小浪底水利枢纽建设中的重要技术创新(1)程力(2)
2014-01-15 01:20
导读：四、复杂地质条件下密集洞室群的设计与施工 小浪底水利枢纽按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，要求在正常运用水位下的总泄流能力不小于1700
四、复杂地质条件下密集洞室群的设计与施工
小浪底水利枢纽按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，要求在正常运用水位下的总泄流能力不小于17000m3/s，在正常蓄水位230m时，总泄流能力不小于8000m3/s。由于小浪底水利枢纽采用土石坝挡水，故只有采用以隧洞为主的泄流方式。同时，装机6′300MW的电站采用典型的岸边引水式三洞室布置地下厂房方案。又考虑到地质地形条件限制和水库调水调沙及进口防淤堵的要求，最终形成了小浪底枢纽进水口集中，出水口集中，泄洪、排沙、引水发电等洞室群集中布置的独特枢纽布置型式。加之交通洞、排水洞、灌浆洞、施工洞、吊物井、通风井、电缆井等，在大约一平方公里的左岸单薄山体内，就形成了在不同高程布置、平面上纵横交错的大小一百多条隧洞、斜井、竖井等组成的密集洞室群，实属水电工程中所罕见。部分洞室间距达不到规范的要求，如发电引水洞和泄水洞群在立面上斜交，交叉段围岩最小厚度仅8m，致使施工十分困难，施工安全问题突出。主厂房最大开挖尺寸为长251.5m，宽26.2m，高61.44m，三条导流洞洞身直径14.5m，最大开挖直径近20m；三条尾水洞最大开挖断面12.8′19.5m（宽′高）；还有主变室、明流洞等，均属大型洞室。加之岩层破碎，节理裂隙发育，四组结构面切割，层面又近于水平（倾角一般8~120），更增大了开挖难度。开挖施工中锚杆、挂网喷砼支护工作量巨大，超挖难以控制。据统计初期施工的导流洞平均超挖61cm，砼超填量达35%。以后施工的洞室超挖控制较好。另外，开挖爆破还要考虑对相邻洞室施工安全的影响，需合理安排施工程序。
地下厂房是小浪底最大的地下洞室，上覆岩体厚70~110m，其中有四层泥化夹层，对顶拱稳定十分不利。但其边墙、顶拱全部采用柔性支护，特别是顶拱采用325根25m长的1500KN级预应力锚索配合锚杆、挂网喷砼作为永久衬砌，技术先进，大大节约了工期和投资。监测资料表明，运行安全可靠。
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为确保洞群围岩稳定、施工质量和合同工期，采用了如下方法：多臂钻钻孔，光面爆破，适时锚喷支护（局部地段锚喷加网或钢拱架支护）；加强地质予报、地质素描和围岩监测并及时调整支护参数；采用系列台车进行钢筋绑扎、砼衬砌和灌浆作业；P3软件制订网络进度计划等。
据统计，小浪底地下工程石方洞挖高峰期平均强度达10万m3/月，1996年9月达12.65万m3/月，1996年全年洞挖石方100.6万m3。泄洪排沙系统砼工程在绝大部分为结构砼的条件下，从1996年11月至1997年8月，连续10个月实现浇筑砼超过10万m3，其中，1997年4月浇筑砼达13.08万m3。
五、由导流洞改建的多级孔板消能泄洪洞
为满足泄洪排沙的运用要求，小浪底工程9条泄洪隧洞分三层布置：高位布置的3条明流泄洪洞、位于发电引水口下面的3条排沙洞和由导流洞改建成的前压后明带中闸室的3条孔板消能泄洪洞。若按常规方法把导流洞改建为泄洪洞，水头达140m，洞内流速将达48m/s，且洞内水压力很高，为防止压力水渗入含有泥化夹层的单薄岩体，衬砌设计十分困难。因此，改建导流洞必须采用特殊的措施。
