沙牌水电站导流洞堵头设计与施工

..;;沙牌水电站导流洞堵头设计与施工.-水利水电施工2010?第5期总第122期

沙牌水电站导流洞堵头设计与施工

零宋荣礼,谭华文./(1.中国水利水电第十工程局有限公司;2.中国水利水电第八工程局有限公司)

【摘要】导流隧洞堵头施工工序复杂,工期控制亦相当严格.本文导流隧洞堵头承受水压力大,堵头断面设

计为截锥形,堵头长度仅为洞径的1.96倍.堵头段的施工从原断面的扩挖,锚筋的施工,观测仪器的安装,混

凝土的浇筑,回填灌浆至挡水运行仅34d.在施工过程中为确保高温条件下混凝土顺利泵送和浇筑质量采取了一

系统的措施,并以理论计算和实测数据验证了这些措施的有效性..该研究对水工隧洞堵头的设计和施工具有参

考价值,为类似工程提供了宝贵经验.

【关键词】导流隧洞堵头设计施工措施温度控制

1概述

沙牌水电站为引水式开发,主要建筑物由碾压混凝

土拱坝,右岸1号,2号泄洪洞,引水发电系统和地面厂

房组成.导流隧洞长380m,城门洞形.断面为6m×

5.25m(高×宽).堵头承受水压力达87.5m水头.导流

隧洞封堵是该水电站蓄水的最后一项工程,导流隧洞封

堵后,该水电站即可运行发电.

2堵头设计

2.1堵头设计的原则与假定

由于堵头设计在水工建筑物设计规范中没有相应条

款可循,一般根据工程的具体情况,拟定出堵头的设计

原则,并做出相应的假定进行计算.多数设计者采用的

原则和假定如下:

(1)堵头属永久建筑物,设计和校核标准与相应的水

工建筑物相似.

(2)堵头应安全可靠,稳定性和防渗性好,堵头应与

大坝的防渗帷幕形成整体.

(3)水压力(必要时计人浮托力)是作用于堵头的唯

一

外荷载.

(4)堵头是水头荷载沿周界产生静剪力的刚性体,剪

应力沿用边均匀分布.

?

96?

(5)堵头混凝土的抗压强度是安全的,只做抗滑稳定

计算.

(6)实际存在的地应力,嗣岩高低不平形成的嵌槽抗

剪力等作为额外安全储备,不参与计算.

通过对已运行堵头的观测和分析,这些假定基本上

满足了堵头的使用要求.近年来,采用有限元对一部分

大型工程堵头和周围一定范围内的岩体进行分析计算,

也证明了按上述原则和假定设计的堵头是完全能够长期

安全运行的.

2.2堵头稳定计算

导流隧洞堵头稳定计算:水库在正常蓄水位和校

核洪水位情况下,导流隧洞堵头及堵头区同岩安全

稳定.

2.2.1抗剪断强度公式

,一KP

Arr+S△C

式中P——设计水头的总推力,以87.5m水头计算;

K——安全系数,规范规定设计工况K一2.5,校

核工况K一3;

L,A,S——分别为堵头长度,断面面积和断面周长;

r一混凝土密度,取r一2.5t/m.;

△——抗剪断面积有效系数,取0.7～0.75;

_厂一一混凝土与岩石接触面的摩擦系数;

C～—混凝土与岩石接触面的抗剪断凝聚力.

22.2各种荷载作用的分项系数公式

L—互KK3P

KlK4’K2

式中K摩擦力的分项系数,取1.3;

K凝聚力的分项系数,取3;

K.水平推力荷载分项系数,取1;

K混凝土自重分项系数,取0.9.

2.23计算结果

根据《混凝土重力坝设计规范》(SI319--2005)附录

D,Ⅱ类围岩混凝土与岩石接触面抗剪强度指标(f一

0.75～O.65,C一1.1O～1.30MPa).并参照已建工程经验

及本工程岩体抗剪断强度指标,取_/一0.7,C一1.15MPa.

2.4设计主要工程量

导流隧洞堵头设计工程量见表1.

纵断面

沙牌水电站导流洞堵头设计与施工—≯

计算出堵头长度L一15m.堵头位于导流隧涧O+15O～O+

165段,该位置岩性好,为Ⅱ类嗣岩.

2.3结构设计

导流隧洞堵头为永久工程,属三级建筑物,设计洪水

标准为5O年重现期洪水,校核洪水标准为500年再现期洪

水.由于本工程堵头挡水位水头较高,堵头所受荷载大,

圉此堵头型式采用截锥形以增加堵头抗滑稳定性,扩挖后

堵头最大断面尺寸B×H一7mX7.65m.底饭及边墙布置

锚筋(~20mm,L一2.6m,梅花形布置,间排距1.5m),

为解决施工期堵头上游封堵闸¨的渗漏排泄题,在堵头

底部布置2根~150nml排水管(待堵头同填灌浆后进行封

堵).导流隧洞设计结构如图1所示.

