矩形廊道在蘇阿皮蒂碾壓混凝土重力壩中的研究與應(yīng)用

穆 平，張 俊，黨曉明，譚建功

(中國水利電力對(duì)外有限公司，北京 100120)

蘇阿皮蒂水利樞紐項(xiàng)目是西非幾內(nèi)亞共和國孔庫雷河梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)電站，距首都科納克里135 km。本工程水庫正常蓄水位210 m對(duì)應(yīng)庫容63.17億m3，裝機(jī)容量450 MW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。主要建筑物有碾壓混凝土重力壩、壩后廠房、進(jìn)場公路及橋梁等。

蘇阿皮蒂碾壓混凝土重力壩最大壩高120 m，壩長1 164 m，自左至右分別是：423.45 m長左岸擋水壩段(17個(gè)壩段)、97 m長發(fā)電引水壩段(5個(gè)壩段)、60 m長導(dǎo)流底孔壩段、25 m長泄洪底孔壩段、173.55 m長溢流壩段和385 m長右岸擋水壩段。

1 廊道設(shè)置

1)壩內(nèi)廊道設(shè)置原則。壩體內(nèi)廊道按如下原則布置：①滿足灌漿、排水、安全觀測、檢查維修、運(yùn)行操作、壩內(nèi)交通等要求；②避開泄水孔口，并與泄水孔口保持一定距離；③每層水平廊道的垂直高差不宜過大；④為便于碾壓混凝土的施工，減少施工干擾，增大施工作業(yè)面，壩內(nèi)廊道布置及構(gòu)造盡可能簡化。

2)三層廊道斷面尺寸及長度。為滿足基礎(chǔ)安全觀測、檢查和壩內(nèi)交通的要求，壩體內(nèi)設(shè)置了2層水平交通廊道，高程分別為143、179 m，廊道間高差為36 m。143 m高程廊道上游壁距壩體上游面6.25 m，斷面尺寸為2.5 m×3.5 m。179 m高程廊道上游壁距壩體上游面4 m，斷面尺寸為2.5 m×3.5 m。各廊道均與壩后橋及兩岸壩后貼坡爬梯連接。交通、監(jiān)測、通氣及排水廊道總長約2 490 m。

為滿足灌漿排水的要求，沿大壩左岸、河床、右岸壩基在107～179 m范圍內(nèi)設(shè)置1層基礎(chǔ)灌漿廊道，距建基面的距離為為4～8 m，廊道斷面尺寸為3.0 m×3.5 m?；A(chǔ)灌漿排水廊道總長約1 196 m。

2 傳統(tǒng)的廊道形式

碾壓混凝土大壩中廊道型式由很多，但主要型式有三種，即現(xiàn)澆城門洞型廊道(后簡稱現(xiàn)澆U型廊道)、柳溪壩式廊道和預(yù)制城門洞型廊道(后簡稱預(yù)制U型廊道)，廊道斷面一般采用城門洞型。

現(xiàn)澆U型廊道結(jié)構(gòu)形式周邊一般采用變態(tài)混凝土包裹，與全斷面碾壓混凝土一同上升，但受其結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，加上鋼筋綁扎等影響，一般備倉周期較長，且碾壓混凝土入倉和碾壓十分困難，對(duì)大壩直線工期影響較大。因此現(xiàn)澆U型廊道盡管經(jīng)驗(yàn)成熟，但在全斷面碾壓混凝土大壩，特別是工期較緊的大壩工程中采用存在困難。

柳溪式廊道形式是在美國柳溪碾壓混凝土大壩探索發(fā)展起來的，故名為柳溪式廊道形式。柳溪壩廊道原理是在填料澆筑層碾壓完成后，用挖掘設(shè)備挖除廊道內(nèi)碾壓混凝土，并回填無膠凝材料的骨料，待工程鋪筑至一定高程或完工后，再挖除回填骨料，形成廊道。用這種方法，不影響碾壓混凝土大倉面施工，因此特別適合全斷面碾壓混凝土大壩。但柳溪壩式廊道因要在大壩碾壓混凝土上升到一定高度后挖除廊道骨料, 廊道提供很遲，因此，該廊道不適用于廊道內(nèi)有繁重施工任務(wù)的碾壓混凝土大壩。

預(yù)制U型廊道有很成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，施工簡單，主要場外預(yù)制，倉內(nèi)吊裝。但預(yù)制廊道主要存在安裝澆筑過程容易變形錯(cuò)位，蓄水后難以發(fā)現(xiàn)滲水裂縫并進(jìn)行修復(fù)等問題，外觀和后期檢修均存在不足之處。

