陸新佳
摘 要:大灣水電站調(diào)壓井部位地質(zhì)條件差,無法大面積開挖,采用新型螺旋阻抗式調(diào)壓井,減少開挖斷面,增大水面面積,有效地降低了涌浪高度,并可兼做交通洞,節(jié)省投資。
關(guān)鍵詞:調(diào)壓井;螺旋阻抗式;大灣水電站
中圖分類號:TV732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
1 工程概況
大灣水電站位于云南省楚雄州雙柏縣禮社江上,是禮社江規(guī)劃河段的最后一個梯級。正常蓄水位748.0m,最大壩高44m,相應(yīng)庫容2244×104m3,校核洪水位為750.65m,總庫容2885×104m3。具有日調(diào)節(jié)性能,總裝機容量49.8MW。引水系統(tǒng)由右岸岸邊進(jìn)水口、壓力引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管道組成。
2 螺旋阻抗式調(diào)壓井設(shè)計由來
2.1 可研階段調(diào)壓井方案
可研設(shè)計階段,調(diào)壓井布置在引水隧洞1+300.00m處的右岸山梁上,調(diào)壓井井筒直徑16m,斷面面積為201 m2,最高涌波水位為EL.761.100m,最低涌波水位為EL.726.834m,確定調(diào)壓井井筒頂高程為EL.765.000m,穹頂高程為EL.770.000m,壓力管道進(jìn)口軸線高程EL.720.625m。阻抗孔直徑為3.5m,面積約為引水隧洞面積的34%,可以有效抑制調(diào)壓室的波動幅度及加速波動的衰減。在穹頂設(shè)置水平通風(fēng)洞(寬×高=4m×5m),底板高程為EL.765.000m。
根據(jù)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)及圍巖條件,初步確定調(diào)壓井底板厚1m,井壁厚0.5m,鋼筋混凝土襯砌,頂拱一次支護(hù)為掛網(wǎng)噴錨支護(hù),井壁一次支護(hù)為噴錨支護(hù)。
初步擬定一次支護(hù)設(shè)計方案為:噴C20混凝土0.15m,布置系統(tǒng)錨桿Φ22@2000×2000,L=4.5m;襯砌結(jié)構(gòu)及配筋方案為:襯砌厚度0.5m,環(huán)向受力鋼筋采用雙層對稱配置,單側(cè)Φ22@200,縱向分布筋Φ16@200,利用數(shù)值計算成果進(jìn)行驗算。
2.2 存在的問題和設(shè)計變更的必要性
調(diào)壓井在開挖通風(fēng)洞(兼施工支洞)時,在進(jìn)洞不久就出現(xiàn)大面積塌方,支護(hù)采用鋼支撐強支護(hù)強行開挖,但在接近調(diào)壓井處出現(xiàn)大塌方,隧道被堵死,工程被迫停工。
根據(jù)調(diào)壓井處地質(zhì)條件、工程設(shè)計方案,以及工程施工實際情況,分析原設(shè)計方案主要存在如下問題:
(1)直徑16m的調(diào)壓井穹頂處于地質(zhì)變化復(fù)雜的強風(fēng)化巖層中,即使采用強支護(hù)也難以成形,安全隱患較大。調(diào)壓井井筒處于較差的圍巖中,開挖施工安全隱患大。
(2)原支護(hù)設(shè)計僅用噴錨支護(hù),井筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚度僅0.5m,不滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,運行期安全隱患大。同時工程量缺口較大。
據(jù)此認(rèn)為調(diào)壓井設(shè)計變更是十分必要的。
3 螺旋阻抗式調(diào)壓井設(shè)計研究
3.1 調(diào)壓井方案比選
根據(jù)調(diào)壓井處地形地質(zhì)條件,按照如下原則進(jìn)行調(diào)壓井布置方案研究:
(1)調(diào)壓井應(yīng)布置于較好圍巖中。
(2)不影響已施工的工作面和工程。
(3)方便施工和為后續(xù)工作提供方便。
設(shè)計根據(jù)上述原則提出了4個比較方案,布置方案及簡單比較如下:
(1)前移方案:將調(diào)壓井前移90m,布置于圍巖較完整的砂巖中,可以保證調(diào)壓井圍巖穩(wěn)定及施工順利進(jìn)行,但缺點是延長鋼管道長度,已施工的部分引水隧洞和施工支洞廢棄,需重新開挖施工支洞。
(2)后移方案:將調(diào)壓井后移60m,采用明挖調(diào)壓井方案,這樣可以保證調(diào)壓施工安全,但缺點是調(diào)壓井井口將形成100m以上的高邊坡,開挖支護(hù)工程量較大,工期及投資均不利。另外鋼管道僅能在地質(zhì)條件較差的圍巖中布置豎井。