—

g/

一

锚筋一

0排水管0

l7l

图1导流隧洞堵头结构图(单位:m)

表1导流隧洞堵头设计工程量表

横断面

序号项目名称单位数量备注

1导流隧洞扩挖m0190原导流隧洞段的扩挖

2混凝土in3j8OC20,低热微膨胀混凝士

3回填灌浆m289

4接缝灌浆m2212

5止浆片37

6锚筋根77fJ一2.2m.一20ram

7排水管jnm6O带逆止阀,2根

3施工技术措施

3.1施工准备

导流隧洞进水口下闸后,在封堵段上游用砂袋做一临

时小嗣堰挡渗漏水,并用2根~150n~n排水管将渗水引至

堵头下游,作为堵头施工期临时性排水设施.以防止在进

行导流隧洞封堵段扩挖和浇筑混凝土过程中水流的干扰.

待排水系统形成后,进行封堵位置的扩挖,锚筋等施工

工作.

31.1封堵段的扩挖

封堵混凝土位于导流隧洞O+150~0+165段,该段岩

性为花岗岩,为Ⅱ类围岩.扩挖采用手风钻钻孔.爆破工

程多以建筑物所在位置的最大质点振动速度作为判别爆破

振动对建筑物的破坏标准.为控制爆破冲击波对围岩的影

响,采厢的经验公式

?

97?

00水利水电施工2010?第5期总第122期

—

K(Ql/R)

式中矿～爆破地震对建筑物及地基产生的质点垂直振

动速度(cm/s);

K—～与岩土性质,地形和爆破条件有关的系数,

取150;

n——爆破地震随距离衰减系数,取1.5;

(卜～炸药量,延期爆破时最大单响药量,kg;

R从爆破地点药量分布的几何中心至被保护对

象的水平距离,m.

根据破坏标准,≤5cra/s时,可充分保证围岩的安

全.计算出最大单响爆破药量:Q一71.1,在此药量

下的爆破将安全町靠.本工程爆破网络采用孔间微差顺序

爆破方式.药卷为~32mm,2号岩石乳化炸药,单支药卷

长度20cm,单支药卷重量200g.钻孔内装人ms]0段非电

雷管,孔间用ms2段非电雷管连接,排间用ms5段非电雷

管连接.控制的爆破最大单响药量不超过25,完全满足

安全要求,从而保证了爆破对围岩的破坏影响,工程实际

爆破效果很好.

3.1.2封堵段的锚筋

设计采用的锚筋规格为~20mm,单根长为2.6m,其

中伸人基岩2.0m,外露0.6m.锚筋孔用手风钻钻孑L.

锚筋孑L钻孑L前先由测量人员根据审定的设计图纸进行实

地放样,安装样架,然后按要求施钻.钻孔过程中重点

是对孔深,孔斜等项目的控制.施工工艺图如图2所示.

.

区

———

锚筋加工,运输l

图2锚筋施工工艺流程图

3.2混凝土浇筑

浇筑前先将封堵段底板上的泥土等杂物清除,将封

堵段边顶拱的油,粉尘等清洗干净.堵头上,游模板用

组合钢模板,顶拱部位用木板补缝,模板密封情况好.

浇筑混凝土前先铺一层2cm厚的水泥砂浆.以保证基岩

面和混凝土之问的凝结力.

为加快施T进行,混凝土一次全断面浇筑完成.鉴

于洞内施工的特殊性,混凝土浇筑采用混凝土泵运至仓

面.混凝土泵设在导流隧洞出口位置,混凝土经拌和楼

生产后,南自卸汽车运至导流隧洞出口位置,由装载机

转料至混凝土泵,再Fh混凝土泵送至封堵位置,总运距

2.8km.其中泵送距离为220m.仓面作业时搭设工作平

台,人工用高频振捣棒进行振捣.

3.3混凝土浇筑中的温控措施

为实现早日发电,导流隧洞封堵混凝土一次浇筑完

成,混凝土方量大,浇筑期间为夏季.在高温下,导流

隧洞封堵混凝土有效进行温控是保证封堵部位不渗水的

关键.大体积混凝土由外荷载引起裂缝的可能性很小,

而混凝土硬化期间水化过程释放的水化热,浇筑温度所

产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用,南此产生的

温度应力和收缩应力,是导致结构出现裂缝的主要因

素.混凝土的最高温升值主要由浇筑温度和水泥水化热

两部分组成.因此,减少水泥用量,降低混凝土出机温

?

98?

