高速动水环境下隧洞封堵工艺的研究

摘要：华电云南鲁地拉电站生态洞位于90m深的水下，该电站在蓄水期间，由于上游来水量较大，蓄水时间缩短，生态洞因来不及封堵造成上游原低水头闸门出现承压破损，在洞内形成35m/s的流速，巨大的压差和高速水流在大坝上游100m范围水域形成了紊乱的流场合漩涡，坝前50m范围内形成了巨大的吸力。为了减少大坝上游库区的库容损失和发电损失，需要及时对生态洞进行有效封堵，但由于采用常规的石笼抛投封堵会在上述水流条件下形成巨大的冲击破坏而影响大坝的运行安全，必须寻求更为妥贴的封堵方法来解决这一问题。在高速动水条件下的通道封堵作业目前在国内外尚无成功先例和经验数据可供借鉴，通过本文对目前的工况条件和几种封堵方法进行分析和研究，推出成功机率较高的“U”型围堰隔离封堵方法。

关键词：大水深、高流速、导洞封堵、工艺及方法研究

Abstract: huadian lu pulling power station in yunnan ecological hole located in the 90 m deep water, the plant during the period of storage, due to large upstream inflow, water storage time, due to too late to block the upstream the original ecological hole gate appears low head pressure on the damaged, 35 m/s within the hole forming velocity, large pressure difference and high speed water flow in the dam 100 m of water has formed the disorder of vortex flow situations, within the scope of the 50 m in the front of the dam formed a huge attraction. To reduce the number of the upstream reservoir capacity loss and power loss, need timely to effectively block of ecological hole, but as a result of the conventional stone cage and toss to block in the flow condition will have a huge impact damage and affect the operation of the dam safety, must seek a more appropriate sealing method to solve this problem. Moving at high speed under the condition of the water channel plugging operation at present there is no precedent and successful experience at home and abroad data, can be used for reference in this article on the current conditions and several sealing method carries on the analysis and research, to launch a successful \"U\" type of cofferdam isolation block probability method.

Keywords: large depth, high velocity, pilot tunnel block, process and method of research

中图分类号： TU991.05 文献标识码：A

1、研究对象的建立

华电云南鲁地拉电站建于云南省大理白族自治州宾川县与丽江市永胜县交界的鲁地拉段的金沙江上，大坝总高108m（1120m-1228m），靠近左岸设有一个生态放水洞（B*H=6*8.5m）和两个排砂底孔（孔底高程1155m），其中生态洞位于排砂底孔的下部，洞口底板高程1130m，距离水面90m深。该电站经过几年的建设，具备了蓄水条件，但由于在蓄水期间上游来水量较大，蓄水时间缩短，生态洞因来不及封堵，造成洞上游原低水头闸门出现承压破损，在洞内形成1350M3/S流量、35m/s流速的高速水流，巨大的压差和高速水流在大坝上游100m范围水域形成了紊乱的流场和巨大的吸力。

为了减少库容损失，充分利用水资源提高发电效率，降低放空修复期的发电损失和对下游的影响，需要及时对生态洞进行有效封堵，但由于采用常规的石笼抛投封堵会在上述水流条件下形成巨大的冲击破坏和影响大坝的运行安全，必须寻求更为妥贴的封堵方法来解决这一问题。

高速动水状态下的隧道洞口整体封堵在国内外尚没有先例可以参照，由于有高压（水深大于80m）、高速水流（大于35m/s）形成的负压吸附力和水流的冲击力作用，在不可视的情况下进行安装或抛投回填，其危险程度、施工难度及其控制方法都属于世界级难题，为此，在没有成功先例的情况下，必须事先对可能遇到的各种情况进行分析，研究确定最终的安装方案和工艺，确保在安装过程中，不会对洞口混凝土结构和大坝迎水面造成大面积破坏，同时保证安装作业的安全，并便于后期的处理（永久封堵或者临时封堵并处理完后拆除），对于采用什么样的结构体进行封堵，国内筑坝及水电行业的专家大都没有遇到过这种条件下的封堵项目，短期也没有得出更好的封堵施工方法。因此，我们根据长期在西南水电站从事带流速水下检测所积累的经验，推荐中空透体格构闸门封堵和围堰隔断封堵等几种方法。但由于没有可以借鉴的成功经验，外加现场水域流畅复杂、流速较快，几种方法实施的可行性还有待研究和商搓。

2、生态洞封堵所需解决的问题

根据现有的已知条件分析，洞口封堵体的设计需要考虑下面的几个方面问题：

①采用何种方式？能否有效封堵？是永久封堵还是临时封堵？有什么具体要求？

②一次封堵到位是否会出现很严重的撞击？如何避免？是否可以采用分次断流的方法进行封堵，采取逐渐减少过流量的方法，使封堵体在吸力或压力的作用下紧贴洞口，直至最终封闭？

