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沙牌水電站導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計與施工

零宋榮禮,譚華文./(1.中國水利水電第十工程局有限公司;2.中國水利水電第八工程局有限公司)

【摘要】導(dǎo)流隧洞堵頭施工工序復(fù)雜,工期控制亦相當(dāng)嚴(yán)格.本文導(dǎo)流隧洞堵頭承受水壓力大,堵頭斷面設(shè)

計為截錐形,堵頭長度僅為洞徑的1.96倍.堵頭段的施工從原斷面的擴挖,錨筋的施工,觀測儀器的安裝,混

凝土的澆筑,回填灌漿至擋水運行僅34d.在施工過程中為確保高溫條件下混凝土順利泵送和澆筑質(zhì)量采取了一

系統(tǒng)的措施,并以理論計算和實測數(shù)據(jù)驗證了這些措施的有效性..該研究對水工隧洞堵頭的設(shè)計和施工具有參

考價值,為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗.

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)流隧洞堵頭設(shè)計施工措施溫度控制

1概述

沙牌水電站為引水式開發(fā),主要建筑物由碾壓混凝

土拱壩,右岸1號,2號泄洪洞,引水發(fā)電系統(tǒng)和地面廠

房組成.導(dǎo)流隧洞長380m,城門洞形.斷面為6m×

5.25m(高×寬).堵頭承受水壓力達87.5m水頭.導(dǎo)流

隧洞封堵是該水電站蓄水的最后一項工程,導(dǎo)流隧洞封

堵后,該水電站即可運行發(fā)電.

2堵頭設(shè)計

2.1堵頭設(shè)計的原則與假定

由于堵頭設(shè)計在水工建筑物設(shè)計規(guī)范中沒有相應(yīng)條

款可循,一般根據(jù)工程的具體情況,擬定出堵頭的設(shè)計

原則,并做出相應(yīng)的假定進行計算.多數(shù)設(shè)計者采用的

原則和假定如下:

(1)堵頭屬永久建筑物,設(shè)計和校核標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的水

工建筑物相似.

(2)堵頭應(yīng)安全可靠,穩(wěn)定性和防滲性好,堵頭應(yīng)與

大壩的防滲帷幕形成整體.

(3)水壓力(必要時計人浮托力)是作用于堵頭的唯

一

外荷載.

(4)堵頭是水頭荷載沿周界產(chǎn)生靜剪力的剛性體,剪

應(yīng)力沿用邊均勻分布.

?

96?

(5)堵頭混凝土的抗壓強度是安全的,只做抗滑穩(wěn)定

計算.

(6)實際存在的地應(yīng)力,嗣巖高低不平形成的嵌槽抗

剪力等作為額外安全儲備,不參與計算.

通過對已運行堵頭的觀測和分析,這些假定基本上

滿足了堵頭的使用要求.近年來,采用有限元對一部分

大型工程堵頭和周圍一定范圍內(nèi)的巖體進行分析計算,

也證明了按上述原則和假定設(shè)計的堵頭是完全能夠長期

安全運行的.

2.2堵頭穩(wěn)定計算

導(dǎo)流隧洞堵頭穩(wěn)定計算:水庫在正常蓄水位和校

核洪水位情況下,導(dǎo)流隧洞堵頭及堵頭區(qū)同巖安全

穩(wěn)定.

2.2.1抗剪斷強度公式

,一KP

Arr+S△C

式中P——設(shè)計水頭的總推力,以87.5m水頭計算;

K——安全系數(shù),規(guī)范規(guī)定設(shè)計工況K一2.5,校

核工況K一3;

L,A,S——分別為堵頭長度,斷面面積和斷面周長;

r一混凝土密度,取r一2.5t/m.;

△——抗剪斷面積有效系數(shù),取0.7～0.75;

_廠一一混凝土與巖石接觸面的摩擦系數(shù);

C～—混凝土與巖石接觸面的抗剪斷凝聚力.

22.2各種荷載作用的分項系數(shù)公式

L—互KK3P

KlK4’K2

式中K摩擦力的分項系數(shù),取1.3;

K凝聚力的分項系數(shù),取3;

K.水平推力荷載分項系數(shù),取1;

K混凝土自重分項系數(shù),取0.9.

