泉州市八峰水庫(kù)砌石拱壩壩體預(yù)留交通洞口施工方案分析

吳益平

(福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

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泉州市八峰水庫(kù)砌石拱壩壩體預(yù)留交通洞口施工方案分析

吳益平

(福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

摘要：文章介紹泉州市八峰水庫(kù)砌石拱壩右岸現(xiàn)有公路預(yù)留交通洞，旨在解決庫(kù)區(qū)村民交通出行的難題。對(duì)位于壩體0.37H處預(yù)留交通洞進(jìn)行壩體應(yīng)力有限元分析計(jì)算及施工方案比較，確定預(yù)留交通洞對(duì)壩體施工期、運(yùn)行期均無影響，有效推進(jìn)大壩施工建設(shè)。

關(guān)鍵詞：砌石拱壩；交通洞；應(yīng)力計(jì)算；洞口施工

1項(xiàng)目概述

八峰水庫(kù)主要樞紐建筑物攔河壩為雙曲砌石拱壩，按50 a一遇洪水設(shè)計(jì)，500 a一遇洪水校核，設(shè)計(jì)壩基高程139.0 m，設(shè)計(jì)壩頂高程206.5 m，最大壩高67.5 m，壩頂寬3.5 m，拱冠梁底寬16.0 m。

大壩右岸有一條現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路，是庫(kù)區(qū)內(nèi)洪四村村民對(duì)外交通的唯一通道，總長(zhǎng)約4 km，路面為4.5 m寬的水泥混凝土路面，過壩路段路面高程164.0 m，穿越大壩右岸樁號(hào)K0+142.8～161.8。大壩施工已進(jìn)入主體砌筑施工，按照進(jìn)度計(jì)劃大壩將砌至165 m高程，右岸公路將中斷通行，為了保證壩體砌筑施工的整體性及連續(xù)性，又能解決庫(kù)區(qū)內(nèi)村民的交通需求，擬定在壩體中預(yù)留交通洞，解決交通出行問題。

2解決方案分析與確定

2.1壩體預(yù)留施工洞應(yīng)力計(jì)算驗(yàn)證

首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并施加荷載及邊界約束，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，最后整理計(jì)算成果。

拱壩采用三心圓布置，大壩體形參數(shù)如表1所示。首先對(duì)壩體進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖1)，在厚度方向上等分成4單元,共劃分成428個(gè)塊體單元，700個(gè)節(jié)點(diǎn)；然后對(duì)壩基進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壩基的取值范圍為各方向均取100米，因此整個(gè)模型劃分成4880個(gè)空間8節(jié)點(diǎn)塊體單元，共有6120個(gè)節(jié)點(diǎn)；最后對(duì)模型施加約束和荷載(自重及溫度荷載)，即在基礎(chǔ)邊界施加鉸約束，在壩體的各節(jié)點(diǎn)上施加溫度荷載(溫差按國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)修正公式：T m=±47/(T+3.39)計(jì)算)。

圖1　大壩及基礎(chǔ)網(wǎng)格剖分圖

表1　拱壩基本尺寸

2.1.1計(jì)算工況

本次計(jì)算了2種工況：①空庫(kù)+自重+溫降；②空庫(kù)+自重+溫升。

2.1.2計(jì)算參數(shù)

壩體混凝土彈模E=10GPa，容重γ=2.3t/m3，泊桑比μ=0.22,線性熱膨脹系數(shù)α=0.8×10-5/℃，基礎(chǔ)彈模E=13 GPa。

2.1.3應(yīng)力控制指標(biāo)

拱壩應(yīng)力控制指標(biāo)按照《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL282—2003)》采用，有限元法經(jīng)等效處理后的混凝土允許的拉應(yīng)力，基本組合為1.5 MPa，特殊組合為2.0 MPa。

