕不能因施工而停止。結合往年同期城市供水與農業灌溉用水量與渠道利用系數計算渠首流量,經計算所需出庫為最少6 m3/s（其中城市供水與農業灌溉所需出庫大約為5 m3/s,渭河生態流量1 m3/s以上）。施工期間所有用水只能從泄洪洞放出,查閱“泄洪洞水位～流量關系曲線”并使用“線性內插法”計算得出在水位760 m時泄洪洞閘門開啟0.06 m時流量為6 m3/s。測量泄洪洞消力池到渠首高差,根據式（1）計算所需水泵軸功率：

式中：P為水泵軸功率,kW；ρ為水的密度,kg/m3；g為重力加速度,N/kg；Q為流量,m3/s；H為水泵揚程,m；η為水泵效率。

經計算選用滿足功率要求的水泵,最終在泄洪洞出口的消力池處架設15臺抽水泵,其中5臺抽水泵作為備用泵輪換使用,以避免水泵長時間不間斷使用產生故障及實際用水量較計算用水量大供水無法滿足的現象發生,保證供水的不間斷性。

4.2 浮式吊裝平臺的穩定性

查閱原攔污柵相關資料,舊攔污柵尺寸為12 m×4 m,自重為20466 kg,共分為6段。原攔污柵參數見表1。

表1 原攔污柵參數表

新攔污柵高13.2 m,自重大約18 t,分為4節,每節高3.3 m,每節重4.5 t。通體采用316不銹鋼制作。新攔污柵參數見表2。

表2 新攔污柵參數表

4.2.1 傾覆計算

考慮到吊裝攔污柵時會產生偏心荷載,容易使浮臺傾斜更有甚者可能傾覆。為了安全起見在浮臺安裝吊臂的對向設置壓載艙使浮臺平衡。浮臺尺寸為8 m×6.5 m×1.25 m（長×寬×高）上部起重及潛水設備重6000 kg,設計起重能力20000 kg。當按照設計起重能力計算時,對向壓載艙的水需要提供26000 kg的重量來抵抗偏心荷載。則需在吊臂對向分隔出26 m3的壓載艙以抵抗吊裝時產生的大偏心荷載。壓載艙水量隨著吊裝重量的不同隨時調整,且在浮臺四角加設卷錨機,施工時將船錨置于庫底以免浮臺在施工過程中移動（見圖1）。

圖1 浮臺示意圖

4.2.2 浮力計算

作業浮臺處于靜水區,沒有水流的影響。當浮臺完全被淹沒時,所受浮力最大,浮臺尺寸為8 m×6.5 m×1.25 m（長×寬×高）,自重約為14000 kg,起重系統及潛水系統自重約6000 kg,設計起重能力為20000 kg。根據式（2）計算浮臺浮力：

式中：F浮為水的浮力,kN；ρ水為水的密度,kg/m3；g為重力加速度,N/kg；V排為物體排開水的體積,m3。

經過計算當浮臺完全淹沒時F浮=660 kN,將單片攔污柵最大重量經過放大后取4000 kg作為所吊裝重物時,上部自重、荷載等總重326 kN。經計算當吊裝重4000 kg時浮臺吃水深度0.62 m,故滿足要求。

4.3 攔污柵吊裝

4.3.1 正常吊裝

經過水下檢查和清理之后,潛水員在高程758 m導向輪支架上,鉆孔、植筋安裝新導向輪,使其滿足單鋼絲繩起吊攔污柵（見圖2）。導向輪安裝完成后,潛水員攜帶鋼絲繩通過高程758 m處的導向輪,改變拉力方向,然后將鋼絲繩固定在攔污柵兩側,然后通過施工平臺上安裝的卷揚機收緊鋼絲繩。鋼絲繩收緊后,潛水員使用水下電氧切割設備將攔污柵連接處進行切割,完成切割后潛水員到達安全區域后操縱卷揚機起吊,并觀察吊臂上安裝的吊秤數據,避免超出設計荷載。當鋼絲繩收回0.5 m后停止起吊,安排潛水員觀察攔污柵是否產生移位,如有移位則說明攔污柵無卡滯。攔污柵起吊至732.73 m輸水洞頂部平臺后,使用浮力氣囊上的手拉葫蘆將攔污柵吊離,通過交通艇將其拖至岸邊,隨后輪式吊車吊離。

圖2 吊裝示意圖

4.3.2 攔污柵卡滯時如何吊裝

當鋼絲繩上升0.5 m后,攔污柵無位移現象,則證明攔污柵存在卡滯。由潛水員采用水下電氧切割工藝將每節攔污柵從中間連接處切割,共分12次起吊。切割前,潛水員用鋼絲繩鎖緊一塊攔污柵,另一塊則用手拉葫蘆進行收緊,避免起吊攔污柵時另一塊攔污柵墜落（見圖3）。在起吊過程中使用水下機器人對攔污柵起吊過程實時觀測,避免另一側攔污柵對起吊造成影響。

圖3 卡滯攔污柵吊裝示意圖

4.3.3 吊裝新攔污柵

新攔污柵總高13.2 m,總重18 t,分為4節,每節高3.3 m,每節重4.5 t,采用分段施工,分片安裝至柵槽內,并使用螺栓連接。使用輪式起重機將新攔污柵放置于水面,利用浮力氣囊和機動船將攔污柵運至施工區域。

在使用施工平臺的起重設備進行吊裝時,當起重設備的鋼絲繩受力后,更換浮力氣囊的鋼絲繩,利用浮力氣囊的浮力,減輕起重平臺的荷載。然后放松鋼絲繩,使攔污柵緩慢降至柵槽處（見圖4）。

圖4 新攔污柵安裝示意圖

隨后兩名潛水員分別位于柵槽兩側,通過水下通訊設備指揮起重機進行攔污柵傾斜角度調整,使攔污柵到達柵槽底部。在柵槽兩側放置工字鋼,將攔污柵固定在門槽處。隨后吊裝另一塊新攔污柵,每節新攔污柵通過螺栓進行連接。依次安裝,直至攔污柵安裝完成。最后潛水員確認攔污柵是否位于攔污柵底板位置。

5 結語

目前我國已長期運行多年的水庫不在少數,水下結構的維修保養問題是困擾我們已久的問題。水下施工存在著各種不可預見性,面對施工中出現的技術方面問題,我們可以人為改變施工方案,威脅到作業人員生命安全的一些可能出現的現象我們也可以做好應對方案。但水庫承擔著農業灌溉與城市供水的任務,水庫水下結構的維修保養為了作業人員的安全及方案的可行性勢必要降低水位,且輸水洞等部位在施工過程中要停止輸水洞運行,這就會與強農業、保民生的理念產生沖突。如何化解這種沖突是我們應該思考的重中之重。本文以石頭河水庫除險加固尾留工程輸水洞攔污柵更換為例,介紹了一些自己的思路,以期能對類似工程起到借鑒作用。