仙口水电站导流洞进口段顶板坍塌及处理

仙口水电站导流洞进口段顶板坍塌及处理

刘小林俞国太裘名华

(江西省水电工程局南昌市330096)

摘要：水电站水库下闸蓄水后，导流洞改成放空洞的进口段顶板发生坍塌事故。本文回顾了导流洞的封堵施工、分析了其坍塌原因，介绍了坍塌处理的施工措施。

关键词：水电站导流洞进口段顶板坍塌原因分析坍塌处理

1、工程概况

仙口水电站是以发电为主，兼有防洪灌溉等综合效益的中型枢纽工程。枢纽工程主要有混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道及引水发电洞和电站厂房、左岸导流洞兼放空洞，电站总装机3×12MW。

左岸导流洞（兼放空洞）采用半园直墙城门洞型，宽7m，高8m，洞长554m，进口处底板高程▽250.0，洞顶高程▽258.5；出口处底板高程▽245.6。导流洞进口段山体岩性为灰白—深灰色硅化角砾岩，山体岸坡倾角为38—45度，存在有卸荷裂隙。洞址山体大部分为深灰色凝灰质砂岩。导流洞进口段长37米，至前而后分别为闸室段、收缩段和渐变段；在闸室段后部上设有钢筋混凝土结构的放空竖井，工程完工后封堵进口段的闸室改作放空洞。导流洞进口闸室长13.5米，宽9米，设有2米宽中墩，将进口闸室段分成大小两孔闸室。大孔闸室泄流净宽5.2米，设计封堵采用现场预制7块钢筋混凝土予制板（单块尺寸340×1300×6090mm，每块重6.7吨）叠放插入闸室凹槽挡水，之后将预制板后8米长闸室空腔全部用混凝土满浇筑封堵；小孔闸室泄流净宽1.8米，则采用平板钢闸门下闸挡水，其后的闸室空腔也要用混凝土封堵。放空竖井布置在闸室后部的小闸室上，其平面尺寸为2.5m×2.5m，壁厚为35cm，为现浇钢筋混凝土结构。收缩段长3.5米，由9米宽变成7米宽。渐变段长20米，由方形渐变成城门洞型。

2、闸室顶板坍塌事故的发生

导流洞进口段为现浇钢筋混凝土结构，闸室顶板混凝土厚0.5米，设有双层双向Φ16、Φ12钢筋。导流洞闸室、收缩段及渐变段部分伸出开挖出的山体，导流洞进口段、放空竖井和闸室段封堵混凝土纵向立面如图所示。导流洞进口段于2004年11月完成并投入导流使用，电站挡水面板堆石坝、右岸溢洪道及引水发电洞进口闸室等工程项目于2006年12月陆续完成，并在2007年4月份进行了各项目的单项验收。大孔闸室按设计河水流量小于10m3/s时进行封堵，于2006年11月上旬实施混凝土予制板的叠放挡水，并按设计图将预制板后8米长的闸室空腔全部用混凝土浇筑填满封堵。小孔闸室钢闸门于2007年4月26日下闸蓄水，一周后，库水位蓄到▽292.5米高程，并一直保持在该高程水位发电。2007年6月8日，受台风影响库区聚降暴雨，库水位一昼夜升到▽296.6米高程，6月9日5时，导流洞进口段后部及整个收缩段顶板被库水位水头压变形破坏而坍塌，形成约40平方米天窗洞口。库区蓄水全部经坍塌部位以大于400m3/s流量汹涌而下，十多个小时泄空,所幸未造成电站工地及下游的人身伤亡和设备财产损失重大事故。