結(jié)合上述各種類型廊道的特點(diǎn)，蘇阿皮蒂碾壓混凝土重力壩采用側(cè)墻現(xiàn)澆+頂板預(yù)制的型式，并通過應(yīng)力分析，取消廊道非迎水面?zhèn)葔Φ呐浣?，不僅保證廊道內(nèi)部外觀質(zhì)量，同時(shí)節(jié)省了廊道層施工時(shí)間，充分發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點(diǎn)。

3 矩形廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 矩形廊道典型剖面

矩形基礎(chǔ)灌漿廊道典型剖面如圖1所示。

3.2 矩形基礎(chǔ)灌漿廊道現(xiàn)澆側(cè)墻和頂板設(shè)計(jì)

現(xiàn)澆側(cè)墻，側(cè)墻50 cm范圍為變態(tài)混凝土，該區(qū)域與廊道上下游碾壓混凝土一同上升。頂板為30 cm厚C25預(yù)制蓋板，單塊尺寸4.0 m×1.0 m×0.3 m(長×寬×高)，鋼筋布置如圖2所示。

對(duì)于水平直廊道，結(jié)構(gòu)較簡單，頂板可直接安裝上述蓋板，并澆筑上部的碾壓混凝土。

對(duì)于廊道T型交叉部位，比如與監(jiān)測廊道、交通廊道交叉部位，采取在交叉處蓋板相互搭接，并輔助承重架支撐的方式進(jìn)行施工，如圖3。

3.3 矩形爬坡廊道設(shè)計(jì)

除T型區(qū)域外，左、右岸壩肩爬坡廊道也是施工難點(diǎn)。如廊道坡度太陡，即不利于施工運(yùn)行階段檢修通行，也不利于施工階段預(yù)制模板的安裝。為解決此問題，本工程壩肩爬坡廊道坡度一般緩于1∶1.5(見圖4)。同時(shí)，結(jié)合幾內(nèi)亞當(dāng)?shù)厝四_掌的特點(diǎn)，樓梯臺(tái)階按照600 mm≤L+2*B≤660 mm的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，L不宜小于300 mm(見圖5)。

3.4 廊道壩體橫縫分縫處的設(shè)計(jì)

在壩段橫縫分縫處，廊道頂部止水應(yīng)避開預(yù)制蓋板，并與其保留一定的空間，便于變態(tài)混凝土的鋪筑和振搗。為更好的避免預(yù)制模板影響廊道橫縫四周橡膠止水的功能，在分縫處50 cm范圍內(nèi)的廊道頂板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，不鋪設(shè)預(yù)制蓋板，采用機(jī)制變態(tài)混凝土與上層碾壓混凝土同步澆筑。如圖6所示。

圖2 預(yù)制蓋板鋼筋圖

圖3 廊道T型交叉部位預(yù)制蓋板布置方式圖

圖4 爬坡廊道結(jié)構(gòu)圖

圖5 樓梯臺(tái)階尺寸圖

圖6 廊道過縫處的結(jié)構(gòu)圖

4 矩形廊道應(yīng)力分析

壩內(nèi)廊道和豎井的尺寸相對(duì)較小，對(duì)重力壩的整體應(yīng)力分布影響不大，但在壩體自重、上游水壓力以及溫度應(yīng)力作用下，在廊道周圍的混凝土內(nèi)會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力，甚至可能產(chǎn)生裂縫。

1)在壩體自重和上游水壓力作用下，廊道周圍產(chǎn)生的應(yīng)力由混凝土內(nèi)的虛擬拱承受，在廊道頂板、底板和側(cè)壁有局部拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的容許拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2)溫度應(yīng)力。廊道周邊溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要有以下兩種。①施工期的溫度應(yīng)力。廊道底部和兩側(cè)的混凝土先澆筑，而后澆筑廊道頂部混凝土，由于這兩部分混凝土的溫升、散熱和彈模增長存在時(shí)間差，頂部混凝土的收縮將受到兩側(cè)壁混凝土的約束而產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力；②廊道內(nèi)溫度的年變化將導(dǎo)致廊道周圍產(chǎn)生內(nèi)外溫差，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力。

廊道周邊應(yīng)力計(jì)算：計(jì)算選取36號(hào)壩段，采用大型通用有限元計(jì)算程序ANSYS，建立包含廊道孔口在內(nèi)的大壩三維有限元模型，分析壩體廊道周邊應(yīng)力情況。計(jì)算模型如圖7所示，整體坐標(biāo)系+Z向表示豎直向上，-X表示水流方向。地基底面和四個(gè)側(cè)面采用法向約束。計(jì)算時(shí)考慮校核洪水、施工完建和施工過程車輛荷載等三個(gè)工況，通過計(jì)算分析，各工況下廊道周邊以壓應(yīng)力為主，局部有0.1～0.5 MPa的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)長度小于20.5 m。