(3)扁圓方案:維持原調(diào)壓井中心線位置不變,將圓形斷面改為扁圓形(8m×32m),減少開挖跨度,這在一定程度上降低了施工難度,且已施工工程均可正常使用。但缺點是:通風(fēng)洞及頂拱施工難度大,安全隱患大。
(4)螺旋方案:采用底坡13%的螺旋形調(diào)壓井,凈空尺寸6m×6m,這一方案具有如下明顯優(yōu)點:
①避開地質(zhì)復(fù)雜的強風(fēng)化區(qū)域,增強了施工安全性。
②調(diào)壓井底坡滿足了施工出渣及進(jìn)料運輸要求,可兩端同時開挖和同時澆注混凝土,對工程進(jìn)度有利。
③調(diào)壓井可兼具鋼管運輸通道。
缺點是增加了工程量。
綜上,經(jīng)綜合考慮,技施階段大灣水電站采用螺旋阻抗式調(diào)壓井方案。該方案調(diào)壓井水平面積248.8m2,大于原設(shè)計的206m2。
3.2 施工組織優(yōu)勢
調(diào)壓井由井筒直徑為16m的調(diào)壓井變更為城門洞型(底寬6m,高6m)、螺旋形上升(坡度i=13%)的調(diào)壓井。調(diào)整后的調(diào)壓井有以下特點:
(1)調(diào)整后的調(diào)壓井避開了原調(diào)壓井穹頂?shù)牟涣嫉刭|(zhì)段,城門洞型隧洞式調(diào)壓井采用引水隧洞的施工方案和施工機械進(jìn)行施工,施工方法簡單、安全保證度高。
(2)利用原通風(fēng)洞進(jìn)口及道路,不需另行修建,方便了施工。
(3)原設(shè)計利用2#施工支洞作為壓力鋼管運輸通道,但施工期2#施工支洞采用鋼支撐強支護(hù),斷面較小,不滿足鋼管運輸要求,擴挖困難且有安全隱患。變更的調(diào)壓井結(jié)合滿足壓力鋼管運輸?shù)男枰M(jìn)行布置,巧妙地解決了壓力鋼管的運輸問題。
(4)阻抗孔創(chuàng)造性布置于隧洞側(cè)墻,使調(diào)壓井底板與隧洞底板平接,因而變更后的調(diào)壓井可兩端同時施工,進(jìn)度滿足工期要求,且有富裕。
(4)變更后的調(diào)壓井洞挖工程量增加約12000m3,原設(shè)計下游沿江棄渣場即可滿足其堆存要求,不需增加新的棄渣場,無須調(diào)整征地范圍和施工總布置。
從施工組織設(shè)計方面看,調(diào)壓井變更不影響施工組設(shè)計的實施,而且變更后較為有利。
3.3推薦方案
調(diào)壓井布置于引水隧洞樁號1+310.000m處,阻抗孔布置于隧洞左側(cè),直徑3.5m;調(diào)壓井采用城門洞型(底寬6m,高6m),螺旋上升(縱向坡度i=13%),上接已開挖的通風(fēng)洞。
推薦方案調(diào)壓井各類圍巖情況如下:Ⅱ類圍巖占17.8%,Ⅲ類圍巖占24.4%,Ⅳ類圍巖占41.9%,Ⅴ類圍巖占15.9%。調(diào)壓井下段主要為微風(fēng)化~新鮮的砂質(zhì)板巖,中段為微風(fēng)化~新鮮的長石石英砂巖,上段為弱風(fēng)化的砂質(zhì)板巖,總體地質(zhì)條件較好。
調(diào)壓井一次支護(hù)設(shè)計方案為:噴C20混凝土0.15m,布置系統(tǒng)錨桿Φ25@2000×2000,L=4.5m,視圍巖情況掛鋼筋網(wǎng)Φ6.5@200×200;襯砌混凝土厚度0.6m,混凝土等級為C25,環(huán)向受力鋼筋采用雙層對稱配置,根據(jù)圍巖類別分別采用Φ22和Φ28,縱向分布筋Φ18@200。
可以看出結(jié)構(gòu)方面比可研方案加強較多,提高了工程安全性。
3.4 水力計算復(fù)核
(1)可研階段成果
電站引水系統(tǒng)水頭損失包括局部水頭損失及沿程水頭損失。局部水頭損失包括入口損失、攔污柵損失、門槽損失及漸變段損失等。當(dāng)按平均糙率(襯砌混凝土n=0.014,噴混凝土n=0.028,鋼襯n=0.012)計算時,本工程引水系統(tǒng)水頭總損失為4.598m。
調(diào)壓井直徑16m,斷面積約201m2,阻抗孔口直徑3.498m(實際設(shè)計取3.5m),調(diào)壓井最高涌浪水位為EL. 761.100m,最低涌浪水位為EL. 726.834m。
(2)設(shè)計變更復(fù)核
①水頭損失復(fù)核
根據(jù)施工詳圖階段的引水隧洞設(shè)計,按平均糙率,襯砌混凝土n=0.014,噴混凝土n=0.0255,經(jīng)復(fù)核計算調(diào)壓井前引水隧洞水頭損失為3.022m,比可研報告的3.064m略小。
根據(jù)規(guī)范要求,需計算按最大糙率及最小糙率的水頭損失,計算結(jié)果如下:
