哈達山水利樞紐工程中混凝土模袋的設計與施工

許經(jīng)宇，左明利，寧鵬飛，陳中竹

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021）

哈達山水利樞紐工程由壩區(qū)樞紐工程、防護區(qū)工程和輸水工程組成。壩區(qū)樞紐工程由混凝土重力壩連接段、河床式電站、溢流壩、取水及門庫段、粘土均質(zhì)壩等組成，防護區(qū)防護工程由防護堤、強排站、灌溉涵洞和排水溝等組成，輸水工程包括渠首閘、輸水干渠及其交叉建筑物等。輸水干渠全長95.93 km，渠首設計流量為175 m3/s，全線橫斷面均采用梯形明渠輸水斷面，渠道邊坡采用1∶2.5。

1 襯砌形式的選擇

輸水干渠全長95.93 km，渠道33+623.18～96+742.03段，多為全挖方渠道,渠底巖性主要為黃土狀壤土、粘土、極細砂組成，黃土狀壤土、粘土屬于粘性土，含水率較高，壤土的滲透系數(shù)為3.12×10-5，黃土狀壤土的滲透系數(shù)為5.08×10-5，且壤土和黃土狀壤土層厚度都在5 m以上，屬于強凍脹土，存在凍脹和凍融脫坡問題。又由于干渠在該渠段地下水位均在渠道底板以上，最高的為渠道底板以上5 m左右，導致凍脹問題更為突出，因此該渠段襯砌的設計不僅要滿足抗滑穩(wěn)定等要求，如何解決凍脹問題更是工程設計的重中之重。該段襯砌工程量近193萬m2，在工期短，工程量大的情況下保證施工進度也是襯砌形式選擇的一個重要方面。通過多個方案的比選和綜合考慮，該渠段襯砌材料選用適應凍脹變形的鉸鏈式內(nèi)綸模袋混凝土柔性護坡型式[1]。

2 設計方案

2.1 厚度計算[2]

1）抗漂浮厚度計算

式中：c——面板系數(shù)，大塊混凝土護面，c=1，護面上有濾水點，c=1.5；Hw，Lw——波浪高度與長度，m；Lr——垂直于水邊線的護面長度，m；m——坡角的余切；γc——砂漿或混凝土有效容重，kN/m3；γw——水容重，kN/m3。

2）抗冰推所需厚度計算

式中：δi——冰層厚度，m；Pi——設計水平冰推力，有資料建議初設取150 kN/m2；Hi——冰層以上護面垂直高度，m；Ccs——護面與坡面間粘著力，150 kN/m2；fcs——護面與坡面間摩擦角；Fs——安全系數(shù)，一般可取3。

3）抗滑穩(wěn)定計算

式中：L2——坡角以下水平護面長度，m；L3——護坡上模袋斜向長度，m；α——坡角；fcs——模袋與坡面間摩擦系數(shù)，應由試驗測定，無試驗資料時，可采用約0.5；Fs——安全系數(shù)，可取1.5。

根據(jù)上述計算，對于樁號33+623.18～96+742.03的強凍脹土渠段，渠坡采用12 cm厚鉸鏈式模袋混凝土防護，模袋的規(guī)格2 m×2 m，強度等級C20，抗凍等級F200，模袋板塊間采用尼龍繩連接，垂直水流方向為2根φ10的尼龍繩，順水流方向為1根Φ8的尼龍繩。在坡腳設現(xiàn)澆混凝土腳槽，坡腳腳槽底寬0.5 m，深0.8 m，腳槽混凝土的強度等級C20、抗凍等級F200；護砌坡頂設混凝土封頂，強度等級C20、抗凍等級F200。在鉸鏈式模袋混凝土護坡下設無紡布，無紡布規(guī)格為300 g/m2。其具體形式見圖1。

圖1 模袋混凝土護坡示意圖

3 施工工藝

1）施工準備[3]。包括備足所需材料和設備、平整坡面、現(xiàn)場就位、放線定位、開挖頂腳基槽、測量水下施工水深和流速等。泵送施工主要設備是混凝土（砂漿）攪拌機和混凝土（砂漿）泵等。

