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        云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩排水設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        2022-06-08 02:51:00王錦峰楊鑫平
        西北水電 2022年2期
        關(guān)鍵詞:混凝土施工

        王錦峰,楊鑫平

        (1.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,西安 710001;2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

        1 工程概況

        云鎮(zhèn)水庫位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣境內(nèi),壩址位于鎮(zhèn)安縣西北云蓋寺鎮(zhèn)上游的縣河峽谷段,距鎮(zhèn)安縣城20 km,距西安市130 km,水庫的主要任務(wù)是城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉,年供水量1075萬m3。水庫正常蓄水位903.00 m,總庫容959萬m3,調(diào)節(jié)庫容747萬m3,攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩高74 m,壩頂高程906.00 m,壩基高程832.00 m,壩頂寬7.0 m。泄洪壩段位于河床段中部,布置1孔泄洪底孔和1孔泄洪表孔,泄洪底孔為壓力泄水孔,斷面為3 m×3 m(寬×高)的矩形,水平布置,進(jìn)口底板高程852.00 m,出口設(shè)弧形工作閘門,采用挑流方式消能;泄洪表孔寬10 m,孔口設(shè)10 m×6.7 m(寬×高)弧形工作閘門,堰頂高程898.00 m,堰面采用WES曲線,下接1∶0.7的陡坡,尾部為反弧段,采用挑流方式消能。放水孔布置在泄洪壩段右側(cè)的擋水壩段,采用壩體內(nèi)埋設(shè)鋼管的布置型式,鋼管內(nèi)徑1.0 m,管中心高程為857.25 m,大壩下游設(shè)調(diào)流調(diào)壓閥控制流量。

        2 地質(zhì)情況

        壩址為“V”型河谷,兩岸斜坡陡峻,自然邊坡坡度40°~65°,谷底寬約32。壩址巖層為泥盆系上古道嶺組(D2g2)綠泥絹云母千枚巖。兩岸覆蓋層厚度1.5~4.0 m,河床覆蓋層厚度3.0~5.5 m。壩址位于單斜構(gòu)造的橫向谷區(qū),巖層產(chǎn)狀20°~40°∠60°~80°,總體傾向上游偏左岸。壩址區(qū)存在一條斷層和兩組構(gòu)造裂隙,f1斷層規(guī)模較小,產(chǎn)狀15°∠59°,屬逆斷層,破碎帶寬度0.25~0.55 m,斷面彎曲粗糙,充填物為角礫巖及泥質(zhì),兩盤巖體較完整。兩組裂隙均為高傾角裂隙:① 組傾向20~40°,傾角69°~70°,間距5~40 cm,延伸長度大于5 m;② 組傾向290°~310°,傾角70°,間距50~100 cm,延伸長度大5 m。壩址區(qū)岸坡相對(duì)高差大于100 m,卸荷裂隙發(fā)育,巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,卸荷深度大,主要卸荷裂隙產(chǎn)狀與坡面產(chǎn)狀基本一致,卸荷帶巖體呈碎裂或散體結(jié)構(gòu)。

        壩址區(qū)千枚巖片理發(fā)育,易于風(fēng)化,具有明顯的片狀風(fēng)化的特點(diǎn),風(fēng)化深度大,左岸強(qiáng)風(fēng)化厚度10~35 m,弱風(fēng)化厚度31~34 m;河床強(qiáng)風(fēng)化厚度3~5 m,弱風(fēng)化厚度18~21 m;右岸強(qiáng)風(fēng)化厚度8~14 m,弱風(fēng)化厚度33~39 m。強(qiáng)風(fēng)化巖體呈片狀、碎塊狀,透水率大于10 Lu,巖體縱波速2 306~3 676 m/s,飽和抗壓強(qiáng)度平均值為22.1 MP。弱風(fēng)化巖體裂隙發(fā)育,巖體為塊狀~碎裂結(jié)構(gòu),透水率4.65~21.1 Lu,巖體縱波速3 588~4 565 m/s,飽和抗壓強(qiáng)度平均值為33.7 MPa,軟化系數(shù)平均值0.6。微風(fēng)化巖體裂隙不發(fā)育,呈整體塊狀結(jié)構(gòu),透水率q<5 Lu,巖體縱波速3 976~4 921 m/s,飽和抗壓強(qiáng)度平均值為39.7 MPa,軟化系數(shù)平均值0.67。