2.23計算結(jié)果

根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》(SI319--2005)附錄

D,Ⅱ類圍巖混凝土與巖石接觸面抗剪強度指標(biāo)(f一

0.75～O.65,C一1.1O～1.30MPa).并參照已建工程經(jīng)驗

及本工程巖體抗剪斷強度指標(biāo),取_/一0.7,C一1.15MPa.

2.4設(shè)計主要工程量

導(dǎo)流隧洞堵頭設(shè)計工程量見表1.

縱斷面

沙牌水電站導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計與施工—≯

計算出堵頭長度L一15m.堵頭位于導(dǎo)流隧澗O+15O～O+

165段,該位置巖性好,為Ⅱ類嗣巖.

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)流隧洞堵頭為永久工程,屬三級建筑物,設(shè)計洪水

標(biāo)準(zhǔn)為5O年重現(xiàn)期洪水,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年再現(xiàn)期洪

水.由于本工程堵頭擋水位水頭較高,堵頭所受荷載大,

圉此堵頭型式采用截錐形以增加堵頭抗滑穩(wěn)定性,擴挖后

堵頭最大斷面尺寸B×H一7mX7.65m.底飯及邊墻布置

錨筋(~20mm,L一2.6m,梅花形布置,間排距1.5m),

為解決施工期堵頭上游封堵閘¨的滲漏排泄題,在堵頭

底部布置2根~150nml排水管(待堵頭同填灌漿后進行封

堵).導(dǎo)流隧洞設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示.

—

g/

一

錨筋一

0排水管0

l7l

圖1導(dǎo)流隧洞堵頭結(jié)構(gòu)圖(單位:m)

表1導(dǎo)流隧洞堵頭設(shè)計工程量表

橫斷面

序號項目名稱單位數(shù)量備注

1導(dǎo)流隧洞擴挖m0190原導(dǎo)流隧洞段的擴挖

2混凝土in3j8OC20,低熱微膨脹混凝士

3回填灌漿m289

4接縫灌漿m2212

5止?jié){片37

6錨筋根77fJ一2.2m.一20ram

7排水管jnm6O帶逆止閥,2根

3施工技術(shù)措施

3.1施工準(zhǔn)備

導(dǎo)流隧洞進水口下閘后,在封堵段上游用砂袋做一臨

時小嗣堰擋滲漏水,并用2根~150n~n排水管將滲水引至

堵頭下游,作為堵頭施工期臨時性排水設(shè)施.以防止在進

行導(dǎo)流隧洞封堵段擴挖和澆筑混凝土過程中水流的干擾.

待排水系統(tǒng)形成后,進行封堵位置的擴挖,錨筋等施工

工作.

31.1封堵段的擴挖

封堵混凝土位于導(dǎo)流隧洞O+150~0+165段,該段巖

性為花崗巖,為Ⅱ類圍巖.擴挖采用手風(fēng)鉆鉆孔.爆破工

程多以建筑物所在位置的最大質(zhì)點振動速度作為判別爆破

振動對建筑物的破壞標(biāo)準(zhǔn).為控制爆破沖擊波對圍巖的影

響,采廂的經(jīng)驗公式

?

97?

00水利水電施工2010?第5期總第122期

—

K(Ql/R)

式中礦～爆破地震對建筑物及地基產(chǎn)生的質(zhì)點垂直振

動速度(cm/s);

K—～與巖土性質(zhì),地形和爆破條件有關(guān)的系數(shù),

取150;

n——爆破地震隨距離衰減系數(shù),取1.5;

(卜～炸藥量,延期爆破時最大單響藥量,kg;

R從爆破地點藥量分布的幾何中心至被保護對

象的水平距離,m.

根據(jù)破壞標(biāo)準(zhǔn),≤5cra/s時,可充分保證圍巖的安

全.計算出最大單響爆破藥量:Q一71.1,在此藥量

下的爆破將安全町靠.本工程爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔間微差順序

爆破方式.藥卷為~32mm,2號巖石乳化炸藥,單支藥卷

長度20cm,單支藥卷重量200g.鉆孔內(nèi)裝人ms]0段非電

雷管,孔間用ms2段非電雷管連接,排間用ms5段非電雷

管連接.控制的爆破最大單響藥量不超過25,完全滿足

安全要求,從而保證了爆破對圍巖的破壞影響,工程實際

爆破效果很好.

