喀麦隆曼维莱水电站薄壁无筋输水明渠衬砌施工方案优化

2019-07-31王亮亮张培甫

水利水电工程设计 2019年2期

王亮亮张培甫

1 输水明渠衬砌结构设计

喀麦隆曼维莱水电站输水明渠渠道衬砌总长为2 760 m（0+050—2+810），起始端的渠底设计高程为386.0 m，渠顶设计高程为395.0 m，渠道底宽为15.0 m，深度为9.0 m，过水断面边坡坡比为V∶H=1∶2，渠道纵比降为1/4 000，全线采用统一的梯形断面进行衬砌。衬砌仅用于降低渠道糙率，减少发电水头损失，无防渗和结构上限裂等要求。过水断面衬砌采用现浇混凝土衬砌，厚度为15 cm，底部铺设20 cm厚粒径0～5 mm的砂垫层，砂垫层与衬砌面板之间铺设1层土工布。

渠道边坡和底板设置系统排水孔，以便于渠道水位骤降时迅速降低混凝土面板下的水压力，避免混凝土面板因上、下水压力差而破坏。排水孔直径为100 mm、间排距为2.0 m，孔内安装UPVC管，底部管口插入砂垫层10 cm，并采用2层反滤土工布包裹，安装完成后UPVC管内回填砂石。

渠道混凝土衬砌纵向每4 m设置1道永久缝，缝宽20 mm，缝内填充闭孔泡沫板。边坡设置3条水平向的诱导缝（间隔5.03 m），诱导缝采用切缝机切缝，缝深7.5 cm。底板（含两侧镇脚）设置5条顺水流方向永久缝，缝宽20 mm，缝内填充闭孔泡沫板。

曼维莱水电站输水明渠设计参数见表1。

表1 曼维莱水电站输水明渠设计参数

2 施工过程优化

渠道衬砌结构主要包括砂垫层、下镇脚、上镇脚、土工布、衬砌面板及排水管等结构。在国内，大型渠道衬砌常采用渠道衬砌机进行施工，但限于喀麦隆当地经济、技术条件，在曼维莱水电站输水明渠衬砌施工过程中，并未采用国内常用的大型全自动渠道衬砌机，而是采用分仓支模、跳仓浇筑、人工摊铺及振捣的方法进行渠道衬砌施工。在施工过程中发现，无论是从结构上还是从现场实际条件考虑，设计图纸均不能很好的被执行，因此，为加快施工进度、提高生产效率、节约成本投入，根据现场实际情况，对施工方案进行了多项优化。

2.1 镇脚施工优化

镇脚主要为边坡稳定而设置，在采用衬砌机进行衬砌施工时，也可作为衬砌机轨道固定的基础。根据设计图纸，镇脚分为上镇脚和下镇脚，分别位于边坡坡顶和坡脚，渠顶和渠底各2个，共4个。原设计中，镇脚和边坡混凝土板为一体结构，但因其厚度不一、施工方法不同，不便于同时施工，且因其在厚度变化处存在角度突变，易因温度变化和应力集中而产生裂缝。基于以上因素，考虑将边坡混凝土面板与镇脚分离，在转角处设置伸缩缝，先施工坡底镇脚，再铺设砂垫层和土工布，随后进行混凝土面板浇筑，最后进行坡顶镇脚施工，使其施工顺序变为平行工序，不相互干扰，加快了施工进度。其具体优化措施如图1、2所示。

2.2 砂垫层施工优化

在国内渠道衬砌施工中，渠道衬砌垫层料一般选择细度模数较大的河砂或人工砂，同时国内材料供应充足、价格便宜、选择空间大，但在喀麦隆，材料供应不足且种类缺乏。因此，选择一种经济、适用的垫层料可以为工程节约大量投资。

渠道衬砌垫层料一般要求具有以下3个特点：（1）透水性强，加速地基面的排水固结，减少地基沉降；（2）增强基础面整体性，提高承载力；（3）作为反滤料，可防止因土壤流失而引起的基础面破坏。曼维莱水电站输水明渠衬砌垫层料原设计采用0～5 mm天然砂或人工砂，但因当地天然砂供应不足，而人工砂价格昂贵，所以急需一种价格便宜且满足供应需求的垫层料。为此，根据垫层料的一般要求，曼维莱水电站大胆尝试采用级配碎石料（粒径0～20 mm）代替砂垫层，以验证其可行性。曼维莱水电站砂石系统生产的级配碎石的筛分曲线如图3所示，其筛分通过率与人工砂筛分通过率对比见表2。