经反复研究和论证，小浪底工程设计采用了孔板消能泄洪洞的改建方案。每洞在洞身上游压力段设置三道孔板环，孔板环内径分别为10m和10.5m，孔板处过水面积为78.5~86.5m2，为标准断面积的47.6%~52.4%。在洞中设置孔板环后，利用水流通过孔板环的孔口时产生突然收缩和突然扩散，形成强烈紊动的剪切流实现洞内消能。由于水流通过体形突变的孔板环发生水流分离，孔板下游压力突然降低，致使该部位成为易空化区。为解决这一关键技术问题，通过大量模型试验和在其他工程的模拟原形试验，一方面三级孔板环采用不同的孔径比和锐缘半径，另一方面在孔板下游隧洞中设置中闸室，布置两扇偏心铰弧形工作闸门，以缩小过流面积，闸门全开时两孔口总面积为52m2（1#洞）和46m2（2#、3#洞），从而减小了孔板段流速，保证各级孔板下游侧不发生空化。由于采用了洞内孔板消能技术，使中闸室下游明流段流速控制在30m/s，最大达35m/s左右，从而保证了利用导流洞改建泄洪洞方案的实现。
（科教论文网 Lw.nsEAc.com编辑整理） 这种孔板环洞内消能方式，在国内属首次使用，缺乏经验。因此，自1985年以来，设计院会同国内外一些科研机构和大学就孔板泄洪洞在水力学、结构力学等领域的重大技术课题进行了反复试验和研究，提出了30余项重要成果。为了进一步验证理论计算和模型试验成果，1987年，在碧口水电站排沙洞内增建孔板进行原型中间试验，进一步证明孔板泄洪洞在技术上是安全可行的。
导流洞改建孔板消能泄洪洞包括封堵导流洞前端，龙抬头部分开挖和衬砌，设置孔板环，缩小中闸室过流断面并且安装两扇偏心铰弧形钢闸门等，改建工作量大，工序多，结构复杂，技术要求高，工期紧。
导流洞改建孔板消能泄洪洞的难度还集中体现在孔板环施工上：每条洞的三级孔板环分别安装三百余块抗磨白口铸铁孔板衬套，孔板的钢筋安装、孔板衬套的预组装及调整、固定孔板衬套的预埋件焊接定位、混凝土浇捣和环氧灌浆等工序都有是高难度作业。
经过精心组织和严格管理，采用先进施工方法和工艺，3条孔板洞改建工作都在合同规定的一个枯水期（8个月）内保质保量的完成。1#孔板洞并于2000年4月顺利进行了过流原型观测试验，三条孔板洞2000年汛期可以投入正常运用，参与度汛泄洪。
小浪底工程在国内首次将导流洞改建为龙抬头多级孔板消能泄洪洞，孔板尺寸是世界上最大的。孔板消能泄洪洞的总体设计、改建施工和原形观测试验都达到世界先进水平，为以高土石坝作为挡水建筑物的水利枢纽解决泄洪问题开辟了新的途径。
六、排沙洞无粘结予应力砼衬砌
小浪底三条排沙洞为有压隧洞，设计水头120m，洞径6.5m，位于发电引水进水口下方。进口设检修门和事故门，出口设弧形工作门。在运用中控制单洞泄量不超过500m3/s，使洞内平均流速不超过15m/s，担负着泄洪、排沙、减少过机含沙量、调节径流和保持进水口泥沙淤积漏斗的重要任务，在枢纽泄洪设施中运用机率最高。
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三条排沙洞的下游压力段即防渗帷幕后至出口闸室前的共2169m衬砌，由于内水压力高，为防止出现裂缝使高压水渗入岩体而影响山体的稳定，选用全预应力混凝土衬砌。招标设计采用有粘结预应力混凝土衬砌结构，在建设过程中，建管局会同设计、施工、监理等参建各方经过优化论证，并由承包商进行了1:1的模型对比试验，最终确定采用无粘结钢绞线双圈环绕预应力混凝土衬砌方案。该方案采用每束8根F15.7mm钢绞线（每根钢绞线由7F5高强钢丝组成，外包高强PE套管，内充防腐润滑酯），双圈环绕张拉给砼衬砌施加予应力。无粘结方案相对于有粘结方案来说有如下特点：在锚索张拉和隧洞正常运行时无粘结钢绞线受力较均匀，磨擦损失小，在混凝土衬砌中建立的有效应力比有粘结方案平均大29%；锚具槽在隧洞底拱中垂线两侧各450位置交错布置，相邻两束钢绞线间距为50cm，锚具槽数量减少一半，不仅材料省、易于进行张拉施工、混凝土回填质量易于保证，而且薄弱部位少，结构的整体性能好；施工工序相对简单，工作量小，张拉效率高；无粘结钢绞线本身具有防腐性能，在运输、施工中不易损坏，在正常运行中，其防腐性能也优于有粘结方案。
