高水头导流洞封堵段设计及施工要点

高水头导流洞封堵段设计及施工要点

刘󰀁涛,曹󰀁海,夏世法

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(1󰀁水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐󰀁830049;2󰀁额尔齐斯河流域开发工程建设管理局,

乌鲁木齐󰀁830049;3󰀁中国水利水电科学研究院,北京󰀁100038)

摘󰀁要:很多工程的导流洞都为临时工程,水库下闸蓄水后需对导流洞进行封堵。因导流洞断面较大,在高水头条件下混凝土堵头承受的水推力巨大,且多数情况下其工期都较为紧迫,需精心设计与施工,以保证混凝土堵头运行安全可靠。本文对高水头条件下导流洞封堵段的设计和施工要点进行了分析和总结,以供借鉴。

关键词:导流洞;堵头设计;抗滑稳定;键槽;堵头施工

中图分类号:TV551󰀁1󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:

B󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1000󰀁0860(2011)03󰀁0052󰀁04

Key󰀁pointsofdesignandconstructionofpluggingfordiversiontunnelunderhighhead

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LIUTao,CAOHai,XIAShifa

(1󰀁XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower,󰀁r󰀁mqi󰀁830049,Xinjiang,China;2󰀁XinjiangConstruction&ManagementBureauofErtixRiverBasinDevelopmentProject,󰀁r󰀁mqi󰀁830049,Xinjiang,China;

3󰀁ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing󰀁100038,China)

Abstract:Thediversiontunnelsformanyhydropowerprojectsaretemporaryones,whicharetobepluggedafterreservoirim󰀁poundments󰀁Asthecross󰀁sectionsoftunnelsareusuallylarger,thewaterthrustsontheplugsunderhighheadaregreatandtheconstructionperiodsarelimitedundermostoftheconditions,thepluggingsofthetunnelsmustbeelaboratelydesignedandcon󰀁structed,soastoensurethesafetyoperationoftheconcreteplugging󰀁Thekey󰀁pointsofdesignandconstructionofpluggingfordiversiontunnelunderhighheadareanalyzedandsummarizedhereinforreferenceconcerned󰀁Keywords:diversiontunne;lplugging;slidingstability;keyslot;designandconstruction

1󰀁堵头工作条件及破坏机理

1󰀁1󰀁堵头工作条件

假定堵头为周边顺直的等截面柱体,椎体、键槽或锚杆等有利于增加抗力的因素均作为安全储备,在计算中不予考虑。堵头承受的基本荷载除了水头静水

推力、自重、扬压力外,还包括重新分布的地应力和周边接缝灌浆产生的径向弹性抗力所组成的综合围压对堵头会产生握裹效应。

库水绕过堵头的渗流,其影响表现为渗漏量的大小和可能造成围岩软弱结构面或充填物的冲蚀,导致变形量增大或承载力降低,综合考虑固结灌浆作用、应力水平较低、渗流梯度不大等因素,一般情况下绕渗影响不至造成任何问题,设计中可不予

52考虑。

1󰀁2󰀁堵头破坏机理

视堵头为刚性体,堵头承压后,其周边边界上产生均匀分布的抗剪断力,当作用的剪断力超过抗剪断力,打破了极限平衡,就会沿周边界突然发生脆性破坏。

视堵头为弹塑性体,水荷载引起周界上某点出现塑性剪切变形,当实际应变值大于材料极限剪应变值就会在该位置出现起裂点,并在其后的反复应力~应变循环中产生的多米诺效应下可能导致破裂点传递扩展为贯通性破裂面,降低堵头的承载力。二滩工程堵󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁收稿日期:

2010󰀁11󰀁30

作者简介:刘󰀁涛(1972󰀁),男,高级工程师。

WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol󰀁42No󰀁3

刘󰀁涛,等󰀁高水头导流洞封堵段设计及施工要点

头地质力学模型试验表明,按规范确定堵头长度,在1倍设计荷载的作用下,堵头周界不可能发生破裂或剪断现象。

于安全。这种设计原则概念明确,但是计算中侧壁󰀁取值为1或取消公式中的系数󰀁才能得到合理的结果。

(4)用󰀁圆柱面冲压剪切原则󰀁确定堵头长度。其要点是将封堵体视为静水作用下的刚体,在水推力的作用下潜在沿周界发生剪断破坏的趋势,周界材料粘聚力是唯一抵抗力。因此,堵头的安全条件是周界上的平均剪应力不大于周界允许剪应力。其表达式为