        壩址區(qū)地下水主要為第四系松散層孔隙潛水及基巖裂隙水兩種類型,左岸地下水埋深35~52 m,右岸地下水埋深26~49 m。第四系松散層孔隙潛水含水層為沖積砂卵石層、坡洪積砂壤土層等?;鶐r裂隙水含水層主要為泥盆系巖層,主要接受大氣降水補(bǔ)給,多以泉或滲流形式排泄于溝谷或河流中,因受地形切割、斷裂以及裂隙發(fā)育的不均一性影響,水量一般比較貧乏,呈季節(jié)性變化規(guī)律,壩區(qū)兩岸地下水補(bǔ)給河水。

        大壩混凝土骨料選用庫區(qū)右岸大鳳溝石灰?guī)r,人工骨料料場距壩址3 km,開采層為泥盆系中統(tǒng)上古道嶺組(D2g2)石灰?guī)r。

        3 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        由于壩址下伏基巖片理發(fā)育,風(fēng)化深度大,壩基根據(jù)大壩不同部位以及相應(yīng)的應(yīng)力條件進(jìn)行開挖設(shè)計(jì),河床段壩基開挖至弱風(fēng)化中部,左右兩岸壩肩大多開挖至弱風(fēng)化中上部,左壩肩上部由于風(fēng)化深度過大,上部20 m壩高的壩基仍坐落于強(qiáng)風(fēng)化巖層。加之千枚巖軟化系數(shù)偏低,抗剪強(qiáng)度低,為了保證壩基的抗滑穩(wěn)定,在大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾個(gè)方面:

        (1) 壩基固結(jié)灌漿

        大壩建基面除河床段壩基置于弱風(fēng)化中部,岸坡段壩基開挖相對(duì)較淺,因此對(duì)壩基固結(jié)灌漿進(jìn)行加強(qiáng),整個(gè)壩基范圍內(nèi)固結(jié)灌漿孔排距為2.5 m,孔深6 m,對(duì)壩基存在斷層和裂隙帶,進(jìn)行固結(jié)灌漿加密、加深、加壓處理,孔排距1~1.5 m,孔深10~15 m,灌漿壓力增加至1.2~1.5 MPa。

        (2) 放緩上下游壩坡

        上游壩坡在865.00 m高程以上為鉛直面,865.00 m高程以下采用1∶0.2的斜坡,下游面897.00 m高程以上為鉛直面,897.00 m高程以下壩坡1∶0.70。大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面設(shè)計(jì)見圖2。

        (3) 設(shè)置抗滑齒槽

        河床段壩基抗滑齒槽深2 m,寬10 m,岸坡段抗滑齒槽深2 m,寬5 m。

        (4) 增大岸坡壩基接觸面積

        在大壩與岸坡接觸部位設(shè)置貼腳進(jìn)行放大,貼腳最小厚度4 m,使壩基寬度至少增加8 m以上。

        (5) 提高防滲標(biāo)準(zhǔn)

        帷幕灌漿防滲標(biāo)準(zhǔn)為3 Lu,壩基上游側(cè)設(shè)置一排帷幕灌漿,孔距2 m,灌漿深度30~50 m。左右壩肩在壩頂在906.00 m高程和871.50 m高程設(shè)有水平灌漿洞,灌漿洞長度30~40 m。在斷層帶、裂隙發(fā)育地段以及岸坡較陡的部位增加一排帷幕灌漿。

