吳益平
(福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000)
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泉州市八峰水庫砌石拱壩壩體預留交通洞口施工方案分析
吳益平
(福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000)
摘要:文章介紹泉州市八峰水庫砌石拱壩右岸現(xiàn)有公路預留交通洞,旨在解決庫區(qū)村民交通出行的難題。對位于壩體0.37H處預留交通洞進行壩體應力有限元分析計算及施工方案比較,確定預留交通洞對壩體施工期、運行期均無影響,有效推進大壩施工建設(shè)。
關(guān)鍵詞:砌石拱壩;交通洞;應力計算;洞口施工
1項目概述
八峰水庫主要樞紐建筑物攔河壩為雙曲砌石拱壩,按50 a一遇洪水設(shè)計,500 a一遇洪水校核,設(shè)計壩基高程139.0 m,設(shè)計壩頂高程206.5 m,最大壩高67.5 m,壩頂寬3.5 m,拱冠梁底寬16.0 m。
大壩右岸有一條現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路,是庫區(qū)內(nèi)洪四村村民對外交通的唯一通道,總長約4 km,路面為4.5 m寬的水泥混凝土路面,過壩路段路面高程164.0 m,穿越大壩右岸樁號K0+142.8~161.8。大壩施工已進入主體砌筑施工,按照進度計劃大壩將砌至165 m高程,右岸公路將中斷通行,為了保證壩體砌筑施工的整體性及連續(xù)性,又能解決庫區(qū)內(nèi)村民的交通需求,擬定在壩體中預留交通洞,解決交通出行問題。
2解決方案分析與確定
2.1壩體預留施工洞應力計算驗證
首先對結(jié)構(gòu)進行有限元網(wǎng)格劃分,并施加荷載及邊界約束,然后進行結(jié)構(gòu)計算,最后整理計算成果。
拱壩采用三心圓布置,大壩體形參數(shù)如表1所示。首先對壩體進行網(wǎng)格劃分(圖1),在厚度方向上等分成4單元,共劃分成428個塊體單元,700個節(jié)點;然后對壩基進行網(wǎng)格劃分,壩基的取值范圍為各方向均取100米,因此整個模型劃分成4880個空間8節(jié)點塊體單元,共有6120個節(jié)點;最后對模型施加約束和荷載(自重及溫度荷載),即在基礎(chǔ)邊界施加鉸約束,在壩體的各節(jié)點上施加溫度荷載(溫差按國內(nèi)經(jīng)驗修正公式:T m=±47/(T+3.39)計算)。
圖1 大壩及基礎(chǔ)網(wǎng)格剖分圖
表1 拱壩基本尺寸
2.1.1計算工況
本次計算了2種工況:①空庫+自重+溫降;②空庫+自重+溫升。
2.1.2計算參數(shù)
壩體混凝土彈模E=10GPa,容重γ=2.3t/m3,泊桑比μ=0.22,線性熱膨脹系數(shù)α=0.8×10-5/℃,基礎(chǔ)彈模E=13 GPa。
2.1.3應力控制指標
拱壩應力控制指標按照《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范(SL282—2003)》采用,有限元法經(jīng)等效處理后的混凝土允許的拉應力,基本組合為1.5 MPa,特殊組合為2.0 MPa。
圖2 有限元計算結(jié)果
2.1.4計算成果分析
從圖2可看出,有無交通洞對整個壩體的應力分布影響很小,只是在交通洞附近區(qū)域有比較大的影響。
經(jīng)過應力計算及分析論證,確定在壩體中預留交通洞口是可行的。
2.2預留交通洞方案
經(jīng)過實地勘察,考慮工程實際,提出以下2種預留交通洞方案:
表6 預留交通洞方案對比
2種方案施工簡圖
1)方案一:施工示意圖見圖3,右岸公路處壩基開挖后架設(shè)鋼便橋做臨時路,路面以上壩體預留交通洞。
2)方案二:施工示意圖見圖4,右岸公路處壩基開挖后臨時填石渣做臨時路,壩基分二次開挖后,在現(xiàn)有路面以上壩體預留交通洞。
圖3 方案一示意圖
圖4 方案二示意圖
2.3大壩右岸過壩預留交通洞口方法措施敘述
