喀麥隆曼維萊水電站薄壁無(wú)筋輸水明渠襯砌施工方案優(yōu)化

王亮亮 張培甫

1 輸水明渠襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

喀麥隆曼維萊水電站輸水明渠渠道襯砌總長(zhǎng)為2 760 m（0+050—2+810），起始端的渠底設(shè)計(jì)高程為386.0 m，渠頂設(shè)計(jì)高程為395.0 m，渠道底寬為15.0 m，深度為9.0 m，過(guò)水?dāng)嗝孢吰缕卤葹閂∶H=1∶2，渠道縱比降為1/4 000，全線采用統(tǒng)一的梯形斷面進(jìn)行襯砌。襯砌僅用于降低渠道糙率，減少發(fā)電水頭損失，無(wú)防滲和結(jié)構(gòu)上限裂等要求。過(guò)水?dāng)嗝嬉r砌采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，厚度為15 cm，底部鋪設(shè)20 cm厚粒徑0～5 mm的砂墊層，砂墊層與襯砌面板之間鋪設(shè)1層土工布。

渠道邊坡和底板設(shè)置系統(tǒng)排水孔，以便于渠道水位驟降時(shí)迅速降低混凝土面板下的水壓力，避免混凝土面板因上、下水壓力差而破壞。排水孔直徑為100 mm、間排距為2.0 m，孔內(nèi)安裝UPVC管，底部管口插入砂墊層10 cm，并采用2層反濾土工布包裹，安裝完成后UPVC管內(nèi)回填砂石。

渠道混凝土襯砌縱向每4 m設(shè)置1道永久縫，縫寬20 mm，縫內(nèi)填充閉孔泡沫板。邊坡設(shè)置3條水平向的誘導(dǎo)縫（間隔5.03 m），誘導(dǎo)縫采用切縫機(jī)切縫，縫深7.5 cm。底板（含兩側(cè)鎮(zhèn)腳）設(shè)置5條順?biāo)鞣较蛴谰每p，縫寬20 mm，縫內(nèi)填充閉孔泡沫板。

曼維萊水電站輸水明渠設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 曼維萊水電站輸水明渠設(shè)計(jì)參數(shù)

2 施工過(guò)程優(yōu)化

渠道襯砌結(jié)構(gòu)主要包括砂墊層、下鎮(zhèn)腳、上鎮(zhèn)腳、土工布、襯砌面板及排水管等結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)，大型渠道襯砌常采用渠道襯砌機(jī)進(jìn)行施工，但限于喀麥隆當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、技術(shù)條件，在曼維萊水電站輸水明渠襯砌施工過(guò)程中，并未采用國(guó)內(nèi)常用的大型全自動(dòng)渠道襯砌機(jī)，而是采用分倉(cāng)支模、跳倉(cāng)澆筑、人工攤鋪及振搗的方法進(jìn)行渠道襯砌施工。在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是從結(jié)構(gòu)上還是從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件考慮，設(shè)計(jì)圖紙均不能很好的被執(zhí)行，因此，為加快施工進(jìn)度、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本投入，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)施工方案進(jìn)行了多項(xiàng)優(yōu)化。

2.1 鎮(zhèn)腳施工優(yōu)化

鎮(zhèn)腳主要為邊坡穩(wěn)定而設(shè)置，在采用襯砌機(jī)進(jìn)行襯砌施工時(shí)，也可作為襯砌機(jī)軌道固定的基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，鎮(zhèn)腳分為上鎮(zhèn)腳和下鎮(zhèn)腳，分別位于邊坡坡頂和坡腳，渠頂和渠底各2個(gè)，共4個(gè)。原設(shè)計(jì)中，鎮(zhèn)腳和邊坡混凝土板為一體結(jié)構(gòu)，但因其厚度不一、施工方法不同，不便于同時(shí)施工，且因其在厚度變化處存在角度突變，易因溫度變化和應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫。基于以上因素，考慮將邊坡混凝土面板與鎮(zhèn)腳分離，在轉(zhuǎn)角處設(shè)置伸縮縫，先施工坡底鎮(zhèn)腳，再鋪設(shè)砂墊層和土工布，隨后進(jìn)行混凝土面板澆筑，最后進(jìn)行坡頂鎮(zhèn)腳施工，使其施工順序變?yōu)槠叫泄ば?，不相互干擾，加快了施工進(jìn)度。其具體優(yōu)化措施如圖1、2所示。

