某工程泄洪排沙洞施工支洞封堵设计

2022-04-20周炜波张德浩任小亮

陕西水利 2022年2期

周炜波，张德浩，任小亮

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安 710065;2. 陕西镇安抽水蓄能有限公司,陕西西安 710061）

1 工程概况

某抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上库混凝土面板堆石坝、下库混凝土面板堆石坝及拦沙坝、下库右岸溢洪道、下库1号泄洪排沙洞及2 号泄洪排沙洞、电站进/出水口、输水隧洞、地下厂房和地面开关站等建筑物组成。工程等别为一等大（1）型工程,下库泄水建筑物为1号泄洪排沙洞、2号泄洪排沙洞。泄洪排沙洞施工支洞主要作为1 号、2 号泄洪排沙洞施工交通运输通道,施工支洞全长143.22 m,横穿1号、2 号泄洪排沙洞,施工支洞净断面尺寸7 m×6 m（宽×高）,支洞进洞口高程863.00 m,出口高程868.05 m,施工支洞进口至与2 号泄洪排沙洞交叉口处纵坡8.57%,施工支洞至与2 号泄洪排沙洞交叉口纵坡11.52%。施工支洞与2 号泄洪排沙洞交点处支洞底板高程872.19 m,施工支洞与1 号泄洪排沙洞交点处的支洞底板高程868.05 m。

2 基本资料

2.1 地质概况

泄洪排沙洞施工支洞围岩为微风化花岗闪长岩,岩体为次块状、块状结构,较完整,以Ⅲ类为主。施工支洞与1号、2 号泄洪排沙洞交叉处围岩分类及力学参数建议值见表1。本工程1 号、2 号泄洪排沙洞抗震设计标准采用基准期100年超越概率2%,相应的基岩水平地震动峰值加速度为132.9 gal（Ⅶ度）；校核标准采用基准期100 年超越概率1%,相应的基岩水平地震动峰值加速度为160.6 gal（Ⅶ度）。

表1 施工支洞与1号、2号泄洪排沙洞交叉口围岩力学参数

2.2 设计基础资料

（1）封堵体建筑物级别

泄洪排沙洞施工支洞施工期按临时建筑物设计,使用完毕后需要进行永久封堵,封堵堵头按永久建筑物设计。施工支洞封堵体与1 号、2 号泄洪排沙洞级别相同,为1 级建筑物,其相应安全级别为Ⅰ级。

（2）封堵段断面

泄洪排沙洞施工支洞断面形式为城门洞型,施工支洞封堵段净断面尺寸为7 m×6 m（宽×高）。施工支洞封堵段与1号、2 号泄洪排沙洞的相对位置关系见图1。

图1 泄洪排沙洞施工支洞封堵轴测图

3 封堵计算

3.1 计算工况

根据《水工隧洞设计规范》（DL/T 5195-2004）规定[1],施工支洞封堵体应按承载能力极限状态进行设计,柱状封堵体抗滑稳定按抗剪断工况计算。泄洪排沙洞施工支洞堵头封堵长度计算考虑的设计状况、荷载及其作用组合见表2。

表2 荷载及其作用组合表

3.2 荷载计算

（1）封堵体承受水头

1 号泄洪排沙洞采用岸塔式有压短洞进口的无压洞,泄洪排沙洞施工支洞与1 号泄洪排沙洞交叉口封堵体承受水头取模型试验结果,堵头承受水头按照各工况水位至堵头形心之间的距离计算确定。泄洪排沙洞施工支洞与2 号泄洪排沙洞交叉口封堵体直接与下水库相连,承受下水库相应工况的下库水位的水头。泄洪排沙洞施工支洞与1 号、2 号泄洪排沙洞交叉口封堵体在各计算工况下承受的水头见表3。