1)方法一:壩基基坑架設(shè)便橋,在便橋旁邊預留交通洞。首先對樁號K0+161.9~170.1段壩基進行開挖,架設(shè)一座鋼便橋(寬4.5 m×20 m),形成過壩通道后,再開挖公路外側(cè)壩基,在現(xiàn)有公路位置處,預留過壩交通洞口。在壩體及交通洞口澆筑成型后,臨時路改道往交通洞口通車,拆除鋼便橋后,把壩體從基礎(chǔ)往上砌至交通洞頂平,則左右岸壩體同步砌筑上升,進出洞口及兩側(cè)道路做好安全防護措施,確保路面以上壩體施工安全。直至左岸改建公路建成通車后,再把預留交通洞封堵并進行接觸灌漿處理,使其與原壩體形成一體。
2)方法二:壩基臨時填筑石渣形成通道,旁邊預留交通洞。首先對樁號0+161.9~170.1段路內(nèi)側(cè)的壩基進行開挖,再回填石渣,首次改道。再把路外側(cè)0+142.8~162.9段壩基開挖完成,把壩體砌筑上升至163.85 m(與現(xiàn)有路面平),留置好壩體預留洞,再路外側(cè)已砌好的壩體上澆筑路面混凝土,把交通路從內(nèi)向外再次改道。清理出路內(nèi)側(cè)0+161.9~170.1填筑的石渣,把路內(nèi)側(cè)基坑壩體砌筑至現(xiàn)有路面平,使壩體預留洞口兩側(cè)壩體(163.85~170 m)可同時砌筑上升,按照設(shè)計圖紙澆筑鋼筋混凝土交通洞,形成過壩交通洞,做好進出洞口的連接段路基路面,及路兩側(cè)管棚防護工程,即把右岸交通道路改至預留的交通洞口通行,則左右岸壩體可以同步砌筑上升,進出洞口及兩側(cè)道路做好安全防護措施,以確保路面以上壩體施工安全。直至左岸改建公路建成通車后,再把預留交通洞封堵并進行接觸灌漿處理,使其與原壩體形成一體。
經(jīng)兩種措施方案比較,綜合考慮多方面因素,最終采取第二種方案,即采用右岸公路壩基分期開挖,在路內(nèi)側(cè)基坑內(nèi)填筑石渣做臨時過壩路,路面以上壩體采用預留交通洞口的方案。
3壩基臨時填筑石渣形成通道+預留交通洞實施措施
3.1壩體預留洞交通分流施工總體方案
壩體預留交通洞施工總體部署,采用先開挖路內(nèi)側(cè)壩基,再回填石渣,首次改道,再把路外側(cè)壩基開挖完成,壩體砌筑上升至163.85 m(與現(xiàn)有路面平),把壩體預留洞的位置事先留置好,再路外側(cè)與砌好的壩體上澆筑路面混凝土,把交通路從內(nèi)向外再次改道,清理出路內(nèi)側(cè)填筑石渣,把路內(nèi)側(cè)基坑壩體砌筑至現(xiàn)有路面平,使壩體預留洞口處兩側(cè)壩體(163.85~170 m)可同時砌筑上升,按照設(shè)計圖紙澆筑預留洞口鋼筋混凝土,然后做好進出洞口的連接段路基路面,及路兩側(cè)管棚防護工程,即可把右岸交通道路改至預留的交通洞口通行,直至左岸改建公路建成放行通車后,再把預留交通洞封堵并進行接觸灌漿處理,使其與原壩體形成一體[1]。
3.2方案實施
1)道路內(nèi)側(cè)改線段高邊坡噴錨加固、危石處理??拷F(xiàn)有道路內(nèi)側(cè)壩坡均為高邊坡,便道向內(nèi)改線后,因處于汛期雨季施工季節(jié),邊坡容易失穩(wěn)坍方,應采用噴錨支護后才能保證通車安全。壩址上游路段邊坡為土坡,采用噴10cm厚C20素混凝土防護,;壩址下游路段邊坡為壩基開挖石方邊坡,邊坡上松石險石應先排除干凈,對節(jié)理面發(fā)育的巖層打設(shè)Φ22錨桿,長4 m,間距2 m,再掛Φ6@10的鋼筋網(wǎng),噴10cm厚C20素混凝土進行防護。
2)首次開挖靠路內(nèi)側(cè)壩基石方。因右岸現(xiàn)有公路的影響,右岸樁號0+142.8~0+170.1段, 27.3 m長的壩基無法開挖,本段壩基分二次開挖,首先開挖右岸公路內(nèi)側(cè)樁號K0+170.1~161.9段壩基,長8.2 m,采用淺孔小藥量控制爆破方法開挖,并做好爆破安全警戒工作,開挖過程應注意保護已施工完壩體及現(xiàn)有公路交通安全。
3)第一次便道改線。路內(nèi)側(cè)壩基開挖后,在靠路外側(cè)用m7.5砌筑一塊石擋土墻用于擋渣,自卸汽車運載石渣回填至現(xiàn)有路面平,最后澆筑一層15cm厚素混凝土硬化路面,并在路內(nèi)外側(cè)分界線砌筑一條(0.5*0.5 m)防撞擋墻隔離。路面形成后即可向內(nèi)改道通車。
