毛尔盖水电站导流洞封堵施工组织及温控设计

2013-10-23龙军飞

水电站设计 2013年4期

何坤，龙军飞

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内，是黑水河干流“二库五级”开发方案的第三个梯级电站。拦河大坝采用砾质土直心墙堆石坝，坝顶高程为2 138.00m，坝顶宽12.0m，心墙底高程为1 991.00m，顶部高程为2 136.00m，最大坝高为147.00m。坝区枢纽采用断流围堰挡水、隧洞过流，坝体工程全年施工的导流方式，导流洞布置于左岸，净断面为8m×9.5m方圆形断面。

根据前期设计方案，本工程采用常规的“汛后下闸、枯期施工导流洞堵头、堵头完建后蓄水发电”的方案，在工程实施过程中，随着工程进展，控制工程蓄水发电的所有项目实际可以在2011年3月前完工，工程具备2011年3月下闸蓄水的条件，为使工程尽早发挥效益，需要分析研究采用“汛前下闸、汛中施工堵头、堵头完建后蓄水发电”的方案。

若导流洞在3月中旬下闸，由于永久堵头施工工序复杂(排水、浇筑混凝土、灌浆等项目)，汛前难以完成永久堵头封堵的全部项目;而在汛期施工堵头，在放空洞敞泄的条件下，外水水头仍然较高，根据复核，导流洞衬砌结构及导流洞闸门均不能承受高水头及相应的外水压力，堵头施工风险极大。经过详细的分析论证，本工程需要将堵头分两段施工，利用较为安全的3～4月施工一期堵头，汛期施工二期堵头，利用一期堵头来抵挡二期堵头施工期的高外水，本方案既可满足一期堵头施工期安全，又可降低二期堵头施工期的安全风险。

2 导流洞堵头布置

导流洞堵头分两段布置，二期堵头体型为楔形体，长 30m，断面尺寸 8.0m×9.5m～12.0m×11.0m;一期堵头长25m，断面尺寸8.0m×9.5m，设置在二期堵头上游侧，并与二期堵头紧邻布置。

由于一期堵头必须在4月底以前完成，以保护汛期二期堵头施工，施工工期较紧，因此一期堵头采用整仓连续浇筑，不设施工廊道，堵头混凝土采用C20微膨胀混凝土，抗渗标号为W10。二期永久堵头长度为30m，堵头混凝土采用C20中热水泥混凝土，抗渗标号为W10。堵头水平向分两段浇筑施工(单块长度15m)，中间设施工缝，竖向分6层浇筑，底部层厚1.5m，其余5层层厚2.0m，每层布设冷却水管;考虑后期灌浆要求，永久堵头中部设置施工廊道，廊道尺寸2.5m×3.0m(宽×高)。

3 堵头施工组织设计

堵头施工程序按下闸→出口围堰堆筑→洞内加固消缺(闸门至一期堵头之间洞段)→一期堵头施工→二期堵头施工的顺序进行。

3.1 出口围堰施工

导流洞下闸后，由放空洞敞泄来水，导流洞出口只有放空洞下泄流量的河床尾水回水，出口选择土石混合围堰挡水，最大堰高约5m。

3.2 一期堵头施工

洞内加固消缺处理完成后，先进行堵头前子堰施工，子堰布设在一期永久堵头上游侧，底板预埋排水钢管以将上游渗漏水排除至二期永久堵头下游。子堰高度根据渗水量大小确定，子堰材料采用粘土编织袋。

一期堵头浇筑前需先对原衬砌结构凿毛，凿毛采用风镐施工，并采用高压水冲洗毛面。堵头混凝土采用6m3混凝土搅拌车运输，HBT60型混凝土泵入仓浇筑。

回填灌浆采用预埋管的方式，灌浆管深入原衬砌混凝土10cm并将预埋管引至堵头外侧。

3.3 二期堵头施工

二期堵头长度30m，可以一段整仓施工，也可以分两段施工，一段施工较为方便，温控难度较大，分两段施工温控难度较小，经工期、施工难度综合考虑采用分两段施工的方案。

导流洞二期堵头断面8～12m×9.5m～11.5m，二期堵头按两段施工，竖向分6层，相应层厚1.5m、2m、2m、2m、2m、2m(从下至上)，每段共计 6 个仓。两段平行施工，跳仓浇筑，封堵混凝土最大仓位面积为156.4m2。冷却分两期进行，一期在每层混凝土浇筑完成即开始，温控目的是对混凝土最高温升削峰，二期冷却待最后一仓混凝土达到80%以上设计强度后(约21d龄期后)再进行，温控目的是使混凝土尽快达到接缝灌浆温度。

4 施工进度

堵头施工进度必须满足两个要求:

(1)一期堵头在汛前完成，以保证汛期二期堵头施工的安全;

(2)堵头施工应尽早完成，永久堵头施工越早完成，水库就越早可以蓄水，提前发电产生的效益是巨大的，因此堵头施工在保证施工质量的前提下，越快越好。

根据施工项目、施工条件及温控方案，对永久堵头施工进度进行详细分析(见表1):