圖2　有限元計(jì)算結(jié)果

2.1.4計(jì)算成果分析

從圖2可看出，有無交通洞對(duì)整個(gè)壩體的應(yīng)力分布影響很小，只是在交通洞附近區(qū)域有比較大的影響。

經(jīng)過應(yīng)力計(jì)算及分析論證，確定在壩體中預(yù)留交通洞口是可行的。

2.2預(yù)留交通洞方案

經(jīng)過實(shí)地勘察,考慮工程實(shí)際,提出以下2種預(yù)留交通洞方案：

表6　預(yù)留交通洞方案對(duì)比

2種方案施工簡(jiǎn)圖

1)方案一：施工示意圖見圖3，右岸公路處壩基開挖后架設(shè)鋼便橋做臨時(shí)路，路面以上壩體預(yù)留交通洞。

2)方案二：施工示意圖見圖4，右岸公路處壩基開挖后臨時(shí)填石渣做臨時(shí)路，壩基分二次開挖后，在現(xiàn)有路面以上壩體預(yù)留交通洞。

圖3　方案一示意圖

圖4　方案二示意圖

2.3大壩右岸過壩預(yù)留交通洞口方法措施敘述

1)方法一：壩基基坑架設(shè)便橋，在便橋旁邊預(yù)留交通洞。首先對(duì)樁號(hào)K0+161.9～170.1段壩基進(jìn)行開挖，架設(shè)一座鋼便橋(寬4.5 m×20 m)，形成過壩通道后，再開挖公路外側(cè)壩基，在現(xiàn)有公路位置處，預(yù)留過壩交通洞口。在壩體及交通洞口澆筑成型后，臨時(shí)路改道往交通洞口通車，拆除鋼便橋后，把壩體從基礎(chǔ)往上砌至交通洞頂平，則左右岸壩體同步砌筑上升，進(jìn)出洞口及兩側(cè)道路做好安全防護(hù)措施，確保路面以上壩體施工安全。直至左岸改建公路建成通車后，再把預(yù)留交通洞封堵并進(jìn)行接觸灌漿處理，使其與原壩體形成一體。

2)方法二：壩基臨時(shí)填筑石渣形成通道，旁邊預(yù)留交通洞。首先對(duì)樁號(hào)0+161.9～170.1段路內(nèi)側(cè)的壩基進(jìn)行開挖，再回填石渣，首次改道。再把路外側(cè)0+142.8～162.9段壩基開挖完成，把壩體砌筑上升至163.85 m(與現(xiàn)有路面平)，留置好壩體預(yù)留洞，再路外側(cè)已砌好的壩體上澆筑路面混凝土，把交通路從內(nèi)向外再次改道。清理出路內(nèi)側(cè)0+161.9～170.1填筑的石渣，把路內(nèi)側(cè)基坑壩體砌筑至現(xiàn)有路面平，使壩體預(yù)留洞口兩側(cè)壩體(163.85～170 m)可同時(shí)砌筑上升，按照設(shè)計(jì)圖紙澆筑鋼筋混凝土交通洞，形成過壩交通洞，做好進(jìn)出洞口的連接段路基路面，及路兩側(cè)管棚防護(hù)工程，即把右岸交通道路改至預(yù)留的交通洞口通行，則左右岸壩體可以同步砌筑上升，進(jìn)出洞口及兩側(cè)道路做好安全防護(hù)措施，以確保路面以上壩體施工安全。直至左岸改建公路建成通車后，再把預(yù)留交通洞封堵并進(jìn)行接觸灌漿處理，使其與原壩體形成一體。

經(jīng)兩種措施方案比較，綜合考慮多方面因素，最終采取第二種方案，即采用右岸公路壩基分期開挖，在路內(nèi)側(cè)基坑內(nèi)填筑石渣做臨時(shí)過壩路，路面以上壩體采用預(yù)留交通洞口的方案。