圖7 計(jì)算模型圖

廊道周邊溫度應(yīng)力：通過對(duì)現(xiàn)有壩體內(nèi)C9020(二)大體積碾壓混凝土溫度觀測資料、半絕熱溫升和絕熱溫升試驗(yàn)資料的分析，碾壓混凝土最高溫升至約45℃，長期平衡與35～40℃附近。而壩址附附近常年平均氣溫在30℃左右，平均氣溫季節(jié)性差異不大，氣溫年際、年內(nèi)變化均較小，日較差也不大。

通過對(duì)壩址附近幾個(gè)水電站庫水溫的觀測，水下50 m常年氣溫在23～24℃左右，水溫年際比較穩(wěn)定。

綜合上述本工程和地區(qū)特點(diǎn)，即施工期和運(yùn)行期混凝土內(nèi)外溫差不大且很穩(wěn)定，在廊道上游配置適量鋼筋，并控制廊道周邊混凝土澆筑的間隔時(shí)間不應(yīng)過長，以避免廊道區(qū)域產(chǎn)生裂縫。

根據(jù)廊道周邊拉應(yīng)力分布面積，并考慮溫度應(yīng)力的影響，參考國際類似工程經(jīng)驗(yàn)，蘇阿皮蒂壩體采用現(xiàn)澆側(cè)壁+預(yù)制蓋板矩形廊道，廊道周邊1 m范圍采用二級(jí)配變態(tài)混凝土C9020F50W8(二)，上游區(qū)域基礎(chǔ)灌漿、排水廊道(3 m×3 m)受力筋φ20@200，分布筋φ18@300，布置于廊道上游面；其余交通、監(jiān)測廊道側(cè)壁不進(jìn)行配筋。

5 矩形廊道施工中關(guān)鍵技術(shù)

因矩形廊道為新型結(jié)構(gòu)，通過對(duì)一段時(shí)間的施工總結(jié)，在施工過程中應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

1)廊道側(cè)壁模板采用內(nèi)撐鋼構(gòu)進(jìn)行固定，避免斜

拉模筋對(duì)碾壓混凝土施工的影響。

2)廊道底板和排水溝應(yīng)在側(cè)墻混凝土澆筑前完成，并在排水溝內(nèi)預(yù)留一定二期找坡的空間，方便廊道成型后二期找坡。

3)預(yù)制蓋板除底面外，其他5面在澆筑完成拆模后應(yīng)進(jìn)行深鑿毛，利于與現(xiàn)澆混凝土的結(jié)合。

4)廊道側(cè)壁形成后，安裝預(yù)制蓋板前，應(yīng)使用砂漿對(duì)蓋板檐口進(jìn)行砂漿找平處理，保證蓋板安裝后廊道內(nèi)頂板的平整度。

5)預(yù)制蓋板安裝完成后，上層碾壓混凝土澆筑前，應(yīng)對(duì)預(yù)制板間的結(jié)合縫進(jìn)行砂漿勾縫處理。

6)預(yù)制蓋板上部變態(tài)混凝土應(yīng)盡量采用機(jī)制變態(tài)，并確保砂漿鋪筑和變態(tài)混凝土振搗質(zhì)量。

6 結(jié) 語

幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂碾壓混凝土重力壩施工，針對(duì)壩址處的氣候、水庫水溫以及壩體布置等特點(diǎn)，采用側(cè)墻現(xiàn)澆+頂板預(yù)制的矩形廊道，減少相鄰部位施工的干擾，縮短廊道施工工期，工程實(shí)踐表明，采用矩形廊道有著如下優(yōu)點(diǎn)：一是充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉焖疁貤l件，在滿足廊道裂縫驗(yàn)算要求的同時(shí)，適當(dāng)?shù)呐渲娩摻?，使廊道層碾壓混凝土施工便捷，縮短廊道層備倉和澆筑周期，體現(xiàn)大體積碾壓混凝土快速施工的特點(diǎn)；二是增大了廊道內(nèi)部空間尺寸，優(yōu)化廊道坡度和臺(tái)階尺寸，方便人員行走和設(shè)備布置；三是減少鋼筋和混凝土量，節(jié)約成本。

矩形廊道在蘇阿皮蒂碾壓混凝土重力壩的成功應(yīng)用，特別是工期緊，氣候條件較適宜的類似工程，該技術(shù)值得推廣應(yīng)用，為類似工程提供借鑒。