（2）封堵体渗透压力

施工支洞封堵体渗透压力按照式（1）进行计算：

式中：F为渗透压力,kN；水为水的容重,取值10 kN/m3；H1为封堵体挡水端头底板水头,m；H2为封堵体挡水端头顶部水头,m；B为隧洞底宽,m；L为封堵体长度,m。

（3）地震作用计算

根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB 35047-2015）采用拟静力法计算水平向的地震惯性力[3],沿高度作用于质点的水平向地震惯性力代表值可按式（2）计算：

式中：Ei为作用在质点i的水平向地震惯性力代表值；ah为水平向设计地震加速度代表值,取1.329 m/s2；为地震作用的折减效应系数,一般取0.25；GEi为集中在质点的重力作用标准值,kN；g为重力加速度；ai为质点i的动态分布系数。

动态分布系数按下式计算：

式中：n为计算质点的总数；H为封堵体的高度,m；hi, hj为质点i, j的高度,m；GEi为集中在质点i的重力作用标准值,kN；GE为产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值,kN。

地震时,建筑物前后的水也随着震动,形成作用在建筑物表面的激荡力。在水平地震作用下,建筑物沿直面上沿高度分布的地震动水压力的代表值为：

式中：Pw（h）为水深h处的地震动水压力代表值,Pa；（h）为水深h处的地震动水压力分布系数,按照《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB 35047-2015）中表7.1.12取用；Pw为水体质量密度标准值,kg/m3；H0为建筑物前水深,m。

3.3 计算方法

施工支洞封堵体采用可靠度理论进行封堵体封堵长度计算,封堵体的承载能力极限状态计算应满足下列公式要求[2]：

式中：γ0为结构重要性系数,1级建筑物对应的结构安全级别为Ⅰ级,Ⅰ级建筑物对应的结构重要性系数应为1.1；ψ为设计状况系数,持久状况、短暂状况、偶然状况下设计状况系数取为1.0、0.95、0.85；γd为结构系数。取值1.5；S（·）为作用效应函数；R（·）为结构抗力函数。

3.4 计算结果与分析设计

根据上述封堵计算,可得施工支洞与1号泄洪排沙洞、2号泄洪排沙洞交叉口封堵体在不同设计工况下所需的封堵长度,其结果汇总见表4。可以看出,采用可靠度理论计算各工况的封堵长度,控制工况为基本组合持久工况,计算所得的施工支洞与1号、2号泄洪排沙洞交叉口封堵体长度分别为0.91 m、13.41 m。

表4 施工支洞封堵长度计算结果汇总表

根据封堵计算结果,考虑满足施工要求并类比国内同类工程相关经验,在封堵长度理论计算的基础上,一般均适当加长封堵体长度。出于安全考虑,本次将施工支洞位于1号与2号泄洪排沙洞之间连通段全部进行封堵。施工支洞与2号泄洪排沙洞交叉口封堵体最终的封堵设计长度取为20 m。

施工支洞在封堵施工前应对封堵段混凝土路面、洞壁松动岩体及杂物、已喷混凝土剥落破坏、脱空的部分进行凿除,在封堵段设置Φ22 锚杆,锚杆长度3 m,入岩2 m,间排距2 m×2 m,梅花形布置,以确保封堵混凝土与洞周围岩锚固良好且有足够的抗滑力。封堵段应做好回填、固结灌浆施工,以保证封堵体安全、可靠。永久封堵体顶拱需进行回填灌浆,回填灌浆孔应深入围岩10 cm,间排距3 m×3 m,灌浆压力控制在0.2 MPa～0.3 MPa,在此压力下,灌浆孔停止吸浆时,延续灌注10 min即可结束灌浆。固结灌浆应在永久封堵体顶拱回填灌浆结束7 天后进行,固结灌浆孔在混凝土段采用预埋PVC管,岩石段采用岩石钻孔。固结灌浆压力标准为0.8 MPa～1.0 MPa,在规定压力下,灌浆段的注入率小于1.0 L/min时,再继续灌30 min即可结束固结灌浆。