喀麥隆曼維萊水電站薄壁無筋輸水明渠襯砌施工方案優化

王亮亮 張培甫

1 輸水明渠襯砌結構設計

喀麥隆曼維萊水電站輸水明渠渠道襯砌總長為2 760 m（0+050—2+810），起始端的渠底設計高程為386.0 m，渠頂設計高程為395.0 m，渠道底寬為15.0 m，深度為9.0 m，過水斷面邊坡坡比為V∶H=1∶2，渠道縱比降為1/4 000，全線采用統一的梯形斷面進行襯砌。襯砌僅用于降低渠道糙率，減少發電水頭損失，無防滲和結構上限裂等要求。過水斷面襯砌采用現澆混凝土襯砌，厚度為15 cm，底部鋪設20 cm厚粒徑0～5 mm的砂墊層，砂墊層與襯砌面板之間鋪設1層土工布。

渠道邊坡和底板設置系統排水孔，以便于渠道水位驟降時迅速降低混凝土面板下的水壓力，避免混凝土面板因上、下水壓力差而破壞。排水孔直徑為100 mm、間排距為2.0 m，孔內安裝UPVC管，底部管口插入砂墊層10 cm，并采用2層反濾土工布包裹，安裝完成后UPVC管內回填砂石。

渠道混凝土襯砌縱向每4 m設置1道永久縫，縫寬20 mm，縫內填充閉孔泡沫板。邊坡設置3條水平向的誘導縫（間隔5.03 m），誘導縫采用切縫機切縫，縫深7.5 cm。底板（含兩側鎮腳）設置5條順水流方向永久縫，縫寬20 mm，縫內填充閉孔泡沫板。

曼維萊水電站輸水明渠設計參數見表1。

表1 曼維萊水電站輸水明渠設計參數

2 施工過程優化

渠道襯砌結構主要包括砂墊層、下鎮腳、上鎮腳、土工布、襯砌面板及排水管等結構。在國內，大型渠道襯砌常采用渠道襯砌機進行施工，但限于喀麥隆當地經濟、技術條件，在曼維萊水電站輸水明渠襯砌施工過程中，并未采用國內常用的大型全自動渠道襯砌機，而是采用分倉支模、跳倉澆筑、人工攤鋪及振搗的方法進行渠道襯砌施工。在施工過程中發現，無論是從結構上還是從現場實際條件考慮，設計圖紙均不能很好的被執行，因此，為加快施工進度、提高生產效率、節約成本投入，根據現場實際情況，對施工方案進行了多項優化。

2.1 鎮腳施工優化

鎮腳主要為邊坡穩定而設置，在采用襯砌機進行襯砌施工時，也可作為襯砌機軌道固定的基礎。根據設計圖紙，鎮腳分為上鎮腳和下鎮腳，分別位于邊坡坡頂和坡腳，渠頂和渠底各2個，共4個。原設計中，鎮腳和邊坡混凝土板為一體結構，但因其厚度不一、施工方法不同，不便于同時施工，且因其在厚度變化處存在角度突變，易因溫度變化和應力集中而產生裂縫。基于以上因素，考慮將邊坡混凝土面板與鎮腳分離，在轉角處設置伸縮縫，先施工坡底鎮腳，再鋪設砂墊層和土工布，隨后進行混凝土面板澆筑，最后進行坡頂鎮腳施工，使其施工順序變為平行工序，不相互干擾，加快了施工進度。其具體優化措施如圖1、2所示。

2.2 砂墊層施工優化

在國內渠道襯砌施工中，渠道襯砌墊層料一般選擇細度模數較大的河砂或人工砂，同時國內材料供應充足、價格便宜、選擇空間大，但在喀麥隆，材料供應不足且種類缺乏。因此，選擇一種經濟、適用的墊層料可以為工程節約大量投資。

渠道襯砌墊層料一般要求具有以下3個特點：（1）透水性強，加速地基面的排水固結，減少地基沉降；（2）增強基礎面整體性，提高承載力；（3）作為反濾料，可防止因土壤流失而引起的基礎面破壞。曼維萊水電站輸水明渠襯砌墊層料原設計采用0～5 mm天然砂或人工砂，但因當地天然砂供應不足，而人工砂價格昂貴，所以急需一種價格便宜且滿足供應需求的墊層料。為此，根據墊層料的一般要求，曼維萊水電站大膽嘗試采用級配碎石料（粒徑0～20 mm）代替砂墊層，以驗證其可行性。曼維萊水電站砂石系統生產的級配碎石的篩分曲線如圖3所示，其篩分通過率與人工砂篩分通過率對比見表2。

圖1 渠道襯砌上鎮腳優化示意圖

圖2 渠道襯砌下鎮腳優化示意圖

圖3 碎石顆粒級配曲線

表2 人工砂和級配碎石篩分通過率對比%

根據表2中的數據對比可知，級配碎石粒徑較人工砂大，且粒徑小于0.08 mm的石粉含量基本為零，因此，其透水性必然大于人工砂，可以加速地基面排水固結，提高地基承載力。因其細顆粒含量較少，所以不具有作為反濾料防止土壤流失的作用。為此，考慮將土工布與級配碎石料相結合，在級配碎石與土基面之間增設一層土工布，以彌補級配碎石不能作為反濾料的缺陷。經過現場級配碎石碾壓工藝性試驗，證明其攤鋪及壓實效果均很好，說服了監理工程師同意使用0～20 mm的級配碎石配合土工布來替代0～5 mm的人工砂。人工砂是由級配碎石經篩分、沖洗等程序生產的，每增加1道工序都是金錢的投入，因而人工砂成本是遠遠大于級配碎石的，且級配碎石粒徑較人工砂大，在加速地基排水固結方面比人工砂效果更好。用級配碎石替代人工砂，既節省了投資又改善了墊層的性能。

