毛爾蓋水電站導(dǎo)流洞封堵施工組織及溫控設(shè)計(jì)

2013-10-23 05:12:12龍軍飛

水電站設(shè)計(jì) 2013年4期

何坤，龍軍飛

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前言

毛爾蓋水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內(nèi)，是黑水河干流“二庫(kù)五級(jí)”開(kāi)發(fā)方案的第三個(gè)梯級(jí)電站。攔河大壩采用礫質(zhì)土直心墻堆石壩，壩頂高程為2 138.00m，壩頂寬12.0m，心墻底高程為1 991.00m，頂部高程為2 136.00m，最大壩高為147.00m。壩區(qū)樞紐采用斷流圍堰擋水、隧洞過(guò)流，壩體工程全年施工的導(dǎo)流方式，導(dǎo)流洞布置于左岸，凈斷面為8m×9.5m方圓形斷面。

根據(jù)前期設(shè)計(jì)方案，本工程采用常規(guī)的“汛后下閘、枯期施工導(dǎo)流洞堵頭、堵頭完建后蓄水發(fā)電”的方案，在工程實(shí)施過(guò)程中，隨著工程進(jìn)展，控制工程蓄水發(fā)電的所有項(xiàng)目實(shí)際可以在2011年3月前完工，工程具備2011年3月下閘蓄水的條件，為使工程盡早發(fā)揮效益，需要分析研究采用“汛前下閘、汛中施工堵頭、堵頭完建后蓄水發(fā)電”的方案。

若導(dǎo)流洞在3月中旬下閘，由于永久堵頭施工工序復(fù)雜(排水、澆筑混凝土、灌漿等項(xiàng)目)，汛前難以完成永久堵頭封堵的全部項(xiàng)目;而在汛期施工堵頭，在放空洞敞泄的條件下，外水水頭仍然較高，根據(jù)復(fù)核，導(dǎo)流洞襯砌結(jié)構(gòu)及導(dǎo)流洞閘門(mén)均不能承受高水頭及相應(yīng)的外水壓力，堵頭施工風(fēng)險(xiǎn)極大。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析論證，本工程需要將堵頭分兩段施工，利用較為安全的3～4月施工一期堵頭，汛期施工二期堵頭，利用一期堵頭來(lái)抵擋二期堵頭施工期的高外水，本方案既可滿足一期堵頭施工期安全，又可降低二期堵頭施工期的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 導(dǎo)流洞堵頭布置

導(dǎo)流洞堵頭分兩段布置，二期堵頭體型為楔形體，長(zhǎng) 30m，斷面尺寸 8.0m×9.5m～12.0m×11.0m;一期堵頭長(zhǎng)25m，斷面尺寸8.0m×9.5m，設(shè)置在二期堵頭上游側(cè)，并與二期堵頭緊鄰布置。

由于一期堵頭必須在4月底以前完成，以保護(hù)汛期二期堵頭施工，施工工期較緊，因此一期堵頭采用整倉(cāng)連續(xù)澆筑，不設(shè)施工廊道，堵頭混凝土采用C20微膨脹混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W10。二期永久堵頭長(zhǎng)度為30m，堵頭混凝土采用C20中熱水泥混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W10。堵頭水平向分兩段澆筑施工(單塊長(zhǎng)度15m)，中間設(shè)施工縫，豎向分6層澆筑，底部層厚1.5m，其余5層層厚2.0m，每層布設(shè)冷卻水管;考慮后期灌漿要求，永久堵頭中部設(shè)置施工廊道，廊道尺寸2.5m×3.0m(寬×高)。

3 堵頭施工組織設(shè)計(jì)

堵頭施工程序按下閘→出口圍堰堆筑→洞內(nèi)加固消缺(閘門(mén)至一期堵頭之間洞段)→一期堵頭施工→二期堵頭施工的順序進(jìn)行。

3.1 出口圍堰施工

導(dǎo)流洞下閘后，由放空洞敞泄來(lái)水，導(dǎo)流洞出口只有放空洞下泄流量的河床尾水回水，出口選擇土石混合圍堰擋水，最大堰高約5m。

3.2 一期堵頭施工

洞內(nèi)加固消缺處理完成后，先進(jìn)行堵頭前子堰施工，子堰布設(shè)在一期永久堵頭上游側(cè)，底板預(yù)埋排水鋼管以將上游滲漏水排除至二期永久堵頭下游。子堰高度根據(jù)滲水量大小確定，子堰材料采用粘土編織袋。