L=

P[󰀁]A

2󰀁混凝土堵头设计要点

2󰀁1󰀁堵头位置的选择

堵头的位置应根据围岩工程地质条件、水位地质条件、已有支护或衬砌情况、相邻建筑物布置及运行要求分析确定。一般导流洞大都从左岸或右岸坝下岩体内穿过,如无地质缺陷,坝下防渗线应位于封堵体前端约1/4处,以确保枢纽防渗要求。

2󰀁2󰀁堵头长度的确定

从堵头长度计算发展过程来看,大致有按洞径的倍数、经验公式、套用混凝土重力坝的抗滑稳定核算方法加以修正、圆柱面冲压剪切法及三维有限元计算等几种方法。

(1)按封堵段洞径确定堵头长度。

早期工程常采用3倍洞径或更大的倍数,后期逐渐减少。此种方法主要缺陷是没有计入构成主要作用荷载的水头因素,概念上不清楚。

(2)按经验公式中L=(0󰀁03~0󰀁05)H选择堵头长度。

经验公式中L为堵头长度,H为作用水头。同样,此种方法虽然计入了水头因素,但没有计入洞径面积的大小,受力条件不明确。这种方法同按洞径倍数选取堵头长度一样存在类似缺陷。

(3)用抗滑稳定法确定堵头长度。

此种方法套用混凝土重力坝的抗滑稳定核算方法加以修正形成,其表达式为

K=

f󰀁󰀁W+󰀁c󰀁A󰀁[K]

󰀁P式中,L为封堵体长度(m);P为封堵体迎水面承受的总水压力(MN);[󰀁]为容许剪应力,取0󰀁2~0󰀁3MPa;A为封堵体剪切面周长(m)。

对某一具体工程,[󰀁]的选取是计算长度的唯一变量,我国[󰀁]规范规定为0󰀁2~0󰀁3MPa,国外取值多为0󰀁1~0󰀁3MPa,与国外工程相比,国内工程[󰀁]实际取值普遍小于国外工程。这种计算方法堵头受力概念明确,计算简单,其柱面剪应力平均分布的假定在一定长度范围内与三维有限元计算成果拟合较好,实用性较强。

(5)按经验公式L=0󰀁0125HD选择堵头长度。经验公式中L为堵头长度,H为作用水头,D为堵头直径。如果堵头断面非圆形,则取水平向或竖向的较大尺寸。此种方法实质上是󰀁圆柱面冲压剪切原则󰀁的一种特定表达式。当允许剪应力为0󰀁2MPa时,其安全系数至少可以达到2󰀁5。

(6)三维有限元计算成果确定堵头长度。此种计算方法可以考虑封堵体及其围岩的应力、应变状态,还可对破坏极限和安全系数进行论证。在计算过程中可以计入隧洞二次应力、灌浆残余压力、不良地质构造等,为了解堵头周界和混凝土、岩体内应力分布提供了精确手段,较为准确地反映了堵头的工作条件,计算出的堵头长度一般远小于用其他方法选取的长度。一些大中型工程如鲁布革、二滩、莲花、东风、戈登等电站都采用了有限元方法效验堵体长度。戈登拱坝堵体长度为6󰀁5m,计算结果显示长于6m堵头的上游6m段内的应力分布同6m堵头的应力分布几乎完全相同,其6m以外的下游段实际上是无应力分布的;鲁布革工程三维有限元计算出堵头长度为13m即可满足安全需要;二滩工程5倍设计水头下堵头的长度与󰀁圆柱面冲压剪切原则󰀁确定的堵头长度相当。

以上所列堵头长度计算方法中,经验公式(1)、

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式中,K为按抗剪断公式计算得出的抗滑稳定安全系数;[K]为允许安全系数;f󰀁为混凝土与混凝土或混凝土与岩石间的抗剪断摩擦系数;W为滑动面法向力,包括堵头自重和扬压力(kN);c󰀁为堵头周界粘聚力(MPa);A为堵头周界面积(m);P为作用在堵头的总水平推力(km);󰀁为周界粘结有效面积系数。当周界接触条件为混凝土与混凝土时,底部󰀁=1󰀁0,侧壁󰀁=0~0󰀁5,顶部󰀁=0;周界为混凝土与岩石时,底部󰀁=1󰀁0,侧壁󰀁=0󰀁8~1󰀁0,顶部󰀁=0。

