大灣水電站新型螺旋阻抗式調(diào)壓井設(shè)計研究

2018-12-21 09:41:28陸新佳

中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2018年20期

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。