3、坍塌原因分析

导流洞进口段原设计大部分在山体内，并在进口段后部设有龙抬头放空洞竖井，因竖井开挖及衬砌要占据导流洞施工总工期。为使导流洞提前投运及节省工程费用，业主将龙抬头放空洞竖井改为钢筋混凝土结构放空竖井，导流洞进口段闸室及渐变段移出山体，放空竖井布置在小闸室后部，横跨坐落在小闸室的中墩与边墩上顶板上，竖井顶高程▽285.0，竖井高26.5米。水库蓄水后闸室及渐变段顶板直接承受库水位压力。由于要给放空竖井留过水通道，未对渐变段作束小断面的封堵处理。导流洞进口段封堵设计，只考虑了闸门后8米长的闸室段封堵，封堵施工图出版后，各参建方的图纸会审又都忽视了对渐变段顶板混凝土厚度及配筋的复核。事故后核查该施工图,收缩段顶板混凝土厚及配筋跟闸室一样,为最小配筋率布置，未考虑水库蓄水的水压力。事故发生的当天，库水位▽296.6，闸室顶板▽258.5，有38米的水头压力。按此验算，收缩段顶板承载力，即使按最有利的三边固端，一边简支的约束条件进行受力分析计算，顶板应配置的钢筋：每延长米混凝土顶板的下层钢筋断面应在2990mm2，两端的受剪钢筋断面每延长米应在2270mm2，而实际配筋分别只有565mm2、1000mm2，远不能满足顶板抗弯抗剪理论强度要求。事后从坍塌断面露出的所有残余钢筋均有束颈痕迹，也足以证明配筋不够而被压坍塌。

4、坍塌洞口的封堵处理措施及效果

坍塌原因分析清晰明了，要进行坍塌洞口的封堵施工，必须将小闸室的钢闸门再开启，使得河水从小闸室内下泄。只有坍塌部位全部露出水面，才能为该工程事故的进一步取证核验及封堵处理创造必要的条件。

4.1处理方案步骤

修复到进口段顶板道路→架简易钢栈桥到小闸室处→闸室四周搭脚手管架→立模板挡流动水→筑小闸室围堰→焊接顶起钢闸门T型梁→千斤顶顶起钢闸门→从进口底板▽250.0导流→清理▽258.5坍塌部位→设计专用固定模板钢架→洞内急流水上搭安钢架→档水模板安装→浇筑水下混凝土及分块封堵混凝土→回填接触灌浆→下钢闸门蓄水→闸门后的封堵混凝土浇筑。

4.2施工准备及措施

实施坍塌处理，首先取决于小闸室的钢闸门能否开启、导流。钢闸门高8.5米、宽2.6、厚0.5米，重10吨。在4月26日的下闸挡水过程中，下闸后检查有漏水，在闸门前及门槽内回填了棉絮、粘土、石碴，门楣上还浇筑了混凝土封口，下闸3小时后，河水位就雍高到闸室顶。能否开启钢闸门成为施工最大难题，也最无底，成败在此一举，为此做了充分的准备。该地区7、8月份河水正常约有10m3/s流量，汇集到闸室上（高程▽258.5）有1.2米深，并以近1.0m/s的流速从坍塌处流入8.5米深的导流洞洞内，而且坍塌部位距钢闸门槽只有8米距离，在如此水深流急和狭窄场地的条件下，要将小闸室段四周筑围堰围住，本身就是一个难题，并存在极大的安全隐患。

为此，首先恢复右岸下河床道路，在水中填渣筑路修到左岸，架轻型钢栈桥到进口闸室旁；在闸室上动水中搭满堂脚手架，并在闸室四周管架上绑立竹胶板隔水，使之形成相对静水；再用帆布、编织袋装土筑围堰；围住小闸室段四周后，抽排里面水，凿除闸门顶已浇筑的砼，在钢闸门顶部左右两边各焊接高出顶部50厘米的T型钢挑梁，用4只100吨千斤顶,通过挑梁将钢闸门顶起。钢闸门被顶起后，河水从小闸室内底板流出。在未下雨的正常气候情况下，库水位在▽254.5以下，此时，导流洞进水口闸室上▽258.5平台全部露出水面，可进行旱地施工。