3.1.2封堵段的錨筋

設(shè)計采用的錨筋規(guī)格為~20mm,單根長為2.6m,其

中伸人基巖2.0m,外露0.6m.錨筋孔用手風(fēng)鉆鉆孑L.

錨筋孑L鉆孑L前先由測量人員根據(jù)審定的設(shè)計圖紙進行實

地放樣,安裝樣架,然后按要求施鉆.鉆孔過程中重點

是對孔深,孔斜等項目的控制.施工工藝圖如圖2所示.

.

區(qū)

———

錨筋加工,運輸l

圖2錨筋施工工藝流程圖

3.2混凝土澆筑

澆筑前先將封堵段底板上的泥土等雜物清除,將封

堵段邊頂拱的油,粉塵等清洗干凈.堵頭上,游模板用

組合鋼模板,頂拱部位用木板補縫,模板密封情況好.

澆筑混凝土前先鋪一層2cm厚的水泥砂漿.以保證基巖

面和混凝土之問的凝結(jié)力.

為加快施T進行,混凝土一次全斷面澆筑完成.鑒

于洞內(nèi)施工的特殊性,混凝土澆筑采用混凝土泵運至倉

面.混凝土泵設(shè)在導(dǎo)流隧洞出口位置,混凝土經(jīng)拌和樓

生產(chǎn)后,南自卸汽車運至導(dǎo)流隧洞出口位置,由裝載機

轉(zhuǎn)料至混凝土泵,再Fh混凝土泵送至封堵位置,總運距

2.8km.其中泵送距離為220m.倉面作業(yè)時搭設(shè)工作平

臺,人工用高頻振搗棒進行振搗.

3.3混凝土澆筑中的溫控措施

為實現(xiàn)早日發(fā)電,導(dǎo)流隧洞封堵混凝土一次澆筑完

成,混凝土方量大,澆筑期間為夏季.在高溫下,導(dǎo)流

隧洞封堵混凝土有效進行溫控是保證封堵部位不滲水的

關(guān)鍵.大體積混凝土由外荷載引起裂縫的可能性很小,

而混凝土硬化期間水化過程釋放的水化熱,澆筑溫度所

產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用,南此產(chǎn)生的

溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力,是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要因

素.混凝土的最高溫升值主要由澆筑溫度和水泥水化熱

兩部分組成.因此,減少水泥用量,降低混凝土出機溫

?

98?

度和控制混凝土的澆筑溫度是限制混凝土內(nèi)部最高溫升

和混凝土內(nèi)外溫差的關(guān)鍵.為達到既能控制溫度裂縫又

能在高溫情況下順利泵送混凝土,主要采用r如下

方式.

3.3.1限制水泥用量,降低混凝土內(nèi)部水化熱

(1)選用水化熱低的水泥.

采用發(fā)熱量低的水泥和減少位水泥用量,是降低

}昆凝土水化熱溫升的最有效措施.根據(jù)試驗表明,不同

品種水泥單位發(fā)熱量相差10cal/g.本部位使用水化熱較

低的42.5型水泥,其早期的水化熱比同齡期的普通硅酸

鹽水泥低,3d的水化熱約低2O.

(2)摻加磨細粉煤灰.

堵頭混凝土摻入了成都華能電廠的磨細Ⅱ級粉煤

灰,根據(jù)實驗資料表明,這樣不僅改善混凝土的黏聚性

和可泵性,而且可節(jié)約水泥.每方混凝土中的水泥用

量,每減少10kg,其水化熱將混凝土的溫度相應(yīng)降低落

1～1.2℃.

(3)選用優(yōu)質(zhì)外加劑.

堵頭混凝土摻人了山兩凱迪建材有限公司生產(chǎn)的

UEA微膨脹劑.該微膨脹劑在空氣中膨脹率28d達

0.0017%,在水中膨脹率28d達0.079.從而能有效地

抵消水化熱溫升引起的混凝土收縮變形.