表1 堵头施工进度

由表1分析可知，二期堵头施工工期96天，一期堵头施工工期31天，两期堵头工期合计127天。本工程安排在2011年3月(3月1日至3月31日)内择机下闸，永久堵头全部完工、开始蓄水的时间相应在2011年7月5日至8月4日之间。为方便计算，在后文的温控设计中，下闸时间拟定为3月中旬，相应一期堵头混凝土浇筑时间在4月上旬，二期堵头开浇时间在4月下旬。

5 堵头温控设计

5.1 基本资料

(1)气温:二期堵头施工时段为4月中旬至7月中旬，坝址处最高气温18.9℃。

(2)水温:水温无实测资料，按比气温低2～3℃考虑，根据进度安排，一期通水时间在5月，通水平均水温取12℃，二期通水时间在6月，通水平均水温取13℃。

(3)地温:本电站坝址地温资料见表2。

表2 多年平均地温统计

(4)胶凝材料水化热。混凝土胶凝材料考虑采用低热或中热水泥，根据GB200－2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》，水化热取值见表3。

表3 胶结材料水化热 KJ/Kg

(5)混凝土热学性能。根据以往室内试验成果，并参考有关工程资料，得到混凝土主要热力学参数见表4。

表4 混凝土热学性能

(6)敞开的混凝土表面在空气中的放热系数β:冬季(10月～次年5月):β=84kj/m2·h·℃

5.2 混凝土温控设计

导流洞堵头在浇筑过程中采取相应的温控措施，目的是根据混凝土的浇筑温度、混凝土在降温过程中的人工通水冷却参数及通水温差来控制混凝土的允许最高温度，同时在满足混凝土抗裂要求的前提下尽快达到接缝灌浆的稳定温度(根据年平均气温资料，稳定温度取17℃)。

(1)混凝土温差设计标准。堵头属于基础强约束区，最大温升根据(DL/T5108－1999)《混凝土重力坝设计规范》要求为22～19℃，设计取21℃。

(2)混凝土浇筑温度。由于导流洞二期堵头混凝土开浇时间在2011年4月下旬，根据当时气温计算混凝土出机口温度，控制混凝土浇筑温度不超过14℃。

(3)导流洞堵头混凝土温度场计算。根据施工进度计划，考虑如下情况进行导流洞堵头温度场计算:

每段分6层施工，相应层厚1.5m，5×2 m(从下至上)，浇筑间歇时间均为3天，计算第一仓开始浇筑时间考虑为4月25日，在不采取任何温控措施的情况下，计算结果见表5。堵头温度包络线，包络等值线见图1、2，浇筑块中心点温度过程线见图3。

(4)计算结果分析。从计算结果来看，在采取中热水泥、混凝土浇筑自然入仓、不采取一期冷却的情况下，堵头内最大温升达到37.4℃，已经接近允许的最大温升38℃，为了防止二期冷却温降过快产生裂缝，仍需要对混凝土进行一期冷却。

表5 导流洞堵头温度场计算结果

图1 堵头温度包络线示意(不进行一冷)

图2 堵头温度包络等值线示意(不进行一冷)

图3 最上层浇筑块中心点温度过程线(不进行二冷)

从计算结果来看，由于导流洞堵头处于一个相对封闭的环境，混凝土块达到稳定温度(17℃)，需要一个较长的时间，为使接缝灌浆能及时进行，水库能尽早蓄水，须进行二期通水冷却。

5.3 人工通水冷却

(1)冷却水管布置。堵头内埋设的蛇形水管按1.5m×1.5m(水管间距)布置，埋设时水管距堵头上游面0.5～1m、距下游面1.0～1.5m，水管距接缝面、洞周边1.0～1.5m。

(2)一期冷却。通水温度按5月份平均河水温度12℃考虑，单根水管长度不大于200m，通水流量0.9m3/h，通水时间14天，一期通水冷却结束后堵头内平均温度约为23～25℃。

(3)二期冷却。二期冷却仍采用天然河水，以混凝土温度达到17℃为准。水管布置按1.5m×1.5m考虑，水温按6月份平均水温13℃考虑，水管流量按0.9m3/h，通水时间30天。计算结果见表6。二期冷却后堵头温度云图、温度等值线图见图4、5，最上层浇筑块中心点温度过程线见图6。

6 结语

(1)在水电工程的前期设计阶段，一般采取汛后下闸，枯期施工堵头的方案，前期导流洞的结构设计也按此方案考虑，但在工程实际施工过程中，在其他相关项目完工，具备下闸条件后，为取得提前发电的经济效益，往往需要研究汛前下闸的方案，这时导流洞洞身结构、闸门等相关项目均难以满足汛期施工要求，本工程将永久堵头分段施工，较好的避免了施工风险，保证了永久堵头的施工质量。

(2)堵头冷却分两期进行:通过一期冷却，降低了浇筑过程中的最高温升;通过二期冷却，在较短的时间使混凝土达到稳定温度以进行接缝灌浆，从而缩短了堵头施工时间，为水库尽早蓄水创造了有利条件。