最大水頭損失(糙率襯砌混凝土n=0.016,噴混凝土n=0.0268):3.48m
最小水頭損失(糙率襯砌混凝土n=0.012,噴混凝土n=0.0242):2.745m
②調(diào)壓室穩(wěn)定斷面復(fù)核
調(diào)壓室穩(wěn)定斷面按托馬公式估算,跟可研成果相比,引水道水頭損失略微減少,鋼管道水頭損失基本沒變,按托馬公式估算的最小斷面面積基本相同,設(shè)計變更后的調(diào)壓室水平投影面積為248.778m2,比可研估算斷面206m2大,滿足規(guī)范要求。
③調(diào)壓室涌波復(fù)核
根據(jù)設(shè)計變更后調(diào)壓室斷面及引水管線布置,計算調(diào)壓室最高涌浪和最低涌浪。因調(diào)壓室涌波水位可不計壓力管道水擊的影響,本次涌波計算僅以上游水庫相應(yīng)水位為基準(zhǔn)計算調(diào)壓室的涌波水位,計算過程中,調(diào)壓井前引水隧洞水頭損失為3.022m。計算工況如下:
(a)最高涌波水位
工況一(設(shè)計工況):水庫正常蓄水位+機組滿載運行丟棄全部負(fù)荷;
工況二(校核工況):水庫校核洪水位+機組滿載運行丟棄全部負(fù)荷;
(b)最低涌波水位
工況三(第二振幅復(fù)核):水庫死水位+機組由兩臺機發(fā)電瞬時丟棄全部負(fù)荷;
工況四:水庫死水位+機組由一臺機發(fā)電突增至兩臺機發(fā)電;
工況五:水庫死水位+機組突增至一臺機發(fā)電再增至兩臺機發(fā)電;
計算成果見表1。
由表1可知,工況五是最低涌波水位較危險的工況,相應(yīng)的最低涌波水位約為EL.730.041m,比交匯處隧洞洞頂高程723.55m高出6.491m,滿足要求。工況二是最高涌波水位較危險的工況,相應(yīng)的最高涌波水位約為EL.759.4310m。調(diào)壓井最高涌浪比調(diào)壓井頂高程762.0m低2.569m,滿足要求。
3.5 調(diào)壓井襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計
調(diào)壓室結(jié)構(gòu)設(shè)計,遵循下列原則和基本假定:
(1)視支護(hù)、襯砌和圍巖為統(tǒng)一的復(fù)合體,即考慮支護(hù)、襯砌和圍巖共同作用。
(2)為了最大限度地利用圍巖抵抗內(nèi)水壓力,同時又要考慮減少滲漏,襯砌結(jié)構(gòu)按限裂設(shè)計,限裂寬度為0.25mm。
根據(jù)大灣水電站調(diào)壓井內(nèi)水荷載的分布規(guī)律、調(diào)壓井布置、圍巖特性和地下水分布等情況,以公式法計算配筋成果,具體配筋如下:
采用雙層配筋,調(diào)0+000.000m~調(diào)0+084.000m范圍內(nèi)外層受力筋均為Φ28@200、分布筋Φ20@200;調(diào)0+084.000m~調(diào)0+217.000m范圍內(nèi)外層受力筋均為Φ22@200、分布筋Φ16@200;調(diào)0+217.000m~調(diào)0+307.000m范圍內(nèi)外層受力筋均為Φ25@200、分布筋Φ18@200。
3.6 新型調(diào)壓井執(zhí)行情況
調(diào)壓井于2014年建成, 施工期未出現(xiàn)任何安全事故,2014年年底發(fā)電至今,電站運行正常。
結(jié)論
本文通過工程實例,對螺旋阻抗式調(diào)壓井進(jìn)行了設(shè)計研究,螺旋式有以下特點:
(1)利用螺旋式隧洞水平面面積大這一特點,有效減小開挖斷面,提高了施工期的安全性,同時可使用常規(guī)方法和常規(guī)機械施工,極大地方便了施工。
(2)適當(dāng)加大截面面積,可明顯加大作為調(diào)壓井所需要的水平面面積,有效降低調(diào)壓井涌浪高度。
(3)將阻抗孔布置于隧洞側(cè)墻,使調(diào)壓井底板與隧洞底板平接,可兩端同時施工,在工期較緊的情況下尤為可貴。
(4)選擇較大的水平半徑和較緩的底坡的情況下,螺旋式調(diào)壓井完全可以兼具施工支洞和運輸通道,節(jié)約工程投資。
新型螺旋阻抗式調(diào)壓井屬國內(nèi)首創(chuàng),目前尚未推廣。此型式的調(diào)壓井可廣泛適用于如下情況:
(1)調(diào)壓井區(qū)域地質(zhì)條件差,無法進(jìn)行大斷面開挖或開挖困難。
(2)山坡陡峭,修建道路困難,利用此型式調(diào)壓井,可減少施工道路和施工支洞,節(jié)約投資。
原則上講,螺旋式調(diào)壓井可適用任何工程情況。
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