3.32原材料降溫,控制混凝土出機溫度

出機溫度指混凝土組成材料經(jīng)攪拌出機后測得的混

——沙牌水電站導(dǎo)流洞堵頭設(shè)計與施工0

時間不得小于48h.回填灌漿采川純壓式灌漿法,漿液水

灰比位為1:l,0.8:1,0.6:1,0.5:1(重量比)4個

比級,在設(shè)計壓力下,灌漿孔停止吸漿,即結(jié)束回填

灌漿.

3.5排水管封堵

當(dāng)同填灌漿滿足強度要求后,即進行2根150ram

排水管的灌漿封堵.為保證在灌漿過程巾漿液不通過排

水管進人上游,在安設(shè)排水管時,在排水管進口設(shè)有逆

止閥,當(dāng)灌漿壓力達到一定值時,逆止閥即可逆向關(guān)閉,

從而阻止?jié){液通過排水管進入上游.

3.6接縫灌漿

接縫灌漿是為了充填堵頭混凝土后期冷卻收縮產(chǎn)生

的與基巖面之間的縫面.接縫灌漿需待混凝土的溫度與

基巖溫度相同,并待接縫寬度大于0.5mm以上(混凝土

摻人r膨脹劑,在一定程度上可以補償一部分收縮裂縫)

才進行.根據(jù)觀測結(jié)果,在蓄水前不具體灌漿條件,實

際接縫灌漿是在蓄水達六個月后才進行的.

凝土拌和物溫度.為降低混凝土的出機溫度,關(guān)鍵是對

原材料采取了如下的降溫措施:

(1)在砂石料倉安設(shè)水管,住中午高溫期間噴霧

保濕.

(2)控制混凝土中水的溫度,混凝土巾水的用量雖然

較少,但它的比熱較大,故需降低水的初始溫度.該部

位拌和用水溫控制在12℃以下.

33.3加強混凝土保濕保溫養(yǎng)護

堵頭混凝￡澆筑完并達到拆模強度后,并不立即拆

除下游面模板,這樣可以減少混凝土中心與表面的溫差,

防止產(chǎn)牛溫差裂縫.當(dāng)文測混凝土中心溫度下降后,拆

除下游面模板,并進行表面油水養(yǎng)護,防止產(chǎn)生表面

裂縫.

334對混凝土溫度進行內(nèi)部監(jiān)控.及時掌握混凝土溫

度變化動態(tài)

該導(dǎo)流隧澗封堵混凝土內(nèi)共埋有四支溫度計,基

巖內(nèi)埋有兩支溫度汁.對混凝土進行溫度觀測的目的

是為了掌握混凝土內(nèi)部文際最高溫升和混凝土中心至表

面的溫度梯度,并確定最佳接縫灌漿時間.根據(jù)觀測結(jié)

果,導(dǎo)流隧計司封堵混凝土內(nèi)部溫度變化如圖3所示.其

最高溫度出現(xiàn)在澆筑混凝土后的第七天,達到

了61.4℃.

圖3混凝土內(nèi)部溫度時問關(guān)系圖

3.4回填灌漿

堵頭混凝土在頂層施工條件面狹小,施工人員無法

進入,很難將頂部澆滿.為此在頂拱預(yù)埋回填灌漿管.

回填灌漿管路采用鍍鋅鋼管,灌漿壓力控制在0.3～

0.5MPa范內(nèi).回填和同結(jié)灌漿采用P?O42.5水泥,

水泥各類性能指標(biāo)應(yīng)達到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn).同填灌漿按分序

加密的原則進行,分為兩個次序施工,各次序灌漿的問隔

4結(jié)束語

(1)該導(dǎo)流隧洞堵頭施工.從洞身斷的擴挖至開

始擋水發(fā)電,共經(jīng)歷34d.根據(jù)近幾年長時間的監(jiān)測資

料分析成果和運行結(jié)果看,尚未出現(xiàn)裂縫,堵頭四周無

一

點漏水現(xiàn)象,堵頭下游面混凝土表面也無一點滲水

現(xiàn)象,堵頭運行正常.該導(dǎo)流隧洞封堵混凝土在工期

要求十分嚴(yán)格的情況下獲得了成功.這