图1 渠道衬砌上镇脚优化示意图

图2 渠道衬砌下镇脚优化示意图

图3 碎石颗粒级配曲线

表2 人工砂和级配碎石筛分通过率对比%

根据表2中的数据对比可知，级配碎石粒径较人工砂大，且粒径小于0.08 mm的石粉含量基本为零，因此，其透水性必然大于人工砂，可以加速地基面排水固结，提高地基承载力。因其细颗粒含量较少，所以不具有作为反滤料防止土壤流失的作用。为此，考虑将土工布与级配碎石料相结合，在级配碎石与土基面之间增设一层土工布，以弥补级配碎石不能作为反滤料的缺陷。经过现场级配碎石碾压工艺性试验，证明其摊铺及压实效果均很好，说服了监理工程师同意使用0～20 mm的级配碎石配合土工布来替代0～5 mm的人工砂。人工砂是由级配碎石经筛分、冲洗等程序生产的，每增加1道工序都是金钱的投入，因而人工砂成本是远远大于级配碎石的，且级配碎石粒径较人工砂大，在加速地基排水固结方面比人工砂效果更好。用级配碎石替代人工砂，既节省了投资又改善了垫层的性能。

对于土工布，原设计在砂垫层与混凝土面板之间铺设1层土工布，以防止混凝土浇筑过程中水泥浆渗入垫层内，造成不必要的浪费。通过现场试验，不管是砂垫层还是碎石垫层，水泥浆渗入垫层内的量有限，不影响混凝土的浇筑质量，可以取消垫层与混凝土面板之间的土工布，且取得了监理工程师的同意。在砂垫层更改为碎石垫层后，因碎石垫层不具有反虑功能，在碎石垫层与土基之间铺设1层土工布，以防止土颗粒流失，达到反虑效果。

2.3 诱导缝施工优化

原渠道衬砌设计断面在左右边坡上各存在3条水平向的平行诱导缝，其主要作用是引导混凝土衬砌面板从诱导缝处断裂，以释放衬砌面板因不均匀沉降、温度应力等产生的内部应力，并保证混凝土面板美观，不出现不规则裂缝。在施工过程中，考虑块与块镶嵌更有利于稳定，将原水平向通缝改为块与块之间错位的花缝，在面板从诱导缝处断裂后，形成块与块镶嵌的稳定结构，以确保边坡衬砌面板稳定、安全。边坡诱导缝布置优化如图4所示。

图4 边坡诱导缝布置优化（俯视图）

在原设计图纸中，衬砌底板结构不存在诱导缝，而是被永久缝分割成4.0 m×3.5 m的混凝土块，不便于机械化施工。为加快施工进度，对底板分缝结构进行调整，采用底板左、右半幅平行施工的方式，在底板中心设置永久缝，半幅单块长度根据施工能力控制在20～60 m，单块长度内的所有永久缝采用诱导缝进行替代。同时，为确保诱导缝达到应有的效果，防止不规则裂缝产生，加深底板诱导缝深度，由原设计的7.5 cm调整为10 cm（衬砌面板厚15 cm），加宽诱导缝宽度，由常规的5 mm调整为10 mm。分缝结构调整后，左右半幅施工变为平行工序，相互不干扰，加快了施工进度，部分横向分缝由永久缝调整为诱导缝，减少了对底板衬砌施工的干扰，使之变为先、后施工工序，同样加快了施工进度。

经过初期降雨、地下渗水及输水明渠充水试验考验后，在放空检查时发现，渠道衬砌边坡和诱导缝加深部位的底板区域均未出现不规则裂缝，仅在设置常规诱导缝区域的底板部位出现了少量不规则裂缝。底板基础因高程较低，长期受地下水、雨水侵蚀，不均匀沉降较大，因此，较容易出现不规则裂缝，应严格按设计要求控制底板分块大小，并在施工中严格控制诱导缝深度、宽度。

2.4 排水孔施工优化

渠道衬砌边坡和底板设置系统排水孔，排水孔起连通混凝土面板上下面的作用，以便于渠道水位骤降时迅速降低混凝土面板下的水压力，避免混凝土面板因上、下水压力差而破坏。原设计边坡排水管为矩形布置，水平设置，间排距为2.0 m×2.0 m。考虑水平设置不便于边坡排水孔钻设，又不利于在土工布失效的情况下保护砂垫层，且边坡渗水量较小，在排水管出口中心高程相同的情况下，其排水效果差别微乎其微。因此，在实际施工中，将排水孔调整为垂直于混凝土面板进行设置，且孔内回填碎石，既降低了排水管钻设难度，又有利于防止土工布失效时砂垫层的流失。同时，排水孔由水平设置调整为垂直于混凝土面板设置后，单个排水孔所需PVC管长度由57 cm变为25 cm，节约原设计PVC排水管用量的56%，混凝土板钻孔长度相应减少。排水管设置调整如图5所示。