2.2 砂墊層施工優(yōu)化

在國(guó)內(nèi)渠道襯砌施工中，渠道襯砌墊層料一般選擇細(xì)度模數(shù)較大的河砂或人工砂，同時(shí)國(guó)內(nèi)材料供應(yīng)充足、價(jià)格便宜、選擇空間大，但在喀麥隆，材料供應(yīng)不足且種類(lèi)缺乏。因此，選擇一種經(jīng)濟(jì)、適用的墊層料可以為工程節(jié)約大量投資。

渠道襯砌墊層料一般要求具有以下3個(gè)特點(diǎn)：（1）透水性強(qiáng)，加速地基面的排水固結(jié)，減少地基沉降；（2）增強(qiáng)基礎(chǔ)面整體性，提高承載力；（3）作為反濾料，可防止因土壤流失而引起的基礎(chǔ)面破壞。曼維萊水電站輸水明渠襯砌墊層料原設(shè)計(jì)采用0～5 mm天然砂或人工砂，但因當(dāng)?shù)靥烊簧肮?yīng)不足，而人工砂價(jià)格昂貴，所以急需一種價(jià)格便宜且滿(mǎn)足供應(yīng)需求的墊層料。為此，根據(jù)墊層料的一般要求，曼維萊水電站大膽嘗試采用級(jí)配碎石料（粒徑0～20 mm）代替砂墊層，以驗(yàn)證其可行性。曼維萊水電站砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的級(jí)配碎石的篩分曲線如圖3所示，其篩分通過(guò)率與人工砂篩分通過(guò)率對(duì)比見(jiàn)表2。

圖1 渠道襯砌上鎮(zhèn)腳優(yōu)化示意圖

圖2 渠道襯砌下鎮(zhèn)腳優(yōu)化示意圖

圖3 碎石顆粒級(jí)配曲線

表2 人工砂和級(jí)配碎石篩分通過(guò)率對(duì)比%

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，級(jí)配碎石粒徑較人工砂大，且粒徑小于0.08 mm的石粉含量基本為零，因此，其透水性必然大于人工砂，可以加速地基面排水固結(jié)，提高地基承載力。因其細(xì)顆粒含量較少，所以不具有作為反濾料防止土壤流失的作用。為此，考慮將土工布與級(jí)配碎石料相結(jié)合，在級(jí)配碎石與土基面之間增設(shè)一層土工布，以彌補(bǔ)級(jí)配碎石不能作為反濾料的缺陷。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配碎石碾壓工藝性試驗(yàn)，證明其攤鋪及壓實(shí)效果均很好，說(shuō)服了監(jiān)理工程師同意使用0～20 mm的級(jí)配碎石配合土工布來(lái)替代0～5 mm的人工砂。人工砂是由級(jí)配碎石經(jīng)篩分、沖洗等程序生產(chǎn)的，每增加1道工序都是金錢(qián)的投入，因而人工砂成本是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于級(jí)配碎石的，且級(jí)配碎石粒徑較人工砂大，在加速地基排水固結(jié)方面比人工砂效果更好。用級(jí)配碎石替代人工砂，既節(jié)省了投資又改善了墊層的性能。

對(duì)于土工布，原設(shè)計(jì)在砂墊層與混凝土面板之間鋪設(shè)1層土工布，以防止混凝土澆筑過(guò)程中水泥漿滲入墊層內(nèi)，造成不必要的浪費(fèi)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，不管是砂墊層還是碎石墊層，水泥漿滲入墊層內(nèi)的量有限，不影響混凝土的澆筑質(zhì)量，可以取消墊層與混凝土面板之間的土工布，且取得了監(jiān)理工程師的同意。在砂墊層更改為碎石墊層后，因碎石墊層不具有反慮功能，在碎石墊層與土基之間鋪設(shè)1層土工布，以防止土顆粒流失，達(dá)到反慮效果。

2.3 誘導(dǎo)縫施工優(yōu)化

原渠道襯砌設(shè)計(jì)斷面在左右邊坡上各存在3條水平向的平行誘導(dǎo)縫，其主要作用是引導(dǎo)混凝土襯砌面板從誘導(dǎo)縫處斷裂，以釋放襯砌面板因不均勻沉降、溫度應(yīng)力等產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，并保證混凝土面板美觀，不出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。在施工過(guò)程中，考慮塊與塊鑲嵌更有利于穩(wěn)定，將原水平向通縫改為塊與塊之間錯(cuò)位的花縫，在面板從誘導(dǎo)縫處斷裂后，形成塊與塊鑲嵌的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以確保邊坡襯砌面板穩(wěn)定、安全。邊坡誘導(dǎo)縫布置優(yōu)化如圖4所示。