③如果采用分次封闭，封堵后怎么样才能够将洞口的圆弧形喇叭口全面覆盖，并形成一个平整的基面，便于后续的断流，需要采用什么方法？

④采用抛投的封堵方法时，堵塞体的安装方法采用什么样的设备进行吊装？封堵体结构重量应该控制在多少？（球形堵塞体的整个结构重量可能会达到180t以上，还需要设计部门根据过流面流态和抗冲击力进行计算后确定最终的结构形式和整体重量,需要考虑水上浮吊进行吊装时，吊装船舶设备怎么布置？怎么定位和控制？ ）

⑤能否考虑相对静态的封堵方案，实行“U”型闸门封闭下闸隔离形式进行封堵？

⑥目前，由于缺乏相关的参数（水流速度、流量、洞口吸力或冲击力等），很多后期的计算工作还需要相关的设计单位在完成现场勘测后配合完成。

3、封堵方法进行分析

3.1、几种封堵方案介绍

方案一：主要是利用球体封堵时与上游坝面接触面小，不容易被吸定在某一个位置，能很容易被吸入洞内，是应该比较理想的封堵物。采用此法进行封堵时，有两种形式，一种是大球体方案，但其阻水面积大，在有高速水流作用和吸附力的情况下，在安装过程中容易形成很大的加速度，极易对洞口或残留洞内的闸门框架造成冲击破坏，因此，采用大球体封堵物封堵时，拟采用由一定过流断面的透水体结构，由于各个方向都要透水，这对制作有很大的难度。透水体的作用主要是利用高速水流能够大量通过封堵物，以减小封堵物进洞后的冲击破坏作用。

由于球体的切面不能很好地对周边的四角进行封堵，会形成4 个小的过水面，这个过水面可以通过采用作过调整结构体系后形成主体强度较高的骨架的方式，在球体被吸入洞内时，顶部的弱结构体被水压作用压垮并紧贴四角处，弱骨架主要处理方法是在节点焊接处，在焊接点脱开后，依靠其他的柔性连接形式使结构体附着在过水面形成网格状封堵。

另一种是小球体方案，见图2，即采用小球体进行封堵，采用该方案时，是基于闸门的框架结构完好的情况下，且门槽结构也没有被破坏时，利用大量的小球体被吸附后对闸门框间隙进行填充封堵，为了达到有效的封堵，小球体的截面必须大于闸门框间距，但又要防止封堵物体积过大形成太大的冲击力，因此，小球体选择的截面尺寸应介于闸门框架空隙和1/20洞口截面积之间。由于球体封堵后，因相互接触时，即使紧密排列，还是会留有很多间隙和渗漏，为了尽可能填充这些间隙，需要再次填充小球体封堵物，这样，可以尽可能缩小过流量。采用小球体封堵时，球体可以采用全断面止水结构，外包轮胎进行接触缓冲消减冲击力。

方案二：是采用永久性封堵门体结构（见图3），该方案首先要将洞口圆弧段补平并缩小洞口过水面积，使进口截面与生态洞断面尺寸一致，形成如上图一样的带锥形堵塞体，与洞口弧形面接触采用5cm厚橡胶板进行复合，形成缓冲接触面。同时，在过流面内布置格状结构体，

并保证有足够的强度，保证后续封闭时，足够承受拍门的打击力（拍门采用钢板和型钢制作而成，和门体接触面采用厚橡胶止水进行黏贴，以缓冲下翻对门体的拍击力）。如果不采用拍门封闭，也可以使用其他规则抛投体进行定向钟摆式抛投，依靠洞口的自身吸力进行整齐排列，封堵住大量的水体，只要抛投量足够，最终在渗流量降低到适当值并分散后，化成很多渗径很长的若干个小渗点，再采用防渗膜等闭气物对封堵物进行覆盖阻水，达到最终封水的目的。在进行堵体闸门安装时，为了有效控制闸门的运动方向，可以在闸门背水面锥体尾部设置的60-80m的导向进行牵引进入隧洞内，拖动封堵体往洞口方向移动。浮体下水位置在大坝上游100m左右位置沉放，到80m深度时，水上平台向大坝方向靠近，外侧依靠平台的锚泊装置进行控制移动速度（安装流程参照图7）。