        (6) 加強(qiáng)壩基和壩體排水

        降低滲透壓力,在壩基帷幕灌漿下游設(shè)置壩基排水孔,入巖深度不小于15 m,孔距2 m,河床段壩基滲水集中流入河床段的集水坑,再由水泵抽向下游,岸坡段壩基滲水由各層順河向交通廊道排出壩外。

        (7) 壩體橫縫灌漿

        由于壩肩開挖坡度陡,在壩肩基礎(chǔ)產(chǎn)生的滲透壓力及重力的聯(lián)合作用下,存在側(cè)向滑動(dòng)問題,因此對(duì)大壩橫縫進(jìn)行接縫灌漿,將各壩段連接為整體。

        4 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        4.1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

        混凝土重力壩一般采用上游帷幕灌漿、帷幕下游布置排水孔的方式降低壩基滲透壓力,是保證壩基抗滑穩(wěn)定的重要措施。排水孔孔深應(yīng)根據(jù)帷幕和固結(jié)灌漿的深度及基礎(chǔ)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件確定,主排水孔深為帷幕深的0.4~0.6 倍,高、中壩的壩基主排水孔深不小于10 m。

        碾壓混凝土壩施工過程中的碾壓層厚度一般為30 cm,層間接合縫為平面接觸,上、下兩層混凝土結(jié)合部位不能達(dá)到插入式振搗的泛漿混合膠結(jié)效果。碾壓混凝土一倉厚度一般為3~6 m,上、下兩倉混凝土之間的結(jié)合往往按施工縫處理,碾壓前鋪灑一層水泥砂漿,碾壓混凝土攤鋪前砂漿超前展開面積過大,覆蓋碾壓混凝土前砂漿已經(jīng)初步凝固,在振動(dòng)碾壓時(shí),因激振力作用使得上下兩層混凝土間鋪設(shè)的砂漿膠結(jié)力破壞,碾壓分層間的砂漿呈疏松狀態(tài)。由于以上原因,碾壓混凝土壩存在的層間滲漏問題成為壩體常見的病害缺陷,由上游面及壩肩滲入壩體的水會(huì)使層間滲透壓力加大。壩體排水系統(tǒng)的作用在于,防滲結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部缺陷后,排水孔能夠有效降低層面滲透壓力,避免壩體滲透壓力急劇上升,降低壩體浸潤線。因此,做好壩體排水是保障大壩安全運(yùn)行的必要條件。

        排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在各種運(yùn)行條件下,可將壩基和壩體的滲透壓力控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。根據(jù)目前已建混凝土重力壩工程實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)以及混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)于設(shè)置帷幕及排水孔的實(shí)體重力壩,河床段壩基滲透壓力折減系數(shù)為0.25,岸坡壩段為0.35。

        4.2 廊道系統(tǒng)布置

        大壩排水系統(tǒng)布置一般結(jié)合壩基帷幕灌漿、壩體廊道等各方面因素綜合考慮。云鎮(zhèn)水庫大壩設(shè)置2層廊道,壩基帷幕和排水孔位置應(yīng)盡量靠近上游,最大程度減小壩基滲透壓力。

        底層廊道斷面為3.0 m×3.5 m(寬×高)的城門洞型,作用為灌漿、監(jiān)測、排水,河床段底板高程834.00 m,在靠近兩岸岸坡處向上爬升,左岸爬升至844.00 m高程,右岸爬升至848.00 m。左右兩端各有通向下游的交通廊道,出口高程均高于下游最高水位。由于大壩上游865.00 m高程以下采用1∶0.2的斜坡,因此底層廊道在平面上為折線形布置。

        上層廊道水平布置,底板高程871.50 m,中部斷面尺寸為2.0 m×2.5 m(寬×高)的城門洞型,作用為監(jiān)測、排水,兩端與左右岸灌漿洞連接,灌漿洞斷面為3.0 m×3.5 m(寬×高),用于灌漿和排水。左右兩端各有通向下游的交通廊道。

