某工程泄洪排沙洞施工支洞封堵設(shè)計(jì)

周煒波，張德浩，任小亮

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065;2. 陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司,陜西 西安 710061）

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上庫混凝土面板堆石壩、下庫混凝土面板堆石壩及攔沙壩、下庫右岸溢洪道、下庫1號(hào)泄洪排沙洞及2 號(hào)泄洪排沙洞、電站進(jìn)/出水口、輸水隧洞、地下廠房和地面開關(guān)站等建筑物組成。工程等別為一等大（1）型工程,下庫泄水建筑物為1號(hào)泄洪排沙洞、2號(hào)泄洪排沙洞。泄洪排沙洞施工支洞主要作為1 號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞施工交通運(yùn)輸通道,施工支洞全長143.22 m,橫穿1號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞,施工支洞凈斷面尺寸7 m×6 m（寬×高）,支洞進(jìn)洞口高程863.00 m,出口高程868.05 m,施工支洞進(jìn)口至與2 號(hào)泄洪排沙洞交叉口處縱坡8.57%,施工支洞至與2 號(hào)泄洪排沙洞交叉口縱坡11.52%。施工支洞與2 號(hào)泄洪排沙洞交點(diǎn)處支洞底板高程872.19 m,施工支洞與1 號(hào)泄洪排沙洞交點(diǎn)處的支洞底板高程868.05 m。

2 基本資料

2.1 地質(zhì)概況

泄洪排沙洞施工支洞圍巖為微風(fēng)化花崗閃長巖,巖體為次塊狀、塊狀結(jié)構(gòu),較完整,以Ⅲ類為主。施工支洞與1號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞交叉處圍巖分類及力學(xué)參數(shù)建議值見表1。本工程1 號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期100年超越概率2%,相應(yīng)的基巖水平地震動(dòng)峰值加速度為132.9 gal（Ⅶ度）；校核標(biāo)準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期100 年超越概率1%,相應(yīng)的基巖水平地震動(dòng)峰值加速度為160.6 gal（Ⅶ度）。

表1 施工支洞與1號(hào)、2號(hào)泄洪排沙洞交叉口圍巖力學(xué)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

（1）封堵體建筑物級(jí)別

泄洪排沙洞施工支洞施工期按臨時(shí)建筑物設(shè)計(jì),使用完畢后需要進(jìn)行永久封堵,封堵堵頭按永久建筑物設(shè)計(jì)。施工支洞封堵體與1 號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞級(jí)別相同,為1 級(jí)建筑物,其相應(yīng)安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)。

（2）封堵段斷面

泄洪排沙洞施工支洞斷面形式為城門洞型,施工支洞封堵段凈斷面尺寸為7 m×6 m（寬×高）。施工支洞封堵段與1號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞的相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 泄洪排沙洞施工支洞封堵軸測圖

3 封堵計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5195-2004）規(guī)定[1],施工支洞封堵體應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì),柱狀封堵體抗滑穩(wěn)定按抗剪斷工況計(jì)算。泄洪排沙洞施工支洞堵頭封堵長度計(jì)算考慮的設(shè)計(jì)狀況、荷載及其作用組合見表2。

表2 荷載及其作用組合表

3.2 荷載計(jì)算

（1）封堵體承受水頭

1 號(hào)泄洪排沙洞采用岸塔式有壓短洞進(jìn)口的無壓洞,泄洪排沙洞施工支洞與1 號(hào)泄洪排沙洞交叉口封堵體承受水頭取模型試驗(yàn)結(jié)果,堵頭承受水頭按照各工況水位至堵頭形心之間的距離計(jì)算確定。泄洪排沙洞施工支洞與2 號(hào)泄洪排沙洞交叉口封堵體直接與下水庫相連,承受下水庫相應(yīng)工況的下庫水位的水頭。泄洪排沙洞施工支洞與1 號(hào)、2 號(hào)泄洪排沙洞交叉口封堵體在各計(jì)算工況下承受的水頭見表3。

（2）封堵體滲透壓力

施工支洞封堵體滲透壓力按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：F為滲透壓力,kN；水為水的容重,取值10 kN/m3；H1為封堵體擋水端頭底板水頭,m；H2為封堵體擋水端頭頂部水頭,m；B為隧洞底寬,m；L為封堵體長度,m。

（3）地震作用計(jì)算

根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB 35047-2015）采用擬靜力法計(jì)算水平向的地震慣性力[3],沿高度作用于質(zhì)點(diǎn)的水平向地震慣性力代表值可按式（2）計(jì)算：

式中：Ei為作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值；ah為水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值,取1.329 m/s2；為地震作用的折減效應(yīng)系數(shù),一般取0.25；GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值,kN；g為重力加速度；ai為質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系數(shù)。