该一次性永久性封堵门采用钢结构进行加工，为了减少水下重量，降低水面起吊重量和水面配合设备（大浮吊）的投入，封堵门可以制成一定容积的浮体结构，并使该部分处于门体的上部，使门体在沉放过成中，始终保持重心在下。水面只需要20t左右的简易浮雕即可满足安装时的需要（或者利用水上平台布置卷扬设备即可）。由于封堵门采用钢板格构形式的主体，材料用量较少，强度也足够满足封堵需要。由于门体中间为透水体，阻水面积很小，因此，中间透水体除可以起到导流罩定向引导作用外，还可以增加整体结构的强度，减少水流对门体的冲击作用，降低门体安装时对洞口混凝土结构造成的冲击破坏。

方案三：是采用围堰的方法对生态洞进行围挡隔离，使生态洞处于相对静止的低水头环境下，然后进行封堵混凝土的浇注（见图5、图6）。但由于围堰封闭必须借助库区底部较为平整的基础方可一次封闭，否则，由于围堰底部的高差存在，一旦堰体闸门沉放到底后，由于高低差基面出现渗漏形成高速冲刷，会加剧底部基面的变化，加剧渗漏面积的扩大，因此，在采用该方案时，围堰沉放到底后，首先要先检查围堰的顶高程，复核围堰底部到达的位置，并利用水面作业平台对围堰外侧进行块石及沙袋的抛填，在围堰内积水减小到相对稳定的情况下，再对围堰内进行混凝土封底，混凝土浇筑至生态洞底板高程后，停止浇注，并安排人员对洞内闸门骨架进行检查和立模封堵，借助门槽或闸门框架固定模板，然后继续对围堰内进行浇注，直至到达排沙底孔的洞口下沿。

由于堰体闸门是腹壁结构，属于中空钢格构，在安装过程中，其浮力大于其自身重量，因此，为了增加围堰体自身重量，同时提高排沙孔以下堰体的自身强度，以克服堰体自身结构在下沉过程中经过高流速区段时的变形，顺利下达到库底，下部30m高度的腹壁内分次填充混凝土，形成钢构混凝土增加期自身强度。

围堰体结构由型钢骨架和面板与型钢焊接成一个封闭的腹壁构架。主骨架呈水平布置，采用32或35号工钢拉弯，轴线间距60cm，竖向主骨架采用32号工钢与水平环形骨架焊接，内外骨架采用20#槽钢相连和焊接加固，骨架间的斜向支撑等构架件全部采用焊接的方式进行连接。

为了便于安装期间进行吊装，堰体闸门的加工共分成20节，每节的高度控制在4m以内，单节重量140t左右。由于堰体闸门结构在下沉过程中，会遭遇生态洞渗漏形成的吸力而产生的巨大摩擦阻力，闸门两端与上游坝面接触部位均设置滚轮，利用滚动时的点接触减少下沉的摩擦阻力，确保能够顺利沉放到设计深度。

3.2、方案的比对与选择

通过上述方案的介绍和分析，我们发现：第一种封堵方法的危险系数最高，所需投入的材料、装备和工期最长，效果也最不理想；第二种封堵方法在门体安装时，易受生态洞渗漏形成的水环境影响，门体的体积较大，在水下易形成很高的加速度和冲击力，减缓运动速度的方式方法受水下地形变化影响较大，万一所布设的地锚被卡，门体会成为可怕的危险物，随时都可能出现锚缆断裂的冲击事故，可控性无法掌握，且与第一种方案的安装方式一样，均属于动态的安装方法。第三种方案进行实施时，是采用的相对静态的方法，利用堰体闸门和上游坝面的滚动接触，垂直下沉到设计位置，采用非横向移动安装的方法，也无需考虑高速水流的带动队大坝形成的冲击和生态洞的吸力影响，与上两种方法相比，对大坝的安全影响最小。

通过上述比较，在目前这种快速水流区域进行生态洞的封堵采用第三种封堵方法较为理想，但采用该方法和工艺进行封堵作业时，还需要解决以下几个方面的问题：

坝前库底的地形情况；围堰的底部接触部位的平整度及起伏状态；

坝前的水流状态及流场变化情况检测；

大坝上游立面平整度情况；

生态洞区域大坝上游面的截面尺寸；

堰体闸门到达底部后，地形起伏可能会出现的渗漏流态、破坏程度的事前分析；

堰体闸门与上游坝面接触部位的密封；

堰体闸门下沉时下滑阻力的消减；洞口吸力影响的消除方法；

围堰闸门沉放结束后，底面与基岩接触部位的封堵及止水方法；效果检查方法；

堰体闸门内的封底混凝土浇筑方式、方法的选择和施工；

堰体闸门的结构形式及分段加工的重量控制，吊装设备的能力及布置关系；

坝顶设置大型起重设备的可行性分析及设备装置的布置；

针对上述问题，我公司工程技术部门结合同类型的高速水流条件下导流洞门槽采用探测门技术进行水下检查施工的经验及堵漏作业的工作经验，以及大型钢结构水上吊装、安装组拼的施工经验，分别采取以下措施以解决上述困难：