在系统的工艺试验的基础上，确定了排沙洞无粘结予应力砼衬砌的施工程序。从施工准备到最终检查验收，共包含22道工序，每道工序都严格按规范操作，保证施工质量。
小浪底3条排沙洞于1998年4月开工，1999年3月竣工。已经受了初期蓄水运行的考验，安全监测资料分析表明，运行正常，安全可靠。
小浪底排沙洞无粘结予应力砼衬砌的规模在世界上是最大的，这一技术在我国水利水电行业中是首次应用，它将对促进我国水工予应力砼技术水平的提高产生积极作用。
（科教论文网 lw.nSeAc.com编辑发布） 七、集中布置的进水塔群和出口消力塘
小浪底泄洪、排沙、发电、灌溉隧洞共16条，其进口组合成"一"字型排列的十座进水塔，前缘总宽276.4m，最大高度113m，各洞进口在不同高程错开布置，形成高水泄洪排污，低水泄洪排沙，中间引水发电的总体格局，以降低洞内流速，减轻流道磨蚀，减小闸门工作水头，提高其运用可靠度。洞室和进口的集中布置，导致出口消能建筑物（消力塘）也集中布置。此项设计独特新颖，可谓水工引水、泄洪、消能建筑物设计的一项首创。
进水塔是小浪底最复杂的建筑物，也是世界水利工程中所罕见的。塔上共布置各洞的检修门、事故门、工作门38扇，主副拦污栅26扇，固定卷扬机、液压启闭机26台，塔顶4000KN门机2台，致使塔体结构十分复杂。具体表现在塔身孔洞多、廊道多、埋件、止水、管道多，钢筋布设密集复杂，而且混凝土浇筑仓号约1000个，金结安装与土建施工干扰大，进口高流速流道还需用高强、抗磨环氧砂浆抹面等，施工复杂、质量要求高、干扰多、困难大。
出口消力塘是九条泄洪洞和一条溢洪道的集中消能建筑物，其总宽度356m，总长210m（含护坦），最大深度28m，由两个中隔墙分成三个消力塘，每个塘又分成两级消力池。底部排水廊道纵横交错，底板、边坡、隔墙、尾堰、护坦等浇筑仓号多达3425个，其集中布置型式和规模为中国之首。
进水塔后岩质开挖边坡高120m，受4组结构面切割，局部风化较严重，地质条件复杂。采用了系统砂浆锚杆、砼护面板、喷钢纤维砼（或挂钢筋网）、予应力锚索、排水、减载等综合加固措施。
出口消力塘边坡稳定分析工作紧密结合施工过程揭露出的工程地质条件变化和监测资料反映的边坡稳定状况进行，采用减载、排水、封闭坡顶170m高程平台、系统砂浆锚杆、挂网喷砼、予应力锚索支护、抗滑桩和其他结构措施，综合加固。
（科教范文网http://fw.ΝsΕΑc.com编辑） 通过以上工程措施，确保进、出口高边坡岩体稳定。其设计计算方法先进，锚固措施科学合理。在进出口边坡加固中共采用予应力锚索1124根，其中1000~3000KN双重保护无粘结予应力锚索950根，在国内水电工程尚属首次大规模采用。
在砼浇筑中，首次在国内采用先进的ROTEC塔带机和DoKa系列模板浇筑砼，实现了高效率高质量。结构极其复杂的进水塔高峰期平均月浇筑强度为2.54万m3，最高月浇筑砼4.7万m3。集中布置的小浪底工程进水塔和出口消力塘的设计和施工达到世界先进水平。
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