某水电站引水发电洞1号施工支洞封堵体设计

2010-06-12何岚

山西建筑 2010年27期

何岚

1 工程概况

扭子水电站工程位于甘肃省南部卓尼县县城上游约20.1km处的洮河干流上,距省会兰州市约360km。工程主要任务是发电,主要建筑物由首部枢纽、引水系统、发电厂房等组成。电站额定水头25 m,设计引用流量138.60 m3/s,电站总装机容量30 MW。工程规模为四等小(1)型工程,主要建筑物为4级,次要建筑物为5级。

引水隧洞是本工程主要建筑物。洞线布置于河道右岸山体中,为有压隧洞,设计过水流量138.6 m3/s,断面为7.6 m×7.6 m(宽×高)的弧底马蹄形,进口底板设计高程 2590.5 m,出口底板设计高程2577.00 m,纵坡 i=0.299%,全洞长4393.114 m。引水系统共布置有施工支洞2条,其中1号施工支洞与发电隧洞平洞交于4 m+286.531 m处,1号堵头位于1号施工支洞末端,断面形式为城门洞形7.2 m×6.7 m(宽×高)。

目前,电站已正常运行一年多,1号堵头结构安全,渗漏量非常小。可见,1号堵头的设计是非常成功的。现将堵头设计的一点体会写出来。

2 封堵体设计

参照已建成工程可以看出封堵体设计最关键的问题是确定封堵体长度。

2.1 基本资料

1号堵头段地质岩性为中三叠统第四岩组石英砂岩与砂质板岩。综合判定围岩类别为Ⅳ类,围岩稳定性差,建议围岩坚固系数 fk=2～3,单位抗力系数 k0=6MPa/cm～12MPa/cm。

2.2 确定封堵体长度的方法

堵头长度的确定主要有3方面的因素:

1)安全,要求堵头在强大的水压力下无位移,也即是堵头混凝土与洞围岩的粘结力必须大于水压力产生的剪力;

2)抗渗漏,参考有关资料,没有一个堵头不漏水的,只是大小而已,只要漏水在允许的范围内不危及电站各建筑物的安全即认为可行;

3)经济,要满足安全的条件下使堵头最经济。

根据以上3个因素确定堵头长度的方法较多。应根据工程实际情况确定。采用的方法包括以下几种:

1)封堵体长度按3倍以上洞径或洞宽。

2)挪威经验公式 L≥(3～5)H/100,其中,H为水头长度;L为堵头长度。

3)按照经验公式L=HD/50,其中,D为引水隧洞换算直径。

这三种方法常用来初拟堵头长度和估算工程量。

4)结构力学法。

因为结构力学方法受力概念明确,只要参数选取合理,计算结果比较符合客观实际。

力学的方法,未考虑荷载分项系数,但给出了较明确的安全系数,因而相对更加合理一些。

2.3 堵头长度计算成果

扭子水电站工程1号施工支洞作用水头43.2 m,计算取混凝土与围岩间的摩擦系数fR=0.7,粘聚力C=300 kPa。以上各计算方法的堵头设计结果见表1。

表1 各计算方法的堵头设计 m

由以上计算可以看出,对于水头较高、围岩完整性不好的情况,堵头的设计长度应按力学的方法(抗剪断公式)计算比较合适。参照已建成工程,同时考虑围岩条件差容易引起水力绕渗的情况,取1)号封堵体长度为 21 m。

3 堵头布置

堵头长度确定以后,为了使堵头符合抗滑稳定计算时的假定。增大其安全储备,实施时会增设齿槽、键槽、锚筋、倒坡等抗剪措施。但这些抗剪措施对施工支洞交通有一定的影响。而且往往由于时间紧迫,进度难以满足要求。随着科学技术和计算理论的不断发展,工程实践的增加和施工技术的提高,堵头的体形朝着不断简化的方向发展。承受中小水头的堵头大多数都简化为柱形,承受高水头的堵头也基本不另设抗剪槽。而采用增设部分锚筋、加强固结和接触灌浆、提高其灌浆压力等措施来增加安全余度。

4 混凝土堵头的防渗设计

4.1 堵头的混凝土材料

堵头混凝土采用微膨胀混凝土,混凝土强度等级为C20,利用膨胀混凝土的后期膨胀特性,减小因混凝土干缩而产生的缝隙。

4.2 增设锚杆支护

在堵头区域设置锚杆支护。锚杆布置范围在支洞拱脚以下,直径25,间排距2 m,长 3.0 m,伸入岩石 2.0 m,出露1 m。锚杆的主要作用是加固松动圈,给围岩提供径向和抗剪承载能力,阻止围岩在水压力作用下原有裂隙扩张或出现新的裂缝。

4.3 堵头防渗灌浆

堵头混凝土浇筑分仓的合理安排,使堵头固结灌浆、回填灌浆效果更好。堵头全断面采用固结灌浆,灌浆孔深入岩石3.5 m,排距3.0 m,梅花形布置。堵头拱脚以上范围采用回填灌浆孔,排距3 m,梅花形布置。回填灌浆应待堵头混凝土强度达到70%以上时才能进行。回填灌浆孔应深入围岩内 10cm,灌浆压力0.2MPa～0.3MPa,具体可通过灌浆试验确定。预留灌浆廊道,灌浆廊道在灌浆结束后,应用混凝土回填,其强度等级和配合比与堵头混凝土相同。回填前应将廊道周边混凝土凿毛1cm并冲洗干净。通过灌浆可以有效的填充混凝土与岩石间的施工缝隙、岩石开挖爆破产生的松动圈缝隙等,提高堵头区域围岩抗渗能力,减少渗漏量。

灌浆示意图见图1。