3壩基臨時(shí)填筑石渣形成通道+預(yù)留交通洞實(shí)施措施

3.1壩體預(yù)留洞交通分流施工總體方案

壩體預(yù)留交通洞施工總體部署，采用先開挖路內(nèi)側(cè)壩基，再回填石渣，首次改道，再把路外側(cè)壩基開挖完成，壩體砌筑上升至163.85 m(與現(xiàn)有路面平)，把壩體預(yù)留洞的位置事先留置好，再路外側(cè)與砌好的壩體上澆筑路面混凝土，把交通路從內(nèi)向外再次改道，清理出路內(nèi)側(cè)填筑石渣，把路內(nèi)側(cè)基坑壩體砌筑至現(xiàn)有路面平，使壩體預(yù)留洞口處兩側(cè)壩體(163.85～170 m)可同時(shí)砌筑上升，按照設(shè)計(jì)圖紙澆筑預(yù)留洞口鋼筋混凝土，然后做好進(jìn)出洞口的連接段路基路面，及路兩側(cè)管棚防護(hù)工程，即可把右岸交通道路改至預(yù)留的交通洞口通行，直至左岸改建公路建成放行通車后，再把預(yù)留交通洞封堵并進(jìn)行接觸灌漿處理，使其與原壩體形成一體[1]。

3.2方案實(shí)施

1)道路內(nèi)側(cè)改線段高邊坡噴錨加固、危石處理。靠近現(xiàn)有道路內(nèi)側(cè)壩坡均為高邊坡，便道向內(nèi)改線后，因處于汛期雨季施工季節(jié)，邊坡容易失穩(wěn)坍方，應(yīng)采用噴錨支護(hù)后才能保證通車安全。壩址上游路段邊坡為土坡，采用噴10cm厚C20素混凝土防護(hù)，；壩址下游路段邊坡為壩基開挖石方邊坡，邊坡上松石險(xiǎn)石應(yīng)先排除干凈，對(duì)節(jié)理面發(fā)育的巖層打設(shè)Φ22錨桿，長(zhǎng)4 m，間距2 m，再掛Φ6@10的鋼筋網(wǎng)，噴10cm厚C20素混凝土進(jìn)行防護(hù)。

2)首次開挖靠路內(nèi)側(cè)壩基石方。因右岸現(xiàn)有公路的影響，右岸樁號(hào)0+142.8～0+170.1段， 27.3 m長(zhǎng)的壩基無法開挖，本段壩基分二次開挖，首先開挖右岸公路內(nèi)側(cè)樁號(hào)K0+170.1～161.9段壩基，長(zhǎng)8.2 m，采用淺孔小藥量控制爆破方法開挖，并做好爆破安全警戒工作，開挖過程應(yīng)注意保護(hù)已施工完壩體及現(xiàn)有公路交通安全。

3)第一次便道改線。路內(nèi)側(cè)壩基開挖后，在靠路外側(cè)用m7.5砌筑一塊石擋土墻用于擋渣，自卸汽車運(yùn)載石渣回填至現(xiàn)有路面平，最后澆筑一層15cm厚素混凝土硬化路面，并在路內(nèi)外側(cè)分界線砌筑一條(0.5*0.5 m)防撞擋墻隔離。路面形成后即可向內(nèi)改道通車。

4)開挖現(xiàn)有公路處壩基土石方。在道路向內(nèi)改道后，即可著手現(xiàn)有公路外側(cè)的壩基開挖，開挖右岸公路外側(cè)K0+142.8～161.9段壩基，長(zhǎng)19.1 m，采用淺孔小藥量控制爆破方法開挖，并做好爆破安全警戒工作，開挖過程應(yīng)注意保護(hù)已施工完壩體及現(xiàn)有公路交通安全。在靠近已砌筑壩體間，打設(shè)一排防震孔，確保不影響壩體質(zhì)量。在靠近首次改道處砌筑隔離擋土墻的壩基石方，采用挖掘機(jī)改裝的沖擊錘鑿除基底塊石進(jìn)行非爆破開挖，確保該處擋墻穩(wěn)定，保證首次改道路基安全。

5)第二次改道，現(xiàn)有公路處壩體砌筑至163.85 m，澆筑15cm厚素混凝土路面。在路外側(cè)壩體開挖完成后，進(jìn)行壩基灌漿處理，逐層砌筑壩體至163.85 m。再靠公路外側(cè)壩體處先后澆筑一段與上下游公路連接段混凝土，把過壩段公路再次臨時(shí)改向靠河外側(cè)。

