摘要：文中结合了一些已建工程对导流洞堵头的四个方面进行了阐述，供从事导流洞封堵工程设计与施工的人员参考。
关键词：导流洞；堵头
引言
近年来，随着水电工程技术的快速发展，导流隧洞在任何一个工程中导流洞堵头施工后,都会用永久性混凝土进行封堵,在运行过程中堵头会同周围岩石或混凝土连成整体,共同承担由作用水头产生的水压力。导流洞堵头的封堵作为工程中永久性建筑物,虽然堵头的工程量相对较小,但作为水库蓄水的主要控制条件之一,对工程的安全运行有着极其重要的作用,封堵工作是否能够顺利、及时地完成,对整个后期的工程进度有着极其重要的意义。
2堵头长度确定
堵头长度作为导流洞堵头设计的核心,一般而言,堵头承受的基本荷载有内水压力、渗透压力、自重、地震荷载以及周边的围岩压力的等。虽然有限元法在工程界得到广泛的使用,但导流隧洞封堵堵头长度的确定,目前常用的方法主要为《水工隧洞设计规范》(SL279-2002)(简称水利版)、《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)(简称电力版)和经验公式,简要说明如下:
(1)水利版规范计算公式
L≥
式中:L为堵头长度,m;P为堵头迎水面承受的总水压,MN;[τ]为容许剪应力,取0.2-0.3MPa;A为堵头剪切面周长,m。该公式将封堵体视为静水作用下的刚体,剪应力沿周边均匀分布,P取堵头迎水面的总水压,A在规范中要求为剪切面周长,但在实际设计中,根据以往工程经验,通常取底边的全部加上两侧墙的一半。
(2)电力版规范计算公式
作用效用函数S(•)=∑PR和抗力函数R(•)=fR∑WR+CRAR式中:∑PR为滑动面上封堵体承受的全部切向作用之和,kN;∑WR为滑动面上封堵体全部法向作用之和,向下为正,kN;fR为混凝土与围岩(或混凝土)的摩擦系数;CR为混凝土与围岩(或混凝土)的黏聚力,kPa;AR为除顶部外,封堵体与混凝土接触面的面积m2。
如果堵头周边原导流洞衬砌混凝土挖除,则fR采用混凝土与围岩的摩擦系数,CR采用混凝土与围岩的黏聚力;如果堵头周边原导流洞衬砌混凝土不挖除,则fR采用混凝土与混凝土的摩擦系数,CR采用混凝土与混凝土的黏聚力。
(3)经验公式
L=HD/50
式中:D为混凝土堵头直径,混凝土堵头直径,堵头为非圆时,取纵向或水平向较大值;H为作用水头(m)。
就水利版和电力版的区别来看,水利版没有考虑混凝土与围岩的相互作用,而笼统的将[τ]取为0.2-0.3MPa,因而结果不如电力版的合理;然而电力版公式由于考虑围岩和混凝土之间相互作用较大,从而使得抗力较大,所求得封堵体的长度较小;综合以往设计经验,经验公式在高水头时结果一般偏于保守。
3封堵体主要体型及其选择
导流洞封堵堵头的型式有瓶塞形、截锥形、短钉形和拱形,见图1-图4。
图1瓶塞形导流洞封堵堵头
图2截锥形导流洞封堵堵头
图3短钉形导流洞封堵堵头
图4拱形导流洞封堵堵头
瓶塞形堵头采用单段、单齿结构,即上游断面大,下游断面小,在上游水推力作用下,混凝土堵头对围岩形成挤压;同时,混凝土堵头伴随轴向压缩变形,径向将产生膨胀效应,对围岩形成挤压,受到由于变形压力产生的附加弹性抗力的作用,并由此在混凝土与围岩接触面上产生摩擦阻力。由于瓶塞形堵头施工简单,受力状况较好,所以导流洞堵头较多采用此种体型。
截锥形堵头一般在堵头边墙和底板设置键槽,导流洞开挖过程中将键槽一并开挖完成,然后按导流洞结构进行混凝土衬砌,在导流洞下闸以后,原则上需将键槽段导流洞结构衬砌混凝土凿除后才进行堵头混凝土浇筑,但在实际施工过程中,往往因为凿除困难和工期较紧等原因,没有将该段混凝土凿除,仅将该段混凝土面凿毛,并在边墙和底板布设锚筋,保证新老混凝土之间、堵头和围岩之间结合紧密。可见,截锥形与瓶塞形一样,堵头能将压力较均匀地传至洞壁,受力情况好,也被广泛采用。
短钉形开挖较易控制,但钉头部分应力较集中,受力不均匀,不常采用;拱形堵头混凝土量少,但对岩石承压及防渗要求较高,可用于岩体坚固、防渗性较好的地层。
4灌浆
堵头灌浆主要进行固结灌浆、回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆。一般情况下,堵头需设置灌浆廊道,回填灌浆、接触灌浆和接缝灌浆均在廊道内进行。
4.1固结灌浆
固结灌浆是对堵头外部围岩的加固处理。堵头段围岩在导流洞施工时一般已进行过固结灌浆,考虑到堵头的重要性、受力特点及坝体帷幕灌浆,一般在堵头施工时还需对围岩进行补强灌浆处理,固结灌浆一般为压力1.5MPa。
4.2回填灌浆
