深水圍堰設計思路與施工方法鐘彥祥我局承建的河北張河灣抽水蓄能電站下庫改建工程施工期間不放空水庫，其中泄水底孔底部在施工期水庫水位下16m、沖沙底孔底部在施工期水庫水位下20m。從現場測量和水下攝像資料顯示：混凝土表面凸凹不平，平整度極差，錯臺明顯，有明顯蜂窩麻面；孔口底部有較厚的淤泥存在，孔口頂部平臺高低不齊并有較堅硬的混凝土塊，難以清除。一、設計思路根據實際條件，本圍堰采用：柔性鋼結構加橡膠止水適應表面大變形，裙邊止水加塑性防水材料適應小變形。具體如下：a、圍堰結構：應采用“單向受力柔性結構”以適應混凝土表面的特征，防止因混凝土表面起伏過大而造成圍堰與混凝土表面嚴重脫離；b、止水形式：采用“p型橡膠止水、橡膠裙邊止水內貼柔性防水卷材”方式，以適應混凝土錯臺、凸凹不平及蜂窩麻面等條件。c、固定方式：根據水下實際條件，為較少水下作業的工程量，加快施工進度，同時確保圍堰安全，其固定方式應采用“水上懸掛式加水下臨時定位固定”方式。d、平壓方式：由于現有閘門漏水，為確保圍堰安裝及拆除過程能在安全環境（平水狀態）中進行，應在圍堰范圍內“設置平壓管閥”，在安裝和拆除過程中保持開啟狀態，圍堰使用過程保持關閉。二、圍堰結構形式與計算a、結構形式：主梁主梁次梁面板吊耳沖水管閥主梁次梁沖水管閥主梁次梁面板b、計算方法：1)主梁計算：荷載按簡支梁計算，主梁采用變截面“工”字型斷面（如上圖）；為方便制作和安裝，斷面形式及布置采用等斷面不等間距方式，最大梁高以彎矩控制，最小梁高以剪力控制；初選最大梁高為600mm，根據下列計算確定翼板面積：最大水深為h（m）時，最底部第一根主梁設于h－1（m）處，孔口寬度為b（m），根據下式計算跨中彎矩M中（kg.m）：M中＝（h－1）×1000×b2/8然后根據下式計算翼板面積：Ag＝M中/0.6/1700若選用25mm厚鋼板，則翼板寬度為：Ag/2.5（cm）；計算最小梁高方法如下：首先根據下式計算最大剪力：f＝（h－1）×1000×b/2然后計算抗剪所需的截面面積；f/1700（cm）初步確定腹板厚度為25mm，則最小梁高h，為：（f/1700－2×Ag/2.5）/2.5（cm）舉例如下：當h＝16m，b＝7m時：M中＝81875（kg.m）Ag＝80.3（cm2）翼板寬為32.1（考慮到臨時工程取1.3的安全度則翼板寬取40cm）f＝52500（kg）所需抗剪斷面為31cm2，而翼板面積已大于此，因此按次梁梁高的構造要求選擇梁高即可。上述計算出來的結果是主梁承受水深為EL14.5～EL15.5m處的水壓力情況，即主梁設于水深15.0m處；其他主梁與之間距由上述已知主梁截面反求其承擔水深范圍，將其放在平均水深處即可。舉例如下：由M中＝81875（kg.m）代入M中＝（h－1）×1000×b2/8求（h－1）×1000即均布荷載；然后由（h－1）×1000不變，也就是15000kg/m，當最大水深為EL14.5m最小水深為x時，主梁承擔的水深范圍為H，，其梁承擔的平均水深H計算方法為：H＝（14.5＋x）/215000＝（x＋14.5）×H，×1000/2H，＝14.5－x求解后x＝13.43m，H＝13.97m；即第二根主梁設于水深13.97m處；同樣方法求得：第三根主梁x＝12.26m，H＝12.85m；第四根主梁x＝10.97m，H＝11.62m；第五根主梁x＝9.50m，H＝10.24m；第六根主梁x＝7.76m，H＝8.63m；第七根主梁x＝5.50m，H＝6.63m；（此梁已超過孔口，故取消）通過上述計算得出：此圍堰共設主梁六根，其位置設于距圍堰底部1m，2.03m，3.15m，4.38m，5.76m，7.37m處；以此得知主梁與主梁的間距依次為1.03m，1.12m，1.23m，1.38m，1.61m。