度和控制混凝土的浇筑温度是限制混凝土内部最高温升

和混凝土内外温差的关键.为达到既能控制温度裂缝又

能在高温情况下顺利泵送混凝土,主要采用r如下

方式.

3.3.1限制水泥用量,降低混凝土内部水化热

(1)选用水化热低的水泥.

采用发热量低的水泥和减少位水泥用量,是降低

}昆凝土水化热温升的最有效措施.根据试验表明,不同

品种水泥单位发热量相差10cal/g.本部位使用水化热较

低的42.5型水泥,其早期的水化热比同龄期的普通硅酸

盐水泥低,3d的水化热约低2O.

(2)掺加磨细粉煤灰.

堵头混凝土掺入了成都华能电厂的磨细Ⅱ级粉煤

灰,根据实验资料表明,这样不仅改善混凝土的黏聚性

和可泵性,而且可节约水泥.每方混凝土中的水泥用

量,每减少10kg,其水化热将混凝土的温度相应降低落

1～1.2℃.

(3)选用优质外加剂.

堵头混凝土掺人了山两凯迪建材有限公司生产的

UEA微膨胀剂.该微膨胀剂在空气中膨胀率28d达

0.0017%,在水中膨胀率28d达0.079.从而能有效地

抵消水化热温升引起的混凝土收缩变形.

3.32原材料降温,控制混凝土出机温度

出机温度指混凝土组成材料经搅拌出机后测得的混

——沙牌水电站导流洞堵头设计与施工0

时间不得小于48h.回填灌浆采川纯压式灌浆法,浆液水

灰比位为1:l,0.8:1,0.6:1,0.5:1(重量比)4个

比级,在设计压力下,灌浆孔停止吸浆,即结束回填

灌浆.

3.5排水管封堵

当同填灌浆满足强度要求后,即进行2根150ram

排水管的灌浆封堵.为保证在灌浆过程巾浆液不通过排

水管进人上游,在安设排水管时,在排水管进口设有逆

止阀,当灌浆压力达到一定值时,逆止阀即可逆向关闭,

从而阻止浆液通过排水管进入上游.

3.6接缝灌浆

接缝灌浆是为了充填堵头混凝土后期冷却收缩产生

的与基岩面之间的缝面.接缝灌浆需待混凝土的温度与

基岩温度相同,并待接缝宽度大于0.5mm以上(混凝土

掺人r膨胀剂,在一定程度上可以补偿一部分收缩裂缝)

才进行.根据观测结果,在蓄水前不具体灌浆条件,实

际接缝灌浆是在蓄水达六个月后才进行的.

凝土拌和物温度.为降低混凝土的出机温度,关键是对

原材料采取了如下的降温措施:

(1)在砂石料仓安设水管,住中午高温期间喷雾

保湿.

(2)控制混凝土中水的温度,混凝土巾水的用量虽然

较少,但它的比热较大,故需降低水的初始温度.该部

位拌和用水温控制在12℃以下.

33.3加强混凝土保湿保温养护

堵头混凝￡浇筑完并达到拆模强度后,并不立即拆

除下游面模板,这样可以减少混凝土中心与表面的温差,

防止产牛温差裂缝.当文测混凝土中心温度下降后,拆

除下游面模板,并进行表面油水养护,防止产生表面

裂缝.

334对混凝土温度进行内部监控.及时掌握混凝土温

度变化动态

该导流隧涧封堵混凝土内共埋有四支温度计,基

岩内埋有两支温度汁.对混凝土进行温度观测的目的

是为了掌握混凝土内部文际最高温升和混凝土中心至表

面的温度梯度,并确定最佳接缝灌浆时间.根据观测结

果,导流隧计司封堵混凝土内部温度变化如图3所示.其

最高温度出现在浇筑混凝土后的第七天,达到

了61.4℃.

图3混凝土内部温度时问关系图

3.4回填灌浆

堵头混凝土在顶层施工条件面狭小,施工人员无法

进入,很难将顶部浇满.为此在顶拱预埋回填灌浆管.

回填灌浆管路采用镀锌钢管,灌浆压力控制在0.3～

0.5MPa范内.回填和同结灌浆采用P?O42.5水泥,

水泥各类性能指标应达到国家规定标准.同填灌浆按分序

加密的原则进行,分为两个次序施工,各次序灌浆的问隔

4结束语

(1)该导流隧洞堵头施工.从洞身断的扩挖至开

始挡水发电,共经历34d.根据近几年长时间的监测资

料分析成果和运行结果看,尚未出现裂缝,堵头四周无

一

点漏水现象,堵头下游面混凝土表面也无一点渗水

现象,堵头运行正常.该导流隧洞封堵混凝土在工期

要求十分严格的情况下获得了成功.这