封堵段断面形式大都为城门洞形,侧壁面积占总面积比重较大,此种方法计算出的堵头长度随侧壁󰀁取值不同而变化较大,且计算出的结果过分偏

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(2)、(5)存在概念不明的缺点,在早期工程中应用,目前已不采用;按重力坝抗滑稳定法确定的堵头长度受󰀁值影响,计算成果往往偏于保守;󰀁圆柱面冲压剪切原则󰀁由实际剪应力不大于允许剪应力确定堵头长度,概念清楚,在工程实践中广泛应用,也是我国规范中推荐的计算方法;三维有限元法可以充分考虑各种工作条件,依据计算出堵头应力、围岩应力最终确定堵头长度,但由于计算出堵头长度和其他方法选择的堵头长度差别较大,不易被接受,因此我国规范推荐与三维计算成果拟合较好、又易接受的冲压剪切计算方法。

2󰀁3󰀁温控设计

(1)温度控制标准的确定。

稳定温度:水头较高时水库水温基本恒定,对堵头稳定温度影响不大。除高地热地区,一定埋深下堵头的稳定温度主要与多年平均气温有关。因地温一般无实测资料,实际工程中可参照采用坝基一定埋深基岩温度作为堵头稳定温度场。如无此资料,北方严寒地区可采用多年平均气温+5~7󰀁选取,南方温暖地区可采用多年平均气温+2~3󰀁选取。

基础温差:可根据重力坝设计规范中推荐的计算公式,依据混凝土热学参数、浇筑温度、水管冷却等计算温度应力,并根据堵头混凝土的允许拉应力确定基础温差。由稳定温度、基础温差确定堵头混凝土施工期最高温度。

(2)温控措施。

以混凝土允许最高温度为控制原则制定各种温控措施。视当地气候条件可采用控制入仓温度、减少水泥用量、采用低热水泥、适当减少单段浇筑段长度、采用微膨胀水泥、冷却水管等温控措施。值得注意的是,非必须时尽量不采用微膨胀水泥。堵体混凝土体积有限,堵体需要的膨胀量不易计算准确,加之膨胀剂不易参加均匀而引起危害。如必须使用微膨胀混凝土,优先采用在水泥生产过程中参入需要量MgO,并对混凝土配合比进行专题研究。为满足施工要求,堵体混凝土大都采用常态混凝土或泵送混凝土浇筑,混凝土温升较高,为尽快降低混凝土温度至稳定温度场,以进行接缝(或回填)灌浆,使堵体正常承担设计水头,应充分重视冷却水管的削峰降温作用,必要时可根据混凝土分仓分区布置或加密布置。2󰀁4󰀁堵体椎体(键槽)设计

椎体或键槽可大为提高堵体的承载力,在工程中

54广为应用,但一般无需采用复杂的体型,由于抗剪键槽往往对水流影响较大且结构较为复杂而使用较少,大都应用结构简单又能明显提高堵体承载力的椎体结构。

堵体接触面为岩石或混凝土椎体平面布置参照图1和图2。具体工程中只对侧墙作成撑椎体状,也可只对堵体第一段做成椎体状。

图1󰀁无衬砌时堵体平面图(单位:mm)

图2󰀁有衬砌时堵体平面图(单位:mm)

2󰀁5󰀁堵体止水、灌浆设计

沿周界漏水是封堵体失败或失事的主要原因,必须认真对待。

(1)止水。

高水头堵体应在上游侧设置两道铜片止水,必要时还可在铜片止水前设置1~2道膨胀止水条。堵体周边如为基岩,可在堵体施工前沿止水开挖止水基槽设置止水,混凝土基槽设置锚杆;周边如为混凝土衬砌,可在施工衬砌时将止水埋入,具体做法可参照图3。堵体下游侧可设简易止水兼做接触灌浆止浆片。