2)次梁計算根據主梁間距確定次梁跨度按簡支梁計算，同時本著保證強度減小剛度的原則選擇次梁斷面形式，進而確定間距、梁高。當最大水深在16m時，選擇［16間距75cm可滿足上述要求。當最大水深在20m時，選擇［18間距75cm可滿足上述要求。3)面板計算面板采用厚16mm的鋼板，計算以主梁與次梁邊緣所圍成的四邊形為對象，采用四邊固定條件下進行抗剪驗算及最大變形量計算：a、（最上部）計算面積為：1.21×0.69＝0.8349m2，水壓力為：7370×0.8349＝6153kgb、（最下部）計算面積為：0.63×0.69＝0.4347m2，水壓力為：15000×0.4347＝6520kg選擇最下部為計算對象，受剪面積為：（63＋69）×2×1.6＝422.4cm2，單位面積剪力為；6520/422.4＝15.44kg/cm2，遠小于抗剪能力。面板承受最大彎矩為：15500×0.692/16＝461kg.m面板受單位面積拉力為：461/0.013/0.3×422.4＝84kg/cm2上述結果說明面板受力較小，變形很小。三、圍堰止水設計圍堰止水形式采用：橡膠止水、裙邊止水加塑性防水材料形式，如下圖所示：橡膠裙邊止水“橡膠裙邊止水“p”橡膠止水GB防水材料GB防水材料緊固螺栓緊固螺栓15010mm鋼壓板15010mm鋼壓板16mm面板16mm面板調整楔鐵調整楔鐵300300材料型號及尺寸由項目部考察后確定。四、固定方式采用水上鋼纜固定水下臨時定位方式，如下圖所示：HH起重索固定索輔助索孔口中心線垂直定位尺寸固定索固定點起重索鋼圍堰鋼圍堰S五、安裝及拆除程序1)安裝程序a、準備工作：測量出H、s和孔口中心線及固定索位置，并在現場做出定位線，同時在固定索、起重索上作出標記；水下清除表面局部凸起混凝土，對局部凹陷處進行找平（用止水材料），同時根據圍堰尺寸在合適部位作定位標記，以便圍堰快速就位。b、圍堰運至現場后：對起重人員、測量人員、潛水人員、輔助人員等進行現場技術交底。c、安裝前檢查工作：檢查平水管閥是否處于開啟狀態；再次核實各種標記是否準確、清楚，是否通視便于控制；檢查止水是否可靠；d、吊裝就位：明確分工后，各自就位，聽從指揮開始起吊；下落過程應確保圍堰不與壩面碰撞；按照先水平方向再壩軸方向最后水流方向的順序就位。e、固定圍堰：圍堰靠緊壩面后，將固定索固定于固定點（此時起重機保持承重）。f、平壓止水：潛水人員檢查裙邊止水是否正常后，逐步關閉平壓管閥；閘閥全部關閉后，再次檢查裙邊止水，同時觀察下游漏水量是否減小。若水量減少或流量很小，說明圍堰與壩面相貼良好，止水開始生效；否則，說明圍堰與壩面空隙很大，則按下列程序重新平壓止水：打開平壓管閥，逐步提升弧形閘門，同時觀察下游漏水量變化情況。若水量減少或流量很小，說明圍堰與壩面相貼良好，止水開始生效；然后，關閉平壓管閥，進行局部堵漏。若上述方法仍無效，則說明圍堰剛度太大，需對圍堰進行改進。g、安裝結束：檢查圍堰變形情況并作記錄，確認圍堰安全后，吊車松鉤將起重索固定于壩面，以便圍堰拆除。2)圍堰拆除a、拆除準備：起重機張緊起重索，關閉弧形門，開啟平壓管閥少許放水檢查弧形門止水效果，達到止水要求后，平壓管閥全部開啟；b、平壓：利用檢修門槽充水，使得圍堰與壩面脫離。c、提升圍堰：利用起重機提升圍堰至水面處，解除固定索，隨后將閘門吊出。六、注意事項a、起重機高度若無法一次到位時，需進行二次倒鉤，其方案應提前考慮。b、弧形門提升需提前與有關單位取得聯系。c、鋼索可能與混凝土、型鋼等堅硬材料接觸處應設置護墊。d、若運輸道路不具備圍堰運輸時，應將圍堰分段運輸到現場再次拼裝。e、