扶志斌
(湖南建工集團有限公司,湖南 長沙 410004)
小中河水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,壩頂高程1564.20 m,壩頂長度124.00 m,最大壩高40.00 m。為一高水頭、長引水式電站。設(shè)計裝機容量為22 MW,額定水頭833.6 m。
施工導(dǎo)流采用一次攔斷河床時段圍堰擋水的隧洞導(dǎo)流方式。時段圍堰擋水標準為時段11月~次年4月頻率10%的洪水,導(dǎo)流洞運行期設(shè)計最大泄量約為38 m3/s,最大流速約為10 m/s。導(dǎo)流洞布置在右岸,全長271.19 m。洞身段進水口底板高程1533.50 m,出水口底板高程1522.00 m,縱坡6.5%。隧洞斷面采用2 m×2.1 m(寬×高)圓拱直墻型,頂拱中心角180°。進水口結(jié)構(gòu)設(shè)封堵門槽,封堵閘門采用平板鋼閘門。
導(dǎo)流洞堵頭為永久建筑物,其設(shè)計級別、穩(wěn)定及防滲要求等均等同于面板堆石壩,為4 級建筑物,設(shè)計洪水標準為100 年一遇,設(shè)計洪水位為1562.00 m,校核洪水標準為500 年一遇,校核洪水位為1562.22 m。
導(dǎo)流洞堵頭屬永久工程,應(yīng)與大壩防滲帷幕結(jié)合成整體。根據(jù)面板堆石壩結(jié)構(gòu)及其帷幕布置,從平面上看,導(dǎo)流洞從帷幕以下經(jīng)過,洞頂距原設(shè)計帷幕底線5 m~8 m(垂直距離)。因為導(dǎo)流洞距帷幕線較近,在導(dǎo)流洞開挖施工中,圍巖完整性會受到影響。為保證大壩防滲帷幕的完整性,防止形成滲水通道,將永久堵頭布置在導(dǎo)流洞與大壩趾板平面相交位置。堵頭施工完成后在導(dǎo)流洞內(nèi)進行帷幕補強灌漿,并將堵頭包裹在內(nèi),與防滲帷幕結(jié)合成整體。
導(dǎo)流洞埋深2.0 m~67 m,根據(jù)開挖揭露的實際地質(zhì)情況,導(dǎo)流洞圍巖巖性為灰白色、肉紅色中細?;◢弾r,中等風化至微風化,巖石堅硬,節(jié)理少量發(fā)育,多呈閉合狀,為Ⅰ、Ⅱ類圍巖,地下水主要為基巖裂隙潛水。在導(dǎo)流洞進、出口段各25 m長范圍,采用鋼筋混凝土襯砌,其余洞段采用噴錨襯砌。
導(dǎo)流洞永久堵頭計算地質(zhì)參數(shù)建議值:混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷摩擦系數(shù)為1.2;堵頭混凝土與Ⅱ類圍巖抗剪斷粘聚力為1.2 MPa。
a)計算工況
本工程設(shè)計洪水位為1562.00 m,校核洪水位為1562.22 m。堵頭處洞底高程約為1528.965 m,設(shè)計水頭33.04m,校核水頭33.26 m。
永久堵頭抗滑穩(wěn)定根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5195-2004)承載能力極限狀態(tài)驗算方法,按以下2 種工況進行計算:基本組合,上游設(shè)計水位1562.00 m情況;偶然組合,上游校核洪水位1562.22 m情況。
b)計算公式
作用效用函數(shù):S(·)=∑PR
抗力函數(shù):R(·)=fR∑WR+CRAR
式中:∑PR為滑動面上封堵體承受的全部切向作用之和,kN;∑WR為滑動面上封堵體全部法向作用之和,向下為正,kN;fR為混凝土與圍巖的摩擦系數(shù);取為1.0;CR為混凝土與圍巖的粘聚力,取為1.0×103kPa;AR為除頂拱部位(90°~120°)外,封堵體與圍巖接觸面的面積,m2;
各作用效應(yīng)組合按下列設(shè)計表達式計算:
承載能力極限狀態(tài)基本組合表達式:
承載能力極限狀態(tài)偶然組合表達式:
式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),對于結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅲ級的結(jié)構(gòu)采用0.9;ψ為設(shè)計狀況系數(shù),對于持久、短暫、偶然分別采用1.0、0.95、0.85;γd1為承載能力極限狀態(tài)基本組合的結(jié)構(gòu)系數(shù),取為1.2;γd2為承載能力極限狀態(tài)偶然組合的結(jié)構(gòu)系數(shù),取為1.2;αk為幾何參數(shù)的標準值;fk為材料性能的標準值;γm為材料性能的分項系數(shù);Gk為永久作用的標準值;γG為永久作用的分項系數(shù);Qk為可變作用的標準值;γQ為可變作用的分項系數(shù);Ak為偶然作用的代表值。