        混凝土重力壩壩基排水孔出口一般位于大壩廊道內(nèi),廊道的布置受通行要求控制,其坡度一般小于1∶1,云鎮(zhèn)水庫壩址狹窄陡峭,左岸坡比1∶0.44~1∶0.66,右岸坡比1∶0.67~1∶0.75,如果按1∶1的坡度布置廊道,在廊道底部與壩基之間形成一個(gè)三角形區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi),排水孔出口部位與壩基部位高差較大,排水孔內(nèi)會(huì)形成較大的水壓,排水效果差,導(dǎo)致該區(qū)域滲透壓力過大,達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,對(duì)大壩穩(wěn)定不利。為了使排水孔出口盡可能靠近壩基面,并且便于壩肩帷幕灌漿和排水孔的施工,上下兩層廊道之間采用斜井連接,斜井的坡度與壩基開挖面坡度基本一致。

        斜井?dāng)嗝鏋?.0 m×3.0 m(寬×高)矩形,見圖4,施工采用預(yù)制混凝土梁作內(nèi)模,碾壓混凝土施工完成后,形成帶有階梯的斜井,之后在斜井內(nèi)安裝欄桿及工字鋼軌道,用于帷幕灌漿及排水孔施工。混凝土梁斷面為40 cm×60 cm(寬×高),為了減小預(yù)制構(gòu)件重量以便于安裝,一層預(yù)制混凝土梁由兩根長梁和兩根短梁組成,單根梁自重2噸左右,長梁長度3.8 m,埋設(shè)固定鋼筋,短梁長3 m,支撐在固定鋼筋上,防止混凝土碾壓過程中移動(dòng),用裝載機(jī)便可將預(yù)制混凝土梁安裝到位,施工快速簡單,容易操作。

        4.3 壩基排水設(shè)計(jì)

        由于壩址基巖風(fēng)化深度大,壩基開挖設(shè)計(jì)相對(duì)于高壩的要求較為寬松,壩基巖石仍然較破碎,加之千枚巖軟化系數(shù)偏低,抗剪強(qiáng)度低,對(duì)壩基抗滑不利,必須加強(qiáng)壩基排水設(shè)計(jì)。由于兩層灌漿廊道用斜井連接,壩基帷幕灌漿孔布置在灌漿廊道或斜井的上游側(cè),所有的灌漿孔連續(xù)布置,且帷幕灌漿孔均為鉛直孔,有利于施工控制。壩基排水孔則布置于灌漿廊道或斜井的下游側(cè),采用?150鉆孔,孔距2 m,孔徑和孔距均采用較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

        871.50 m高程廊道以上至壩頂高程的岸坡壩基排水孔,由壩頂鉆鉛直孔穿過灌漿洞或廊道頂板,壩基滲水由排水溝匯入871.50 m高程順河向交通廊道排向下游。

        871.50 m高程廊道以下的岸坡壩基排水孔全部位于靠近岸坡的斜井內(nèi),鉆孔方向傾向下游10°,入巖深度不小于15 m,壩基滲水沿斜井匯入其下部的順河向交通廊道排向下游。

        河床段壩基排水孔位于底層灌漿廊道內(nèi),排水孔方向傾向下游10°,入巖深度不小于15 m,壩基滲水匯入位于河床中部的集水坑,再由水泵抽向下游。

        4.4 壩體排水

        碾壓混凝土壩的壩體排水常用的方法有鉆孔、埋設(shè)透水管或拔管等方法。采用埋設(shè)透水管或拔管的方法,對(duì)碾壓混凝土的施工會(huì)帶來很大的干擾,且由于排水孔周圍無法碾壓,通常采用變態(tài)混凝土,加入水泥漿則又會(huì)導(dǎo)致排水孔周圍的滲透性降低,影響排水效果,因此云鎮(zhèn)水庫壩體排水孔選用鉆孔型式。上層廊道呈直線布置,底層廊道呈折線布置,因此上下兩層廊道平面位置相差0~4.9 m,排水孔深度33 m,孔斜0~6°,每個(gè)鉆孔的孔斜均不相同,孔斜難以控制,施工難度較大。在云鎮(zhèn)水庫大壩的排水設(shè)計(jì)中,采用水平排水體連接鉛直鉆孔與廊道的新思路,既解決了斜向鉆孔精度的控制難題,又克服了排水孔周圍混凝土透水性差的問題,同時(shí)最大程度上減小對(duì)碾壓混凝土的干擾。大壩排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖3。