(2)围岩固结灌浆。

堵体承受的水推力对围岩的影响深度和数值都极其有限,按常规隧洞固结灌浆即可:即孔深不大于

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基岩面为干净的原岩;如对基岩面已进行了混凝土喷护,则需彻底的清除堵体部位的喷护混凝土后方可浇筑堵头混凝土;如堵体接触面为混凝土,则需对衬砌混凝土进行彻底的凿毛处理。建议将衬砌混凝土凿出小石(一般混凝土凿毛为无乳皮,微露粗砂),以增强摩阻力。

图3󰀁隧洞衬砌

3󰀁2󰀁降低混凝土浇筑温度并控制混凝土最高温度

尽可能地降低浇筑温度,以降低混凝土最高温度。南方地区可利用对混凝土采取二次制冷措施降低浇筑温度,北方冬季施工的混凝土堵体则需采取适当的加温措施保证混凝土不受冻即可;尽可能早地对混凝土进行冷却通水,并保证冷却水温与混凝土温度有20~25󰀁的温差,使冷却通水真正达到󰀁削峰󰀁的作用。

3󰀁3󰀁加强冷却通水

目前,堵体混凝土大都采用泵送混凝土浇筑,水泥掺量较高,水化热温升也较高,加之堵体从开始施工到承担高水头运行时间较短,因此在接缝灌浆前堵体温度必须降至稳定温度场方可进行。虽采用了控制浇注温度和冷却水管󰀁削峰󰀁等措施,但堵体混凝土的温度往往还是很高,一般可以达到50󰀁左右。要使堵体混凝土温度在较短时间降到稳定温度场,只有充分依靠冷却水管方能达到。需注意三个方面的问题:一是使冷却水温和混凝土温度有20~25󰀁的温差,以保证冷却效果;二是保证堵体混凝土温度下降速度控制在0󰀁5~0󰀁8󰀁/d,降温速度太低影响接缝灌浆时间,速度太快容易使混凝土收到冷击而造成损伤;三是加强监测,对冷却水温度和混凝土温度进行实时监测,并依据监测成果对冷却水温及时调整。

5m或不大于隧洞半径即可。

(3)回填灌浆。

回填灌浆分为两部分,一是堵体顶部自身回填灌浆,二是原衬砌与围岩顶部回填灌浆,均需认真对待。

封堵体必须做好回填灌浆,灌浆压力可适当提高,可采用0󰀁6~0󰀁8MPa(常规0󰀁3~0󰀁4MPa),最好进行二次回填灌浆,以保证灌浆效果。

如堵体施工前已有衬砌,无论原先是否进行过回填灌浆,必须对原衬砌顶部再次进行回填灌浆,国内已有沿原衬砌顶部与围岩之间大量漏水的教训。因此,在堵体施工前对原衬砌进行回填灌浆,灌浆压力可采用0󰀁6~0󰀁8MPa(常规0󰀁3~0󰀁4MPa),范围为向堵体上下游侧延伸不少于1倍洞径长度。

(4)接缝及接触灌浆。

接缝及接触灌浆是保证堵体与原衬砌或围岩、堵体分段之间有效传递应力的必要措施,必须认真对待。灌浆需在堵体混凝土温度基本达到稳定温度场时方可进行。为增强堵体围压效应,建议适当地提高灌浆压力,如采用1~1󰀁5MPa(常规为0󰀁3~0󰀁4MPa)。为保证灌浆效果,应在堵体混凝土施工前分区埋设接触灌浆系统。

2󰀁6󰀁堵体监测设计

堵体监测项目为温度、渗压、接缝监测,仪器布置应简单,应考虑渗压和接缝监测仪器也可兼做温度监测仪器。有限元计算表明,堵体的第一段承担了全部或大部分水推力,仪器布置应以第一段堵体为主,其他段堵体为辅。

4󰀁结󰀁语

大多数工程堵头工期都很紧迫,已建工程资料显示,很多工程堵头长度过于安全,使本来已是相对短暂的工期更趋紧张。因此在保证工程安全的前提下,合理的确定堵头长度,不但可以缓解工期压力,还可节省工程造价。在堵头设计与施工过程中,把握要点,注重细节,是保证堵头安全运行的前提。

(责任编辑󰀁欧阳越)

3󰀁堵头施工要点

3󰀁1󰀁堵体与混凝土或基岩面处理

堵体承受的水推力通过接触面的摩阻传向周界从而保持稳定,因此必须重视对接触面的处理。如堵体接触面为基岩,必须清除基岩面松动的块石,并保证

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