某水電站引水發電洞1號施工支洞封堵體設計

何 嵐

1 工程概況

扭子水電站工程位于甘肅省南部卓尼縣縣城上游約20.1km處的洮河干流上,距省會蘭州市約360km。工程主要任務是發電,主要建筑物由首部樞紐、引水系統、發電廠房等組成。電站額定水頭25 m,設計引用流量138.60 m3/s,電站總裝機容量30 MW。工程規模為四等小(1)型工程,主要建筑物為4級,次要建筑物為5級。

引水隧洞是本工程主要建筑物。洞線布置于河道右岸山體中,為有壓隧洞,設計過水流量138.6 m3/s,斷面為7.6 m×7.6 m(寬×高)的弧底馬蹄形,進口底板設計高程 2590.5 m,出口底板設計高程2577.00 m,縱坡 i=0.299%,全洞長4393.114 m。引水系統共布置有施工支洞2條,其中1號施工支洞與發電隧洞平洞交于4 m+286.531 m處,1號堵頭位于1號施工支洞末端,斷面形式為城門洞形7.2 m×6.7 m(寬×高)。

目前,電站已正常運行一年多,1號堵頭結構安全,滲漏量非常小。可見,1號堵頭的設計是非常成功的。現將堵頭設計的一點體會寫出來。

2 封堵體設計

參照已建成工程可以看出封堵體設計最關鍵的問題是確定封堵體長度。

2.1 基本資料

1號堵頭段地質巖性為中三疊統第四巖組石英砂巖與砂質板巖。綜合判定圍巖類別為Ⅳ類,圍巖穩定性差,建議圍巖堅固系數 fk=2～3,單位抗力系數 k0=6MPa/cm～12MPa/cm。

2.2 確定封堵體長度的方法

堵頭長度的確定主要有3方面的因素:

1)安全,要求堵頭在強大的水壓力下無位移,也即是堵頭混凝土與洞圍巖的粘結力必須大于水壓力產生的剪力;

2)抗滲漏,參考有關資料,沒有一個堵頭不漏水的,只是大小而已,只要漏水在允許的范圍內不危及電站各建筑物的安全即認為可行;

3)經濟,要滿足安全的條件下使堵頭最經濟。

根據以上3個因素確定堵頭長度的方法較多。應根據工程實際情況確定。采用的方法包括以下幾種:

1)封堵體長度按3倍以上洞徑或洞寬。

2)挪威經驗公式 L≥(3～5)H/100,其中,H為水頭長度;L為堵頭長度。

3)按照經驗公式L=HD/50,其中,D為引水隧洞換算直徑。

這三種方法常用來初擬堵頭長度和估算工程量。

4)結構力學法。

因為結構力學方法受力概念明確,只要參數選取合理,計算結果比較符合客觀實際。

力學的方法,未考慮荷載分項系數,但給出了較明確的安全系數,因而相對更加合理一些。

2.3 堵頭長度計算成果

扭子水電站工程1號施工支洞作用水頭43.2 m,計算取混凝土與圍巖間的摩擦系數fR=0.7,粘聚力C=300 kPa。以上各計算方法的堵頭設計結果見表1。

表1 各計算方法的堵頭設計 m

由以上計算可以看出,對于水頭較高、圍巖完整性不好的情況,堵頭的設計長度應按力學的方法(抗剪斷公式)計算比較合適。參照已建成工程,同時考慮圍巖條件差容易引起水力繞滲的情況,取1)號封堵體長度為 21 m。

3 堵頭布置

堵頭長度確定以后,為了使堵頭符合抗滑穩定計算時的假定。增大其安全儲備,實施時會增設齒槽、鍵槽、錨筋、倒坡等抗剪措施。但這些抗剪措施對施工支洞交通有一定的影響。而且往往由于時間緊迫,進度難以滿足要求。隨著科學技術和計算理論的不斷發展,工程實踐的增加和施工技術的提高,堵頭的體形朝著不斷簡化的方向發展。承受中小水頭的堵頭大多數都簡化為柱形,承受高水頭的堵頭也基本不另設抗剪槽。而采用增設部分錨筋、加強固結和接觸灌漿、提高其灌漿壓力等措施來增加安全余度。

4 混凝土堵頭的防滲設計

4.1 堵頭的混凝土材料

堵頭混凝土采用微膨脹混凝土,混凝土強度等級為C20,利用膨脹混凝土的后期膨脹特性,減小因混凝土干縮而產生的縫隙。

4.2 增設錨桿支護

在堵頭區域設置錨桿支護。錨桿布置范圍在支洞拱腳以下,直徑25,間排距2 m,長 3.0 m,伸入巖石 2.0 m,出露1 m。錨桿的主要作用是加固松動圈,給圍巖提供徑向和抗剪承載能力,阻止圍巖在水壓力作用下原有裂隙擴張或出現新的裂縫。

4.3 堵頭防滲灌漿

堵頭混凝土澆筑分倉的合理安排,使堵頭固結灌漿、回填灌漿效果更好。堵頭全斷面采用固結灌漿,灌漿孔深入巖石3.5 m,排距3.0 m,梅花形布置。堵頭拱腳以上范圍采用回填灌漿孔,排距3 m,梅花形布置。回填灌漿應待堵頭混凝土強度達到70%以上時才能進行。回填灌漿孔應深入圍巖內 10cm,灌漿壓力0.2MPa～0.3MPa,具體可通過灌漿試驗確定。預留灌漿廊道,灌漿廊道在灌漿結束后,應用混凝土回填,其強度等級和配合比與堵頭混凝土相同。回填前應將廊道周邊混凝土鑿毛1cm并沖洗干凈。通過灌漿可以有效的填充混凝土與巖石間的施工縫隙、巖石開挖爆破產生的松動圈縫隙等,提高堵頭區域圍巖抗滲能力,減少滲漏量。

灌漿示意圖見圖1。

5 結語

施工支洞封堵體作為臨時建筑物,工程量相對較小,其重要性往往被忽視。工程實踐表明,封堵體一旦失事,會影響整個引水系統的正常運行,由于其他相關建筑物都已建成,等投產發電,其后果是不堪設想的。因此,應充分重視施工支洞的封堵設計。設計時應根據工程的實際情況進行分析和計算,確保盡快發揮工程效益。

[1] 張志立.水工隧洞封堵體設計與施工[J].湖南水利水電,2002(4):17-18.

[2] 甘文喜.水工隧洞堵頭設計探討[J].人民長江,2001,32(5):23-24.