圖4 邊坡誘導(dǎo)縫布置優(yōu)化（俯視圖）

在原設(shè)計(jì)圖紙中，襯砌底板結(jié)構(gòu)不存在誘導(dǎo)縫，而是被永久縫分割成4.0 m×3.5 m的混凝土塊，不便于機(jī)械化施工。為加快施工進(jìn)度，對(duì)底板分縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，采用底板左、右半幅平行施工的方式，在底板中心設(shè)置永久縫，半幅單塊長(zhǎng)度根據(jù)施工能力控制在20～60 m，單塊長(zhǎng)度內(nèi)的所有永久縫采用誘導(dǎo)縫進(jìn)行替代。同時(shí)，為確保誘導(dǎo)縫達(dá)到應(yīng)有的效果，防止不規(guī)則裂縫產(chǎn)生，加深底板誘導(dǎo)縫深度，由原設(shè)計(jì)的7.5 cm調(diào)整為10 cm（襯砌面板厚15 cm），加寬誘導(dǎo)縫寬度，由常規(guī)的5 mm調(diào)整為10 mm。分縫結(jié)構(gòu)調(diào)整后，左右半幅施工變?yōu)槠叫泄ば颍嗷ゲ桓蓴_，加快了施工進(jìn)度，部分橫向分縫由永久縫調(diào)整為誘導(dǎo)縫，減少了對(duì)底板襯砌施工的干擾，使之變?yōu)橄?、后施工工序，同樣加快了施工進(jìn)度。

經(jīng)過(guò)初期降雨、地下滲水及輸水明渠充水試驗(yàn)考驗(yàn)后，在放空檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，渠道襯砌邊坡和誘導(dǎo)縫加深部位的底板區(qū)域均未出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，僅在設(shè)置常規(guī)誘導(dǎo)縫區(qū)域的底板部位出現(xiàn)了少量不規(guī)則裂縫。底板基礎(chǔ)因高程較低，長(zhǎng)期受地下水、雨水侵蝕，不均勻沉降較大，因此，較容易出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求控制底板分塊大小，并在施工中嚴(yán)格控制誘導(dǎo)縫深度、寬度。

2.4 排水孔施工優(yōu)化

渠道襯砌邊坡和底板設(shè)置系統(tǒng)排水孔，排水孔起連通混凝土面板上下面的作用，以便于渠道水位驟降時(shí)迅速降低混凝土面板下的水壓力，避免混凝土面板因上、下水壓力差而破壞。原設(shè)計(jì)邊坡排水管為矩形布置，水平設(shè)置，間排距為2.0 m×2.0 m?？紤]水平設(shè)置不便于邊坡排水孔鉆設(shè)，又不利于在土工布失效的情況下保護(hù)砂墊層，且邊坡滲水量較小，在排水管出口中心高程相同的情況下，其排水效果差別微乎其微。因此，在實(shí)際施工中，將排水孔調(diào)整為垂直于混凝土面板進(jìn)行設(shè)置，且孔內(nèi)回填碎石，既降低了排水管鉆設(shè)難度，又有利于防止土工布失效時(shí)砂墊層的流失。同時(shí)，排水孔由水平設(shè)置調(diào)整為垂直于混凝土面板設(shè)置后，單個(gè)排水孔所需PVC管長(zhǎng)度由57 cm變?yōu)?5 cm，節(jié)約原設(shè)計(jì)PVC排水管用量的56%，混凝土板鉆孔長(zhǎng)度相應(yīng)減少。排水管設(shè)置調(diào)整如圖5所示。

圖5 排水管設(shè)置優(yōu)化

原排水孔為矩形布置，相鄰兩排排水孔的豎直高差為2.0 m，不利于混凝土板下水體順利排出，通過(guò)將排水孔調(diào)整為梅花形布置，使相鄰兩排排水孔的豎直高差減少至1.0 m，可有效加快水位下降時(shí)分段混凝土板下水壓力消散速度，減小混凝土板破壞的可能性。

3 經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)

在渠道充水前驗(yàn)收時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分排水管因土工布被細(xì)顆粒堵塞而喪失排水作用，給驗(yàn)收造成了較大的困難。監(jiān)理工程師表示，法國(guó)規(guī)范不建議對(duì)此種排水管設(shè)置土工布，因土工布易被細(xì)顆粒堵塞，而造成排水管失效。建議以多層濾網(wǎng)替代土工布，在保護(hù)墊層結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將水流順利排出。

4 結(jié)語(yǔ)

在本工程施工過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，并考慮質(zhì)量、效益等因素，大膽地對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以加快施工進(jìn)度、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本投入。曼維萊水電站輸水明渠襯砌施工過(guò)程中，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、技術(shù)條件，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)、砂墊層、誘導(dǎo)縫、排水孔等項(xiàng)目進(jìn)行了具體優(yōu)化，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。