一期堵頭澆筑前需先對(duì)原襯砌結(jié)構(gòu)鑿毛，鑿毛采用風(fēng)鎬施工，并采用高壓水沖洗毛面。堵頭混凝土采用6m3混凝土攪拌車運(yùn)輸，HBT60型混凝土泵入倉(cāng)澆筑。

回填灌漿采用預(yù)埋管的方式，灌漿管深入原襯砌混凝土10cm并將預(yù)埋管引至堵頭外側(cè)。

3.3 二期堵頭施工

二期堵頭長(zhǎng)度30m，可以一段整倉(cāng)施工，也可以分兩段施工，一段施工較為方便，溫控難度較大，分兩段施工溫控難度較小，經(jīng)工期、施工難度綜合考慮采用分兩段施工的方案。

導(dǎo)流洞二期堵頭斷面8～12m×9.5m～11.5m，二期堵頭按兩段施工，豎向分6層，相應(yīng)層厚1.5m、2m、2m、2m、2m、2m(從下至上)，每段共計(jì) 6 個(gè)倉(cāng)。兩段平行施工，跳倉(cāng)澆筑，封堵混凝土最大倉(cāng)位面積為156.4m2。冷卻分兩期進(jìn)行，一期在每層混凝土澆筑完成即開(kāi)始，溫控目的是對(duì)混凝土最高溫升削峰，二期冷卻待最后一倉(cāng)混凝土達(dá)到80%以上設(shè)計(jì)強(qiáng)度后(約21d齡期后)再進(jìn)行，溫控目的是使混凝土盡快達(dá)到接縫灌漿溫度。

4 施工進(jìn)度

堵頭施工進(jìn)度必須滿足兩個(gè)要求:

(1)一期堵頭在汛前完成，以保證汛期二期堵頭施工的安全;

(2)堵頭施工應(yīng)盡早完成，永久堵頭施工越早完成，水庫(kù)就越早可以蓄水，提前發(fā)電產(chǎn)生的效益是巨大的，因此堵頭施工在保證施工質(zhì)量的前提下，越快越好。

根據(jù)施工項(xiàng)目、施工條件及溫控方案，對(duì)永久堵頭施工進(jìn)度進(jìn)行詳細(xì)分析(見(jiàn)表1):

表1 堵頭施工進(jìn)度

由表1分析可知，二期堵頭施工工期96天，一期堵頭施工工期31天，兩期堵頭工期合計(jì)127天。本工程安排在2011年3月(3月1日至3月31日)內(nèi)擇機(jī)下閘，永久堵頭全部完工、開(kāi)始蓄水的時(shí)間相應(yīng)在2011年7月5日至8月4日之間。為方便計(jì)算，在后文的溫控設(shè)計(jì)中，下閘時(shí)間擬定為3月中旬，相應(yīng)一期堵頭混凝土澆筑時(shí)間在4月上旬，二期堵頭開(kāi)澆時(shí)間在4月下旬。

5 堵頭溫控設(shè)計(jì)

5.1 基本資料

(1)氣溫:二期堵頭施工時(shí)段為4月中旬至7月中旬，壩址處最高氣溫18.9℃。

(2)水溫:水溫?zé)o實(shí)測(cè)資料，按比氣溫低2～3℃考慮，根據(jù)進(jìn)度安排，一期通水時(shí)間在5月，通水平均水溫取12℃，二期通水時(shí)間在6月，通水平均水溫取13℃。

(3)地溫:本電站壩址地溫資料見(jiàn)表2。

表2 多年平均地溫統(tǒng)計(jì)

(4)膠凝材料水化熱?；炷聊z凝材料考慮采用低熱或中熱水泥，根據(jù)GB200－2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》，水化熱取值見(jiàn)表3。

表3 膠結(jié)材料水化熱 KJ/Kg

(5)混凝土熱學(xué)性能。根據(jù)以往室內(nèi)試驗(yàn)成果，并參考有關(guān)工程資料，得到混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 混凝土熱學(xué)性能

(6)敞開(kāi)的混凝土表面在空氣中的放熱系數(shù)β:冬季(10月～次年5月):β=84kj/m2·h·℃

5.2 混凝土溫控設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞堵頭在澆筑過(guò)程中采取相應(yīng)的溫控措施，目的是根據(jù)混凝土的澆筑溫度、混凝土在降溫過(guò)程中的人工通水冷卻參數(shù)及通水溫差來(lái)控制混凝土的允許最高溫度，同時(shí)在滿足混凝土抗裂要求的前提下盡快達(dá)到接縫灌漿的穩(wěn)定溫度(根據(jù)年平均氣溫資料，穩(wěn)定溫度取17℃)。

