淺談水庫輸水洞攔污柵水下更換作業(yè)要點

董至辰

（陜西石頭河水利產(chǎn)業(yè)（集團）有限責(zé)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(guān)上游1.5 km處,是具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水和水產(chǎn)養(yǎng)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(shè)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(jù)2013年～2015年水庫除險加固樞紐金屬結(jié)構(gòu)攔污柵水下檢查資料顯示,攔污柵銹蝕嚴(yán)重,且原攔污柵底部位于高程732 m門槽內(nèi),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(chǎn),故將舊攔污柵進行拆除,并安裝新攔污柵。

3 作業(yè)面臨的問題

施工作業(yè)面臨的問題：①施工作業(yè)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(yè)水深約50 m,才能保證水下作業(yè)人員的人身安全,而石頭河水庫承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉、渭河生態(tài)流量下泄和寶雞、楊凌、咸陽、西安等地區(qū)的城市供水等任務(wù)。施工期間生態(tài)流量、城市供水與農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)灌溉的前提下滿足作業(yè)要求

施工期間輸水洞停止運行,而城市供水是城市建設(shè)的基礎(chǔ),保證城市供水就是保證穩(wěn)定的城市經(jīng)濟發(fā)展和人民的生活,因此事關(guān)民生的城市供水與農(nóng)業(yè)灌溉絕不能因施工而停止。結(jié)合往年同期城市供水與農(nóng)業(yè)灌溉用水量與渠道利用系數(shù)計算渠首流量,經(jīng)計算所需出庫為最少6 m3/s（其中城市供水與農(nóng)業(yè)灌溉所需出庫大約為5 m3/s,渭河生態(tài)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(guān)系曲線”并使用“線性內(nèi)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(jù)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(jīng)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(shè)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(chǎn)生故障及實際用水量較計算用水量大供水無法滿足的現(xiàn)象發(fā)生,保證供水的不間斷性。

4.2 浮式吊裝平臺的穩(wěn)定性

查閱原攔污柵相關(guān)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(shù)見表1。

表1 原攔污柵參數(shù)表

新攔污柵高13.2 m,自重大約18 t,分為4節(jié),每節(jié)高3.3 m,每節(jié)重4.5 t。通體采用316不銹鋼制作。新攔污柵參數(shù)見表2。

表2 新攔污柵參數(shù)表

4.2.1 傾覆計算

考慮到吊裝攔污柵時會產(chǎn)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(shè)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(shè)備重6000 kg,設(shè)計起重能力20000 kg。當(dāng)按照設(shè)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(chǎn)生的大偏心荷載。壓載艙水量隨著吊裝重量的不同隨時調(diào)整,且在浮臺四角加設(shè)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(yè)浮臺處于靜水區(qū),沒有水流的影響。當(dāng)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(tǒng)及潛水系統(tǒng)自重約6000 kg,設(shè)計起重能力為20000 kg。根據(jù)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(jīng)過計算當(dāng)浮臺完全淹沒時F浮=660 kN,將單片攔污柵最大重量經(jīng)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(jīng)計算當(dāng)?shù)跹b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(jīng)過水下檢查和清理之后,潛水員在高程758 m導(dǎo)向輪支架上,鉆孔、植筋安裝新導(dǎo)向輪,使其滿足單鋼絲繩起吊攔污柵（見圖2）。導(dǎo)向輪安裝完成后,潛水員攜帶鋼絲繩通過高程758 m處的導(dǎo)向輪,改變拉力方向,然后將鋼絲繩固定在攔污柵兩側(cè),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(shè)備將攔污柵連接處進行切割,完成切割后潛水員到達(dá)安全區(qū)域后操縱卷揚機起吊,并觀察吊臂上安裝的吊秤數(shù)據(jù),避免超出設(shè)計荷載。當(dāng)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(chǎn)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(dāng)鋼絲繩上升0.5 m后,攔污柵無位移現(xiàn)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(jié)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(cè)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(jié),每節(jié)高3.3 m,每節(jié)重4.5 t,采用分段施工,分片安裝至柵槽內(nèi),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(qū)域。

在使用施工平臺的起重設(shè)備進行吊裝時,當(dāng)起重設(shè)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(cè),通過水下通訊設(shè)備指揮起重機進行攔污柵傾斜角度調(diào)整,使攔污柵到達(dá)柵槽底部。在柵槽兩側(cè)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(jié)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(rèn)攔污柵是否位于攔污柵底板位置。

5 結(jié)語

目前我國已長期運行多年的水庫不在少數(shù),水下結(jié)構(gòu)的維修保養(yǎng)問題是困擾我們已久的問題。水下施工存在著各種不可預(yù)見性,面對施工中出現(xiàn)的技術(shù)方面問題,我們可以人為改變施工方案,威脅到作業(yè)人員生命安全的一些可能出現(xiàn)的現(xiàn)象我們也可以做好應(yīng)對方案。但水庫承擔(dān)著農(nóng)業(yè)灌溉與城市供水的任務(wù),水庫水下結(jié)構(gòu)的維修保養(yǎng)為了作業(yè)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(nóng)業(yè)、保民生的理念產(chǎn)生沖突。如何化解這種沖突是我們應(yīng)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。