2）鋪設模袋[3]。機織模袋應在各片連接的底面鋪非織造土工織物。各片間連接底面的非織造土工織物采用縫接或搭接，搭接寬度20～30 cm，土工織物在坡頂處可用8號鐵絲制成的“n”形釘固定。順水流方向鋪土工織物時，搭接帶亦應固定。簡易模袋先鋪設非織造土工織物濾層，然后在其上鋪模袋。一次鋪設土工織物面積的大小根據(jù)充灌施工進度確定。

3）模袋混凝土充灌[3]。施工時應采取措施盡量縮短泵送軟管長度，中間以短硬管相連，變換灌口時將管口堵上以減少水泥漿流失，并盡量減少軟管的彎折和顫動，保證順利泵送。

a）為防止堵塞事故，應隨時檢查混凝土級配和坍落度；防止過粗骨料進入和堵塞管道；防止泵人空氣，造成堵管或氣爆；充灌應連續(xù)，停機時間一般不得超過20 min。

b）泵與充灌操作人員之間應隨時聯(lián)系，緊密配合，充灌到位后及時停機，以防充灌過程產(chǎn)生鼓包或鼓破。出現(xiàn)鼓脹時，應及時停機，查找原因并處理。

c）隨時檢查坡頂鋼樁是否牢固，以防充灌過程中模袋下滑。灌完一片后，移動設備，按上述步驟進行下一片的充灌施工。應特別注意兩片間的聯(lián)接、靠緊。

4）養(yǎng)護。全部護坡施工完成后，進行坡頂、坡腳和上下游兩側(cè)接頭的回填處理，同時進行護面混凝土的養(yǎng)護。一般養(yǎng)護期為7 d，要求在此期間護坡表面處于潤濕狀態(tài)。

5）模袋混凝土標號及材料。模袋混凝土強度等級為C25，抗凍標號為F300，抗?jié)B標號為W6?；炷了涠葹?3±2 cm。

水泥采用強度等級42.5的普通硅酸鹽。為提高模袋混凝土的抗凍性，施工時要求在混凝土中摻加適量的外加劑。

模袋采用有排水點的丙綸編制布機制模袋。模袋混凝土護坡的平均厚度為120 mm，展開模袋，在其上、下緣插入掛袋鋼管，扎緊灌料口，移至坡面；設上緣固定樁和松緊器，并將其從坡上往坡下鋪放。充填混凝土利用特制的灌料泵，攪拌好的混凝土應做坍落度試驗，混凝土坍落度要嚴格控制在23±2 cm范圍內(nèi)，充填自下而上，按左、中、右灌入孔次序充填，充填約1 h后即可清除模袋表面漏漿，進行下一道工序。模袋內(nèi)灌注混凝土后，底面兩側(cè)必須是緊貼坡面，不能有蹺起現(xiàn)象，試驗合格后才可由相應廠家成批生產(chǎn)采購。模袋護坡的側(cè)翼設壓袋溝，深度為0.80 m，下底寬為0.5 m，用水泥砂漿壓模袋。水泥砂漿標號為M7.5，水泥采用強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，沙子采用中粗砂。

模袋內(nèi)垂直水流方向設置φ10 mm丙綸長絲繩，間距0.6 m。

4 結(jié)語

哈達山水利樞紐工程輸水干渠長50 m的混凝土模袋試驗段于2008年完工，經(jīng)過3年的過水運行，外觀、整體穩(wěn)定性表現(xiàn)良好?；炷聊４€有著適應變形能力強，外形美觀，造價低廉，施工工藝簡單，襯砌速度快等優(yōu)點。在哈達山輸水干渠施工過程中，每天可襯砌200～300 m，是普通混凝土板塊襯砌速度的1.5～2.5倍。因此，混凝土模袋在哈達山水利樞紐工程中的應用，為我國北方，尤其是凍脹問題突出的東北嚴寒地區(qū)的長距離輸水渠道襯砌設計提供了科學的參考依據(jù)，同時也使哈達山水利樞紐工程發(fā)揮了更好的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]控導工程鉸鏈式模袋混凝土沉排[J].吉林水利，2009（1）.

[2]SL/T 225-98，水利水電工程土工合成材料應用技術(shù)規(guī)范[S].

[3]包承綱.堤防工程土工合成材料應用技術(shù)[M].北京：水利水電出版社，1999，12.