對于土工布，原設計在砂墊層與混凝土面板之間鋪設1層土工布，以防止混凝土澆筑過程中水泥漿滲入墊層內，造成不必要的浪費。通過現場試驗，不管是砂墊層還是碎石墊層，水泥漿滲入墊層內的量有限，不影響混凝土的澆筑質量，可以取消墊層與混凝土面板之間的土工布，且取得了監理工程師的同意。在砂墊層更改為碎石墊層后，因碎石墊層不具有反慮功能，在碎石墊層與土基之間鋪設1層土工布，以防止土顆粒流失，達到反慮效果。

2.3 誘導縫施工優化

原渠道襯砌設計斷面在左右邊坡上各存在3條水平向的平行誘導縫，其主要作用是引導混凝土襯砌面板從誘導縫處斷裂，以釋放襯砌面板因不均勻沉降、溫度應力等產生的內部應力，并保證混凝土面板美觀，不出現不規則裂縫。在施工過程中，考慮塊與塊鑲嵌更有利于穩定，將原水平向通縫改為塊與塊之間錯位的花縫，在面板從誘導縫處斷裂后，形成塊與塊鑲嵌的穩定結構，以確保邊坡襯砌面板穩定、安全。邊坡誘導縫布置優化如圖4所示。

圖4 邊坡誘導縫布置優化（俯視圖）

在原設計圖紙中，襯砌底板結構不存在誘導縫，而是被永久縫分割成4.0 m×3.5 m的混凝土塊，不便于機械化施工。為加快施工進度，對底板分縫結構進行調整，采用底板左、右半幅平行施工的方式，在底板中心設置永久縫，半幅單塊長度根據施工能力控制在20～60 m，單塊長度內的所有永久縫采用誘導縫進行替代。同時，為確保誘導縫達到應有的效果，防止不規則裂縫產生，加深底板誘導縫深度，由原設計的7.5 cm調整為10 cm（襯砌面板厚15 cm），加寬誘導縫寬度，由常規的5 mm調整為10 mm。分縫結構調整后，左右半幅施工變為平行工序，相互不干擾，加快了施工進度，部分橫向分縫由永久縫調整為誘導縫，減少了對底板襯砌施工的干擾，使之變為先、后施工工序，同樣加快了施工進度。

經過初期降雨、地下滲水及輸水明渠充水試驗考驗后，在放空檢查時發現，渠道襯砌邊坡和誘導縫加深部位的底板區域均未出現不規則裂縫，僅在設置常規誘導縫區域的底板部位出現了少量不規則裂縫。底板基礎因高程較低，長期受地下水、雨水侵蝕，不均勻沉降較大，因此，較容易出現不規則裂縫，應嚴格按設計要求控制底板分塊大小，并在施工中嚴格控制誘導縫深度、寬度。

2.4 排水孔施工優化

渠道襯砌邊坡和底板設置系統排水孔，排水孔起連通混凝土面板上下面的作用，以便于渠道水位驟降時迅速降低混凝土面板下的水壓力，避免混凝土面板因上、下水壓力差而破壞。原設計邊坡排水管為矩形布置，水平設置，間排距為2.0 m×2.0 m。考慮水平設置不便于邊坡排水孔鉆設，又不利于在土工布失效的情況下保護砂墊層，且邊坡滲水量較小，在排水管出口中心高程相同的情況下，其排水效果差別微乎其微。因此，在實際施工中，將排水孔調整為垂直于混凝土面板進行設置，且孔內回填碎石，既降低了排水管鉆設難度，又有利于防止土工布失效時砂墊層的流失。同時，排水孔由水平設置調整為垂直于混凝土面板設置后，單個排水孔所需PVC管長度由57 cm變為25 cm，節約原設計PVC排水管用量的56%，混凝土板鉆孔長度相應減少。排水管設置調整如圖5所示。

圖5 排水管設置優化

原排水孔為矩形布置，相鄰兩排排水孔的豎直高差為2.0 m，不利于混凝土板下水體順利排出，通過將排水孔調整為梅花形布置，使相鄰兩排排水孔的豎直高差減少至1.0 m，可有效加快水位下降時分段混凝土板下水壓力消散速度，減小混凝土板破壞的可能性。

3 經驗及教訓

在渠道充水前驗收時，發現部分排水管因土工布被細顆粒堵塞而喪失排水作用，給驗收造成了較大的困難。監理工程師表示，法國規范不建議對此種排水管設置土工布，因土工布易被細顆粒堵塞，而造成排水管失效。建議以多層濾網替代土工布，在保護墊層結構的同時，將水流順利排出。

4 結語

在本工程施工過程中，結合現場條件，并考慮質量、效益等因素，大膽地對設計結構進行優化，以加快施工進度、提高生產效率、節約成本投入。曼維萊水電站輸水明渠襯砌施工過程中，結合當地經濟、技術條件，對襯砌結構、砂墊層、誘導縫、排水孔等項目進行了具體優化，取得了良好的經濟效益。