6)路內(nèi)側(cè)壩段挖除回填石渣,壩體砌筑至164 m。

道路再次改向靠路外側(cè)后，就把原路內(nèi)側(cè)壩基工作面清理出來，把填筑做路的石渣清理干凈，驗(yàn)槽灌漿處理后，即可進(jìn)行壩體砌筑，逐層砌筑至現(xiàn)有路面(164 m)平。

7)壩體163.85～170 m砌筑,澆筑預(yù)留洞口鋼筋混凝土。

按照預(yù)定的預(yù)留洞口位置(中心樁號(hào)0+158.5)處，事先把兩側(cè)壩體約2～3 m長(zhǎng)，砌筑至170 m高程，即處于洞口頂拱位置，再安裝預(yù)留洞的內(nèi)模，澆筑洞壁、頂拱鋼筋混凝土，拆模后預(yù)留交通洞成型。壩體交通洞口尺寸擬為：4.5×5.75 m，預(yù)留洞中心樁號(hào)0+158.5，高程164 m。

8)砌筑進(jìn)出洞口段擋墻、回填石渣、路面混凝土。因壩體砌筑后與開挖基坑邊坡之間有間隙，需要采用內(nèi)外側(cè)砌筑 m7.5塊石擋墻連接，中間填筑石渣至路面平，面層澆筑一層C20素混凝土硬化。

9)進(jìn)出洞口段管棚及交通安全警示防護(hù)設(shè)施。

壩體預(yù)留洞口形成后，即在進(jìn)出洞口兩側(cè)，各架設(shè)15～20 m長(zhǎng)、寬6 m的鋼架管棚，上部鋪設(shè)工字鋼及12 mm厚鋼板遮擋進(jìn)行防護(hù)，防止壩上吊裝作業(yè)時(shí)高空落物，影響道路交通安全。進(jìn)出大壩作業(yè)區(qū)時(shí)，考慮夜間施工及道路安全行車需要，應(yīng)在管棚及預(yù)留洞口內(nèi)及進(jìn)出洞口，設(shè)立反光標(biāo)志，夜間警示燈照明裝置等，確保施工及交通安全。

10)第3次道路改道，恢復(fù)通車，進(jìn)入壩體正常施工。預(yù)留洞口及前后道路硬化及安全防護(hù)措施到位后，即可進(jìn)行道路第3次改線，從原有的路線行車。在右岸壩段砌筑施工時(shí)，應(yīng)特別注意壩體吊裝作業(yè)與道路交通干擾的交叉作業(yè)，采用在交通繁忙的時(shí)段停止或減少吊裝作業(yè)，吊裝作業(yè)點(diǎn)放在靠近道路外的地段，避免吊裝作業(yè)與交通車輛的交叉，避免交通事故。

11)左岸改建公路建成通車。規(guī)劃的左岸改線公路建成后，具備通車條件后，即可中斷現(xiàn)有右岸公路交通，大壩即可著手封堵預(yù)留洞口施工。大壩封堵預(yù)留洞口，采用與壩體同標(biāo)號(hào)的混凝土砌筑回填，接觸面采用回填灌漿處理，使該處壩體形成整體，具備擋水條件。

4結(jié)語

為了有效解決水庫(kù)右岸交通現(xiàn)狀問題，徹底解決因交通公路改線建設(shè)可能導(dǎo)致水庫(kù)大壩建設(shè)嚴(yán)重滯后中斷的問題，本工程通過科學(xué)分析論證在砌石拱壩壩體中預(yù)留一個(gè)≤4.5×5.75 m洞口作為交通洞方案的可行性，并經(jīng)過一年多的安全運(yùn)行觀測(cè)，對(duì)大壩的整體結(jié)構(gòu)無產(chǎn)生影響，為以后類似工程可提供學(xué)習(xí)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖艷,張光科,劉超.石城子水庫(kù)砌石拱壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[J].東北水利水電，2007(08)：111-112.

文章編號(hào)：1007-7596(2016)02-0048-04

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡(jiǎn)介]吳益平(1960-)，男，福建泉州人，工程師，從事水利施工管理工作。

中圖分類號(hào)：TV641.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B