某水電站引水發(fā)電洞1號施工支洞封堵體設計

何 嵐

1 工程概況

扭子水電站工程位于甘肅省南部卓尼縣縣城上游約20.1km處的洮河干流上,距省會蘭州市約360km。工程主要任務是發(fā)電,主要建筑物由首部樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成。電站額定水頭25 m,設計引用流量138.60 m3/s,電站總裝機容量30 MW。工程規(guī)模為四等小(1)型工程,主要建筑物為4級,次要建筑物為5級。

引水隧洞是本工程主要建筑物。洞線布置于河道右岸山體中,為有壓隧洞,設計過水流量138.6 m3/s,斷面為7.6 m×7.6 m(寬×高)的弧底馬蹄形,進口底板設計高程 2590.5 m,出口底板設計高程2577.00 m,縱坡 i=0.299%,全洞長4393.114 m。引水系統(tǒng)共布置有施工支洞2條,其中1號施工支洞與發(fā)電隧洞平洞交于4 m+286.531 m處,1號堵頭位于1號施工支洞末端,斷面形式為城門洞形7.2 m×6.7 m(寬×高)。

目前,電站已正常運行一年多,1號堵頭結(jié)構(gòu)安全,滲漏量非常小?？梢?1號堵頭的設計是非常成功的?，F(xiàn)將堵頭設計的一點體會寫出來。

2 封堵體設計

參照已建成工程可以看出封堵體設計最關(guān)鍵的問題是確定封堵體長度。

2.1 基本資料

1號堵頭段地質(zhì)巖性為中三疊統(tǒng)第四巖組石英砂巖與砂質(zhì)板巖。綜合判定圍巖類別為Ⅳ類,圍巖穩(wěn)定性差,建議圍巖堅固系數(shù) fk=2～3,單位抗力系數(shù) k0=6MPa/cm～12MPa/cm。

2.2 確定封堵體長度的方法

堵頭長度的確定主要有3方面的因素:

1)安全,要求堵頭在強大的水壓力下無位移,也即是堵頭混凝土與洞圍巖的粘結(jié)力必須大于水壓力產(chǎn)生的剪力;

2)抗?jié)B漏,參考有關(guān)資料,沒有一個堵頭不漏水的,只是大小而已,只要漏水在允許的范圍內(nèi)不危及電站各建筑物的安全即認為可行;

3)經(jīng)濟,要滿足安全的條件下使堵頭最經(jīng)濟。

根據(jù)以上3個因素確定堵頭長度的方法較多。應根據(jù)工程實際情況確定。采用的方法包括以下幾種:

1)封堵體長度按3倍以上洞徑或洞寬。

2)挪威經(jīng)驗公式 L≥(3～5)H/100,其中,H為水頭長度;L為堵頭長度。

3)按照經(jīng)驗公式L=HD/50,其中,D為引水隧洞換算直徑。

這三種方法常用來初擬堵頭長度和估算工程量。

4)結(jié)構(gòu)力學法。

因為結(jié)構(gòu)力學方法受力概念明確,只要參數(shù)選取合理,計算結(jié)果比較符合客觀實際。

力學的方法,未考慮荷載分項系數(shù),但給出了較明確的安全系數(shù),因而相對更加合理一些。

2.3 堵頭長度計算成果

扭子水電站工程1號施工支洞作用水頭43.2 m,計算取混凝土與圍巖間的摩擦系數(shù)fR=0.7,粘聚力C=300 kPa。以上各計算方法的堵頭設計結(jié)果見表1。

表1 各計算方法的堵頭設計 m

由以上計算可以看出,對于水頭較高、圍巖完整性不好的情況,堵頭的設計長度應按力學的方法(抗剪斷公式)計算比較合適。參照已建成工程,同時考慮圍巖條件差容易引起水力繞滲的情況,取1)號封堵體長度為 21 m。

3 堵頭布置

堵頭長度確定以后,為了使堵頭符合抗滑穩(wěn)定計算時的假定。增大其安全儲備,實施時會增設齒槽、鍵槽、錨筋、倒坡等抗剪措施。但這些抗剪措施對施工支洞交通有一定的影響。而且往往由于時間緊迫,進度難以滿足要求。隨著科學技術(shù)和計算理論的不斷發(fā)展,工程實踐的增加和施工技術(shù)的提高,堵頭的體形朝著不斷簡化的方向發(fā)展。承受中小水頭的堵頭大多數(shù)都簡化為柱形,承受高水頭的堵頭也基本不另設抗剪槽。而采用增設部分錨筋、加強固結(jié)和接觸灌漿、提高其灌漿壓力等措施來增加安全余度。

4 混凝土堵頭的防滲設計

4.1 堵頭的混凝土材料

堵頭混凝土采用微膨脹混凝土,混凝土強度等級為C20,利用膨脹混凝土的后期膨脹特性,減小因混凝土干縮而產(chǎn)生的縫隙。

4.2 增設錨桿支護

在堵頭區(qū)域設置錨桿支護。錨桿布置范圍在支洞拱腳以下,直徑25,間排距2 m,長 3.0 m,伸入巖石 2.0 m,出露1 m。錨桿的主要作用是加固松動圈,給圍巖提供徑向和抗剪承載能力,阻止圍巖在水壓力作用下原有裂隙擴張或出現(xiàn)新的裂縫。

4.3 堵頭防滲灌漿

堵頭混凝土澆筑分倉的合理安排,使堵頭固結(jié)灌漿、回填灌漿效果更好。堵頭全斷面采用固結(jié)灌漿,灌漿孔深入巖石3.5 m,排距3.0 m,梅花形布置。堵頭拱腳以上范圍采用回填灌漿孔,排距3 m,梅花形布置?；靥罟酀{應待堵頭混凝土強度達到70%以上時才能進行。回填灌漿孔應深入圍巖內(nèi) 10cm,灌漿壓力0.2MPa～0.3MPa,具體可通過灌漿試驗確定。預留灌漿廊道,灌漿廊道在灌漿結(jié)束后,應用混凝土回填,其強度等級和配合比與堵頭混凝土相同?；靥钋皯獙⒗鹊乐苓吇炷凌徝?cm并沖洗干凈。通過灌漿可以有效的填充混凝土與巖石間的施工縫隙、巖石開挖爆破產(chǎn)生的松動圈縫隙等,提高堵頭區(qū)域圍巖抗?jié)B能力,減少滲漏量。

灌漿示意圖見圖1。

5 結(jié)語

施工支洞封堵體作為臨時建筑物,工程量相對較小,其重要性往往被忽視。工程實踐表明,封堵體一旦失事,會影響整個引水系統(tǒng)的正常運行,由于其他相關(guān)建筑物都已建成,等投產(chǎn)發(fā)電,其后果是不堪設想的。因此,應充分重視施工支洞的封堵設計。設計時應根據(jù)工程的實際情況進行分析和計算,確保盡快發(fā)揮工程效益。

[1] 張志立.水工隧洞封堵體設計與施工[J].湖南水利水電,2002(4):17-18.

[2] 甘文喜.水工隧洞堵頭設計探討[J].人民長江,2001,32(5):23-24.