設(shè)堵頭的長度為L、堵頭的面積A=3.7708 m2,封堵體剪切面周長,不計頂拱長度,周長S=4.2 m。
偶然組合時:
解得:L=0.77 m。
同樣可算出基本組合時:L=0.90 m。
經(jīng)計算,堵頭長度為0.9 m即可滿足穩(wěn)定要求。實際布置時,為了便于與大壩防滲帷幕結(jié)合成整體,確定堵頭長度為10.4 m。
類比國內(nèi)已建類似工程,堵頭長度多數(shù)是洞徑的2.5倍~3倍、擋水水頭的1/3~1/4,本工程導(dǎo)流洞永久堵頭設(shè)計長度10.4 m、約為洞徑的5 倍,約為擋水水頭的1/3。因此,堵頭長度取10.4 m是合適的。
堵頭需滿足穩(wěn)定和防滲需要,本工程堵頭擋水位水頭較高,堵頭所受的荷載較大,但是導(dǎo)流洞斷面較小,周邊圍巖地質(zhì)條件較好,結(jié)合計算分析,封堵體采用等截面素混凝土結(jié)構(gòu)?;炷翉姸鹊燃墳镃20,抗?jié)B等級為W6,為增加防滲效果,在堵頭上下游設(shè)置兩道止水銅片。導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。
圖1 導(dǎo)流洞堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
堵頭回填施工程序:清除松動巖石并用高壓水沖洗干凈→布設(shè)灌漿系統(tǒng)→堵頭混凝土澆筑→圍巖與堵頭混凝土頂拱回填灌漿→接觸灌漿→(導(dǎo)流洞封堵處)主壩趾板帷幕補強灌漿。
1)導(dǎo)流洞進水口設(shè)有進水口結(jié)構(gòu)和進水口閘門,封堵蓄水時,由進水口閘門下閘封堵,進行永久堵頭的施工。
2)先將導(dǎo)流洞內(nèi)積水抽干后,檢查全洞圍巖穩(wěn)定性,如發(fā)現(xiàn)安全隱患應(yīng)先進行處理。為保證堵頭混凝土與圍巖的有效接觸,堵頭施工前將堵頭段原噴錨混凝土鑿除,對松動圍巖應(yīng)清除,并沖洗干凈。
封堵模板采用木模板,為加強混凝土與基巖之間的粘聚性,混凝土澆筑前鋪設(shè)一層5 cm厚水泥砂漿?;炷敛捎没炷帘萌雮},一次性澆筑完成。由于采用泵送混凝土,為保證混凝土的流動性和和易性,混凝土的塌落度控制在200 mm~230 mm之間。為保證堵頭達到穩(wěn)定溫度后進行灌漿,砼內(nèi)部埋設(shè)間距1.2 m冷卻水管。
灌漿由預(yù)埋灌漿管進行,堵頭混凝土的強度需達到70%以上、穩(wěn)定溫度≤17℃后,再進行回填、接觸灌漿,灌漿壓力0.2 MPa~0.3 MPa。根據(jù)現(xiàn)場揭露的地質(zhì)資料,圍巖為微新巖石,無需進行固結(jié)灌漿。回填灌漿和接觸灌漿均采用預(yù)埋管,引至堵頭下游端進行。
3.3.1 回填灌漿
堵頭混凝土由于受頂拱限制,很難將頂部澆筑滿,因此需要在頂拱埋設(shè)回填灌漿管?;靥罟酀{在頂拱90°范圍內(nèi)進行,回填灌漿管孔距為1.5 m,排距為1.5 m,灌漿壓力0.2 MPa~0.3 MPa。在堵頭混凝土強度達到設(shè)計強度的70%以上后進行。在設(shè)計壓力下,灌漿管停止吸漿,即灌漿完成。
3.3.2 接觸灌漿
接觸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,堵頭混凝土與圍巖間應(yīng)進行接觸灌漿,接觸灌漿灌漿管孔距為1.5 m,排距為1.5 m,灌漿壓力0.3 MPa~0.5 MPa。接觸灌漿需在堵頭混凝土達到穩(wěn)定溫度后進行。
導(dǎo)流洞堵頭受地形、地質(zhì)條件及大壩帷幕灌漿位置的影響,堵頭為永久建筑物,其設(shè)計級別、穩(wěn)定及防滲要求等均等同于擋水建筑物,為了保證堵頭的封閉性,后期灌漿施工尤為關(guān)鍵。小中河水電站下閘蓄水發(fā)電約8年時間,導(dǎo)流洞堵頭未出現(xiàn)滲水和漏水現(xiàn)場,為水電站大壩的安全運行提供了有力保障。