4)開挖現(xiàn)有公路處壩基土石方。在道路向內(nèi)改道后,即可著手現(xiàn)有公路外側(cè)的壩基開挖,開挖右岸公路外側(cè)K0+142.8~161.9段壩基,長19.1 m,采用淺孔小藥量控制爆破方法開挖,并做好爆破安全警戒工作,開挖過程應注意保護已施工完壩體及現(xiàn)有公路交通安全。在靠近已砌筑壩體間,打設(shè)一排防震孔,確保不影響壩體質(zhì)量。在靠近首次改道處砌筑隔離擋土墻的壩基石方,采用挖掘機改裝的沖擊錘鑿除基底塊石進行非爆破開挖,確保該處擋墻穩(wěn)定,保證首次改道路基安全。
5)第二次改道,現(xiàn)有公路處壩體砌筑至163.85 m,澆筑15cm厚素混凝土路面。在路外側(cè)壩體開挖完成后,進行壩基灌漿處理,逐層砌筑壩體至163.85 m。再靠公路外側(cè)壩體處先后澆筑一段與上下游公路連接段混凝土,把過壩段公路再次臨時改向靠河外側(cè)。
6)路內(nèi)側(cè)壩段挖除回填石渣,壩體砌筑至164 m。
道路再次改向靠路外側(cè)后,就把原路內(nèi)側(cè)壩基工作面清理出來,把填筑做路的石渣清理干凈,驗槽灌漿處理后,即可進行壩體砌筑,逐層砌筑至現(xiàn)有路面(164 m)平。
7)壩體163.85~170 m砌筑,澆筑預留洞口鋼筋混凝土。
按照預定的預留洞口位置(中心樁號0+158.5)處,事先把兩側(cè)壩體約2~3 m長,砌筑至170 m高程,即處于洞口頂拱位置,再安裝預留洞的內(nèi)模,澆筑洞壁、頂拱鋼筋混凝土,拆模后預留交通洞成型。壩體交通洞口尺寸擬為:4.5×5.75 m,預留洞中心樁號0+158.5,高程164 m。
8)砌筑進出洞口段擋墻、回填石渣、路面混凝土。因壩體砌筑后與開挖基坑邊坡之間有間隙,需要采用內(nèi)外側(cè)砌筑 m7.5塊石擋墻連接,中間填筑石渣至路面平,面層澆筑一層C20素混凝土硬化。
9)進出洞口段管棚及交通安全警示防護設(shè)施。
壩體預留洞口形成后,即在進出洞口兩側(cè),各架設(shè)15~20 m長、寬6 m的鋼架管棚,上部鋪設(shè)工字鋼及12 mm厚鋼板遮擋進行防護,防止壩上吊裝作業(yè)時高空落物,影響道路交通安全。進出大壩作業(yè)區(qū)時,考慮夜間施工及道路安全行車需要,應在管棚及預留洞口內(nèi)及進出洞口,設(shè)立反光標志,夜間警示燈照明裝置等,確保施工及交通安全。
10)第3次道路改道,恢復通車,進入壩體正常施工。預留洞口及前后道路硬化及安全防護措施到位后,即可進行道路第3次改線,從原有的路線行車。在右岸壩段砌筑施工時,應特別注意壩體吊裝作業(yè)與道路交通干擾的交叉作業(yè),采用在交通繁忙的時段停止或減少吊裝作業(yè),吊裝作業(yè)點放在靠近道路外的地段,避免吊裝作業(yè)與交通車輛的交叉,避免交通事故。
11)左岸改建公路建成通車。規(guī)劃的左岸改線公路建成后,具備通車條件后,即可中斷現(xiàn)有右岸公路交通,大壩即可著手封堵預留洞口施工。大壩封堵預留洞口,采用與壩體同標號的混凝土砌筑回填,接觸面采用回填灌漿處理,使該處壩體形成整體,具備擋水條件。
4結(jié)語
為了有效解決水庫右岸交通現(xiàn)狀問題,徹底解決因交通公路改線建設(shè)可能導致水庫大壩建設(shè)嚴重滯后中斷的問題,本工程通過科學分析論證在砌石拱壩壩體中預留一個≤4.5×5.75 m洞口作為交通洞方案的可行性,并經(jīng)過一年多的安全運行觀測,對大壩的整體結(jié)構(gòu)無產(chǎn)生影響,為以后類似工程可提供學習借鑒。
參考文獻:
[1]肖艷,張光科,劉超.石城子水庫砌石拱壩除險加固設(shè)計[J].東北水利水電,2007(08):111-112.
文章編號:1007-7596(2016)02-0048-04
[收稿日期]2015-10-28
[作者簡介]吳益平(1960-),男,福建泉州人,工程師,從事水利施工管理工作。
中圖分類號:TV641.31
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