動(dòng)態(tài)分布系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：n為計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的總數(shù)；H為封堵體的高度,m；hi, hj為質(zhì)點(diǎn)i, j的高度,m；GEi為集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值,kN；GE為產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值,kN。

地震時(shí),建筑物前后的水也隨著震動(dòng),形成作用在建筑物表面的激蕩力。在水平地震作用下,建筑物沿直面上沿高度分布的地震動(dòng)水壓力的代表值為：

式中：Pw（h）為水深h處的地震動(dòng)水壓力代表值,Pa；（h）為水深h處的地震動(dòng)水壓力分布系數(shù),按照《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB 35047-2015）中表7.1.12取用；Pw為水體質(zhì)量密度標(biāo)準(zhǔn)值,kg/m3；H0為建筑物前水深,m。

3.3 計(jì)算方法

施工支洞封堵體采用可靠度理論進(jìn)行封堵體封堵長度計(jì)算,封堵體的承載能力極限狀態(tài)計(jì)算應(yīng)滿足下列公式要求[2]：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),1級(jí)建筑物對應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅰ級(jí),Ⅰ級(jí)建筑物對應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)為1.1；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù),持久狀況、短暫狀況、偶然狀況下設(shè)計(jì)狀況系數(shù)取為1.0、0.95、0.85；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)。取值1.5；S（·）為作用效應(yīng)函數(shù)；R（·）為結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析設(shè)計(jì)

根據(jù)上述封堵計(jì)算,可得施工支洞與1號(hào)泄洪排沙洞、2號(hào)泄洪排沙洞交叉口封堵體在不同設(shè)計(jì)工況下所需的封堵長度,其結(jié)果匯總見表4。可以看出,采用可靠度理論計(jì)算各工況的封堵長度,控制工況為基本組合持久工況,計(jì)算所得的施工支洞與1號(hào)、2號(hào)泄洪排沙洞交叉口封堵體長度分別為0.91 m、13.41 m。

表4 施工支洞封堵長度計(jì)算結(jié)果匯總表

根據(jù)封堵計(jì)算結(jié)果,考慮滿足施工要求并類比國內(nèi)同類工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn),在封堵長度理論計(jì)算的基礎(chǔ)上,一般均適當(dāng)加長封堵體長度。出于安全考慮,本次將施工支洞位于1號(hào)與2號(hào)泄洪排沙洞之間連通段全部進(jìn)行封堵。施工支洞與2號(hào)泄洪排沙洞交叉口封堵體最終的封堵設(shè)計(jì)長度取為20 m。

施工支洞在封堵施工前應(yīng)對封堵段混凝土路面、洞壁松動(dòng)巖體及雜物、已噴混凝土剝落破壞、脫空的部分進(jìn)行鑿除,在封堵段設(shè)置Φ22 錨桿,錨桿長度3 m,入巖2 m,間排距2 m×2 m,梅花形布置,以確保封堵混凝土與洞周圍巖錨固良好且有足夠的抗滑力。封堵段應(yīng)做好回填、固結(jié)灌漿施工,以保證封堵體安全、可靠。永久封堵體頂拱需進(jìn)行回填灌漿,回填灌漿孔應(yīng)深入圍巖10 cm,間排距3 m×3 m,灌漿壓力控制在0.2 MPa～0.3 MPa,在此壓力下,灌漿孔停止吸漿時(shí),延續(xù)灌注10 min即可結(jié)束灌漿。固結(jié)灌漿應(yīng)在永久封堵體頂拱回填灌漿結(jié)束7 天后進(jìn)行,固結(jié)灌漿孔在混凝土段采用預(yù)埋PVC管,巖石段采用巖石鉆孔。固結(jié)灌漿壓力標(biāo)準(zhǔn)為0.8 MPa～1.0 MPa,在規(guī)定壓力下,灌漿段的注入率小于1.0 L/min時(shí),再繼續(xù)灌30 min即可結(jié)束固結(jié)灌漿。

4 結(jié)語

泄洪排沙洞是本工程下水庫的重要泄水建筑物,施工支洞封堵體的抗滑穩(wěn)定性直接影響工程的正常運(yùn)行。封堵體與基巖間的剪摩系數(shù)是封堵體穩(wěn)定安全的關(guān)鍵,施工時(shí)應(yīng)對洞周進(jìn)行鑿毛處理,確保封堵體與巖石間的摩擦力和抗剪斷力,同時(shí)要做好封堵體的頂拱回填灌漿及封堵體周邊的固結(jié)灌漿施工,以確保封堵體安全、穩(wěn)定。