(1)混凝土溫差設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。堵頭屬于基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)，最大溫升根據(jù)(DL/T5108－1999)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求為22～19℃，設(shè)計(jì)取21℃。

(2)混凝土澆筑溫度。由于導(dǎo)流洞二期堵頭混凝土開(kāi)澆時(shí)間在2011年4月下旬，根據(jù)當(dāng)時(shí)氣溫計(jì)算混凝土出機(jī)口溫度，控制混凝土澆筑溫度不超過(guò)14℃。

(3)導(dǎo)流洞堵頭混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，考慮如下情況進(jìn)行導(dǎo)流洞堵頭溫度場(chǎng)計(jì)算:

每段分6層施工，相應(yīng)層厚1.5m，5×2 m(從下至上)，澆筑間歇時(shí)間均為3天，計(jì)算第一倉(cāng)開(kāi)始澆筑時(shí)間考慮為4月25日，在不采取任何溫控措施的情況下，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。堵頭溫度包絡(luò)線，包絡(luò)等值線見(jiàn)圖1、2，澆筑塊中心點(diǎn)溫度過(guò)程線見(jiàn)圖3。

(4)計(jì)算結(jié)果分析。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在采取中熱水泥、混凝土澆筑自然入倉(cāng)、不采取一期冷卻的情況下，堵頭內(nèi)最大溫升達(dá)到37.4℃，已經(jīng)接近允許的最大溫升38℃，為了防止二期冷卻溫降過(guò)快產(chǎn)生裂縫，仍需要對(duì)混凝土進(jìn)行一期冷卻。

表5 導(dǎo)流洞堵頭溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖1 堵頭溫度包絡(luò)線示意(不進(jìn)行一冷)

圖2 堵頭溫度包絡(luò)等值線示意(不進(jìn)行一冷)

圖3 最上層澆筑塊中心點(diǎn)溫度過(guò)程線(不進(jìn)行二冷)

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，由于導(dǎo)流洞堵頭處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，混凝土塊達(dá)到穩(wěn)定溫度(17℃)，需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間，為使接縫灌漿能及時(shí)進(jìn)行，水庫(kù)能盡早蓄水，須進(jìn)行二期通水冷卻。

5.3 人工通水冷卻

(1)冷卻水管布置。堵頭內(nèi)埋設(shè)的蛇形水管按1.5m×1.5m(水管間距)布置，埋設(shè)時(shí)水管距堵頭上游面0.5～1m、距下游面1.0～1.5m，水管距接縫面、洞周邊1.0～1.5m。

(2)一期冷卻。通水溫度按5月份平均河水溫度12℃考慮，單根水管長(zhǎng)度不大于200m，通水流量0.9m3/h，通水時(shí)間14天，一期通水冷卻結(jié)束后堵頭內(nèi)平均溫度約為23～25℃。

(3)二期冷卻。二期冷卻仍采用天然河水，以混凝土溫度達(dá)到17℃為準(zhǔn)。水管布置按1.5m×1.5m考慮，水溫按6月份平均水溫13℃考慮，水管流量按0.9m3/h，通水時(shí)間30天。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。二期冷卻后堵頭溫度云圖、溫度等值線圖見(jiàn)圖4、5，最上層澆筑塊中心點(diǎn)溫度過(guò)程線見(jiàn)圖6。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)在水電工程的前期設(shè)計(jì)階段，一般采取汛后下閘，枯期施工堵頭的方案，前期導(dǎo)流洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也按此方案考慮，但在工程實(shí)際施工過(guò)程中，在其他相關(guān)項(xiàng)目完工，具備下閘條件后，為取得提前發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益，往往需要研究汛前下閘的方案，這時(shí)導(dǎo)流洞洞身結(jié)構(gòu)、閘門(mén)等相關(guān)項(xiàng)目均難以滿足汛期施工要求，本工程將永久堵頭分段施工，較好的避免了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了永久堵頭的施工質(zhì)量。

(2)堵頭冷卻分兩期進(jìn)行:通過(guò)一期冷卻，降低了澆筑過(guò)程中的最高溫升;通過(guò)二期冷卻，在較短的時(shí)間使混凝土達(dá)到穩(wěn)定溫度以進(jìn)行接縫灌漿，從而縮短了堵頭施工時(shí)間，為水庫(kù)盡早蓄水創(chuàng)造了有利條件。