堵头混凝土在浇筑完成后,由于重力作用和混凝土的干缩,堵头混凝土与洞壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会形成一个空腔,所以堵头必须进行回填灌浆。回填灌浆在堵头混凝土达到设计强度的70%后进行,灌浆管预埋在堵头混凝土中,分为进浆管和回浆管,灌浆管通常采用硬塑料管,一般情况下,灌浆范围为拱顶120°,并在顶部设排气槽,灌浆压力一般为0.3-0.4MPa。
4.3接触灌浆
在堵头混凝土达到稳定温度以后,由于重力作用和混凝土的干缩,堵头混凝土与洞壁岩石或堵头混凝土与导流洞衬砌混凝土之间会有缝隙,所以堵头往往还要进行接触灌浆。接触灌浆管预埋在堵头混凝土中,分为进浆管、回浆管和灌浆支管,灌浆管通常采用硬塑料管,一般情况下,灌浆范围为拱顶及侧墙,在灌浆支管出口一般需设置灌浆盒,灌浆压力一般为0.3-0.5MPa。
4.4接缝灌浆
接缝灌浆是对堵头分段浇筑处的灌浆,如果堵头不设横缝,则不需进行接缝灌浆。接缝灌浆压力一般为0.3-0.5MPa,接缝灌浆在混凝土堵头全部浇筑完成,并且混凝土温度降到稳定温度后进行。
5温控
通常情况下,堵头混凝土体积较大,所以在浇筑过程中采取相应的温度控制措施是非常必要的。在堵头的设计过程中,温度计算的目的主要有两个:1、堵头是否需要进行初期通水冷却;2、在堵头最后一仓混凝土浇筑完成后需要多长时间才能达到稳定温度,即需要通水多长时间才能开始接触灌浆和接缝灌浆,这两项计算的要点分述如下:
5.1是否需要进行初期通水冷却的计算在此项计算过程中,首先要明确的是堵头混凝土设计允许的最高温度,对于基础约束区(或老混凝土约束区)的混凝土,设计允许最高温度可取基础允许温差(查《重力坝设计规范》确定)加上堵头稳定温度或准稳定温度与坝体最高温度控制标准比较后取其低值,对于均匀上升脱离基础约束区的混凝土,仅按堵头混凝土最高温度控制标准确定。若堵头混凝土设计允许最高温度为Tmax,混凝土浇筑块平均温度Tm,如Tm<Tmax,则不需要进行初期通水冷却,如Tm>Tmax,则需要进行初期通水冷却,Tm可采用如下公式计算:
Tm=(TP-Ts)E2/(1-E1)+Tr/(1-E1)+Ts
式中:Tm为混凝土浇筑块平均温度(℃);Tp为混凝土浇筑温度(℃);Tr为混凝土水化热温升,采用时差法计算(℃);E1-新浇混凝土接受老混凝土固定热源作用并向顶面散热的残留比;E2为新浇混凝土固定热源向空气和老混凝土传热的残留比;Ts为混凝土表面温度(℃)。
5.2达到稳定温度所需要时间的计算在此项计算中,首先要确定的的是通水开始时的混凝土温度Te。如果无初期通水冷却,则Te=Tm;如果有初期通水冷却,则Te采用通水冷却后的温度Tm′,Tm′可采用以下公式计算:
Tm′=(Tp-Ts)E2X/(1-E1X)+(Tw-Ts)E2(1-X)/(1-E1X)+Tr/(1-E1X)+Ts
式中Tw为冷却水管进水口处水温;X为水管散热残留比,为aτ/D2与λL/(Cwρwqw)的函数,由《水电工程施工手册(混凝土工程)》查得,a′为等效导温系数,D为冷却等效圆直径,Cw为水的比热,ρw为水的密度,qw为水管通水流量。
而在现场施工过程中,往往是在最后一仓混凝土浇筑完成三天以后才能开始通水冷却,即Te应大于Tm和Tm′,达到稳定温度所需要的时间采用以下公式计算:
Tm=Tw+X(T0-Tw)
式中:Tm为砼平均温度,℃;Tw为冷却水管进口处水温,℃;T0为砼初温,℃。上式可演变为:X=(Tm-Tw)/(T0-Tw),由λL/(Cwρwqw)及X的数值,可从《水电工程施工手册(混凝土工程卷)》查得a′τ/D2的相应数值,由此计算出τ即为达到稳定温度所需要的时间。
导流洞封堵堵头一般在河流枯水期开始施工,汛前结束,所以时间较为紧张,如果通水冷却时间较长,即达到稳定温度时间较长,则会延误接触灌浆和接缝灌浆的时间,所以一般情况下要求采用低热微膨胀水泥,并严格控制混凝土中水泥的掺量。
6结束语
导流洞封堵堵头作为关键的水工建筑物,事关工程安全运行及效益发挥,因此无论是设计还是施工,均应高度重视、认真对待。堵头承受的基本荷载有内水压力、渗透压力、自重、地震荷载以及周边的围岩压力的等。堵头长度是堵头设计的核心问题,与水利版规范相比电力版计算公式考虑围岩和混凝土之间相互作用较大,从而使得抗力较大,所求得封堵体的长度较小;采用经验公式计算,在高水头时结果一般偏于保守。
根据具体的工程特点,封堵堵头的型式可采用瓶塞形、截锥形、短钉形和拱形等;封堵混凝土应采用低热微膨胀水泥,严格控制水泥掺量。
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