①采用水下流场监测设备和多波束浅地层扫描方式，对大坝上游进行水下流场、流态、地形地貌的测量，为后续的堰体闸门或其他封堵方案设计提供依据；

②搜集相关的施工期间保留的图纸、图片资料，来发现和找出影响方案实施的部位和位置、尺寸，为封堵体设计提供参数；

③在堰体闸门最后一次下沉前，针对水下勘测的地形变化情况，在堰体的外侧布置或安装好带滑道的止水簖，在堰体闸门下沉到底后，根据堰体内部观测到的渗漏部位，将对应部位的止水簖下放到地，同时，外侧抛投一定数量的块石，使止水效果迅速见效；

④采用侧面竖向止水结构对与上游坝面接触部位进行止水，同时，在接触面布置一定数量的滚轮，将滑动摩擦转化成滚动摩擦，减少水压或生态洞的吸力对闸门下沉的影响，加快堰体闸门穿过生态洞口的下沉速度；

⑤采用预布管的方式，在进行堰体结构加工组装时，将导管布置到位，一旦具备浇筑条件，即可立即组织浇注施工。

⑥根据现场条件，采用第三套方案进行封堵时，大量的金结加工均布置到现场进行，节省专业工厂加工路途运输的时间，现场坝面及大坝左首场地宽阔，完全可以利用作为加工和预组装场地，这对加快施工进度有了很好的保证。

4、封堵方案的实施

根据围堰体结构的布置形式和构架计算，当整个围堰体按照97m高度计算，总重量为3104.73t，每米高度的重量约为30t，但因其腹壁结构空间产生的浮力大于相对应的围堰的下沉重量（F75.36t>G32t），因此，接高过程中，必须及时对围堰体的腹壁空腔进行注水或浇注混凝土，使围堰在接高过程中能够顺利下沉。当围堰接高到一定高度后，必须对空腔内进行混凝土的回填，生态洞顶部均属于日后的封堵范围，封堵混凝土的浇注采用预设的浇筑导管进行。我们假设腔壁内的回填混凝土高度为22m时，则整个回填段的总体重量为G=22*75.36*1.5+22*（32/7.85*6.85）=3134.2t（水下重量），按照每米浮力75.36t计算，围堰将需下沉41.59m，超出22m范围的围堰体的重量为19.59*27.92=546.95t，仍然需要近10m的富余高度，这样，接高期间的整体高度达52m，未浇注混凝土前，其自身总重量为1664t，吃水深度22m，按照库水位1212.1m、坝顶高程1228m时，接高围堰的顶部超出坝顶约15m，操作相对比较困难和危险，因此，在进行围堰体的加工拼装期间，应采取短接短加载的方法进行下沉，正常在堰体接高到10m左右时，即可对空腔进行第一次回填，以后每接高5m进行一次，直至混凝土回填的高度达到22m为止，以后继续接高，为避免浮力增加而下沉减少，舱内实行回灌水压载，控制围堰体顶部高程在坝顶附近。具体的实施流程和工艺见图7。

5、结语

由于在大水深、高流速状态下的的渗漏封堵是属于国内高难项目，目前国内外均没有先例可查，将很多流体学方面的知识与工程实际有机的结合，才能解决问题的根本。由于在具体项目上进行没有先例的施工，危险性很大，且还有很多的不确定因素，因此，最稳妥的方法就是：先将现场的各项参数进行集中，借助电脑进行计算机仿真模拟堵塞体与洞口接触的过程，通过高仿真度的模拟获得相关的技术参数，效验各种方案的可行程度，则会比较直观的了解封堵体在水下运动的过程，及时发现可能会影响封堵的工况环境，以便制定相应的对策，最终消除可能出现的危险。但目前这种模拟仿真受到诸多因素的影响，尚不具备真实的模拟条件，因此，只能考虑保险系数较高的围堰封堵方式，但这也需要有丰富的水下工程施工经验的单位进行实施，

参考文献：

鲁地拉电站水工结构设计资料——生态洞结构图纸；

鲁地拉电站大坝施工图片资料——上游坝面蓄水前拍摄资料；

江苏神龙海洋工程有限公司探测门技术）——小湾、功果桥、鲁地拉电站导流洞封堵施工方案；

鲁地拉电站库区坝前流场、流态测量资料及水下地形地貌测量资料；

鲁地拉电站生态洞封堵施工方案。