        水平排水體是在混凝土內(nèi)部埋設(shè)大孔隙材料形成排水通道,材料可選用卵石、碎石、空心磚、空心板、土工排水網(wǎng)等,本工程利用人工骨料場篩余的超徑骨料。水平排水體位于各層廊道頂部,考慮到鉆孔深度和精度,水平排水體寬度取2 m,厚度30 cm,為防止混凝土碾壓過程中水泥漿進(jìn)入排水體,排水體外部用無紡?fù)凉げ及?。水平排水體連接D150鋼管,將壩體滲水引入下層廊道。

        底層廊道左右岸的斜坡段由于坡度較大,為了不影響碾壓混凝土施工,不宜沿廊道頂部斜向布置排水體,而采用在廊道上平段頂部布置水平排水體,軸線與下層的水平排水體軸線重合,一端通入排水斜井,另一端與下層水平排水體重合4 m以上,保證至少2個(gè)排水孔同時(shí)穿過2層水平排水體,見圖5。

        871.50 m高程廊道以下的豎向排水孔,在廊道施工之前進(jìn)行鉆孔,并避開泄洪底孔和輸水管道部位;871.50 m高程廊道以上的豎向排水孔,由壩頂碾壓混凝土頂面鉆孔,排水孔頂高程904.50 m,泄洪表孔部位則由堰頂常態(tài)混凝土下方的碾壓混凝土面鉆孔。

        4.5 壩基抽排系統(tǒng)

        河床壩段集水坑位于泄洪底孔下方,集水坑尺寸為3.0 m×3.0 m×3.0 m(長×寬×深),底部放置WQ2210-408潛水泵,集水坑內(nèi)安裝水位計(jì),自動(dòng)控制水泵開啟,通過壩體預(yù)埋的排水管將積水排向下游護(hù)坦。

        4.6 排水設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)在遵循設(shè)計(jì)規(guī)范并借鑒已建工程的經(jīng)驗(yàn),為了加快施工,減小施工干擾,設(shè)置了岸坡排水斜井和水平排水體,使得大壩的排水系統(tǒng)布置和施工更加簡單,重要特點(diǎn)如下:

        (1)壩基排水孔布置在灌漿廊道或岸坡斜井內(nèi),帷幕灌漿完成后進(jìn)行鉆孔,施工空間大,排水通暢。

        (2) 岸坡斜井施工快速靈活,施工干擾小。

        (3) 水平排水體結(jié)構(gòu)簡單,施工快速方便。

        (4) 壩體排水孔均采用鉛直鉆孔,施工干擾小,施工簡單,孔斜容易控制。

        所有廊道頂部壩體排水口通過廊道頂部預(yù)留的排水管將滲水導(dǎo)入廊道內(nèi)的排水溝,管道布置整齊、美觀。

        5 結(jié) 語

        碾壓混凝土水化熱低、施工速度快,近些年來碾壓混凝土筑壩技術(shù)在中國得到迅速發(fā)展。碾壓混凝土壩排水系統(tǒng),無論是鉆孔、埋設(shè)透水管還是拔管法,在施工過程中總是存在施工干擾或是孔斜難以控制等問題。云鎮(zhèn)水庫碾壓混凝土壩在排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中提出新的思路,引入岸坡斜井和水平排水體,使排水設(shè)計(jì)和施工更加簡單,對(duì)碾壓混凝土施工干擾小,透水性好,施工方便,可靠性高,造價(jià)低廉,實(shí)用性強(qiáng),使碾壓混凝土筑壩技術(shù)的優(yōu)勢得以更好的展現(xiàn)。

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