4.3坍塌描述及封堵砼浇筑

坍塌部位露出后检查，整个渐变段顶板全部压塌，包括大闸室端部未封堵顶板段,留在洞口四周边墙上的拉断钢筋有明显的束颈现象。工程处理设计：将坍塌部位及延伸洞内15米全部用混凝土浇满封堵；放空洞另接直径为1.3米钢管,埋入封堵混凝土内接出15米以外。

要在宽7米，又有河水过流的洞内浇筑混凝土，难度非常大。分左右两边，交替浇筑封堵混凝土。先留出洞内左边3.2米宽作为导流通道，在余下的右边3.8米封堵范围搭满堂脚手架作浇筑平台。由于洞内水流大于3米/秒，根本无法直接搭满堂架，采取“顶进技术”，即设计加工了一批断面为1.4m╳1.4m×2.0m的角钢桁架，并将模板先固定在桁架的档水面上，从坍塌部位吊入洞内，利用大闸室端部作顶进工作井，用50吨千斤顶将钢桁架一节节顶进，并随着钢桁架延伸，在桁架背水一侧边搭满堂架，直至将封堵段15米长全部搭满脚手架。混凝土从布置在导流洞进口洞脸上方▽310.0m公路旁的2台0.35m3拌和机拌出，通过依山坡搭设的溜槽及串筒至闸室顶料斗转或直接串筒入仓。先将洞右边混凝土浇高3.5米，正常时候水流不会漫上，并在该台地上安装设计增加的放空钢管。再将左边3.2米宽的过流道上搁型钢梁铺模板扎筋浇筑混凝土，保留过流3.2m×3.0m小洞，待钢闸门下闸后浇封堵混凝土时一并浇筑。这样左右交替直至将整个洞内全部用混凝土浇满。在混凝土达到一定强度后，对洞顶部进行回填灌浆。由于导流洞长546米，加之断流后洞内仍有300多米被水浸没，从导流洞出口处进到闸室部位很困难。为浇筑小闸室封堵混凝土，在钢闸门后3米和10米处将闸室顶板凿开2个天窗，埋设入仓灌填混凝土的薄壁钢管（Φ320mm），并接至▽285.0，钢闸门下闸后立即进行封堵混凝土的浇筑，计算好封堵混凝土工程量，浇足计算量直至预埋钢管内混凝土升高6米。

5、结语

回顾整个导流洞进口闸室的封堵、渐变段顶板的坍塌事故及坍塌处理，有下述体会：1）在大闸室封堵的过程中，按图施工只浇筑闸板后8米长封堵混凝土，并未入洞，仍有长6米多，宽7~9米空腔，起不到堵塞作用，依赖设计，并未引起其他参建方注意。钢闸门下闸后，参建各方又多次从洞后进入到闸室部位检查，发现洞内多处漏水且衬砌段有一处较大的漏水，也还未引起警觉。只关注钢闸门后的封堵混凝土怎么实施。幸运的是坍塌事故发生在暴雨期，工作面被淹，无人作业，否则就是一场重大以上的人身伤亡事故。2）坍塌处理过程中，只想尽快完成坍塌空腔的封堵，因而对在洞内急流中搭设的浇筑满堂架要求一鼓作气全部搭好再浇混凝土。结果一场暴雨，库区河水属山区型，河水暴涨淹没进水口，将已搭好大半所有的桁架梁及脚手架平台冲得干干净净，不仅增加了损失而且延长了工期。吸取教训，搭一段立即浇筑一段，过程中遇到三次河水冲淹，后二次就影响甚微。

参考文献

[1]秦洪斌,王世梅,陈勇.某水电站导流洞控制段三维有限元分析[J].三峡大学学报(自然科学版).2009(04).

[2]臧海燕,刘德富.鱼塘水电站溢洪道闸室三维有限元分析研究[J].三峡大学学报(自然科学版).2006(01).

[3]王启明,王从锋,陈勇,臧海燕.鱼塘水电站溢洪道闸室三维有限元分析[J].漯河职业技术学院学报(综合版).2005(02).