淺析石壁山干渠引水隧洞進(jìn)水口圍堰設(shè)計(jì)及施工

劉 朋

(宣城市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 宣城 242000)

1 工程概況

石壁山干渠引水隧洞工程進(jìn)水口位于港口灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)主壩左岸上游，為已建水庫(kù)增建工程，直接從庫(kù)內(nèi)引水。港口灣水庫(kù)是一座防洪為主,結(jié)合發(fā)電、灌溉的大(2)型水庫(kù),集水面積1120km2,總庫(kù)容9.41億m3,正常蓄水位133.1m,死水位115.1m。石壁山干渠1#引水隧洞工程包括石壁山干渠1#隧洞進(jìn)水建筑物和1#隧洞工程，全長(zhǎng)10.40km。進(jìn)水口采用有壓短進(jìn)口的無(wú)壓隧洞，岸塔式設(shè)計(jì)。引水隧洞最高運(yùn)行水位為133.1m，最低運(yùn)行水位為118.5m，進(jìn)口設(shè)計(jì)引水流量4.5m3/s，進(jìn)口底高程116.5m，孔口尺寸為2m×2m。隧洞進(jìn)水口建筑物級(jí)別為2級(jí)，設(shè)計(jì)洪水采用50a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200a一遇。

2 水文情況

工程所在區(qū)域?qū)仝M皖山地暴雨區(qū),暴雨發(fā)生頻繁,多由梅雨峰、臺(tái)風(fēng)以及低槽、低渦切變等天氣系統(tǒng)形成,具有在短歷時(shí)內(nèi)出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨特點(diǎn)，洪水主要由暴雨形成,集中在5-7月,個(gè)別年份臺(tái)風(fēng)暴雨形成的洪水出現(xiàn)在9、10月份,洪水特性為洪峰高、匯流歷時(shí)短、洪水頻繁。一次洪水歷時(shí)一般為3d,多則7d,其中1d洪量占3d洪量的50%左右,3d、7d洪量占7d、15d洪量的70%左右。流域洪水年際變幅較大，經(jīng)復(fù)核港口灣水庫(kù)50a一遇最大入庫(kù)流量5300m3/s,相應(yīng)洪水位為138.13m，200a一遇最大入庫(kù)流量7238m3/s,相應(yīng)洪水位為139.42m。

3 地質(zhì)情況

堰基處表層為淺薄的坡積層,厚度一般1.0-2.5m,該層土質(zhì)不均勻般為中等透水性,承載力一般；下伏基巖為石英細(xì)砂巖夾粉砂巖,該層上部強(qiáng)-弱風(fēng)化巖體裂隙發(fā)育,破碎,具中等透水性,下部微風(fēng)化-新鮮巖體強(qiáng)度高,除淺部裂隙發(fā)育部位為中等透水性,其他一般為弱透水性,該圍堰最大高度約21m,為滿足對(duì)地基的強(qiáng)度、變形、防滲要求,選擇基巖為持力層,防滲處理宜進(jìn)入微風(fēng)化基巖以下一定深度。

4 圍堰截滲墻比選

4.1 高壓旋噴防滲墻結(jié)構(gòu)

高壓旋噴防滲墻設(shè)計(jì)以圍堰軸線布置灌漿孔，鉆孔深度大于20m堰段布置兩排高噴灌漿孔，其余1排，灌漿深度大于15m時(shí)孔距0.9m，灌漿深度在15m以內(nèi)時(shí)孔距取1.0-1.2m，灌漿孔孔底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層不小于1.0m，成樁樁徑不小于1.5m。該設(shè)計(jì)適用于軟基或較厚的黏土覆蓋層基礎(chǔ)。初始設(shè)計(jì)中，地質(zhì)條件未探明，經(jīng)局部庫(kù)底巖土出露，預(yù)估堰基處黏土覆蓋層約5.0m，經(jīng)進(jìn)一步地質(zhì)勘探，1#堰基以下坡積層厚度僅1.0-2.5m,坡積層以下為弱微風(fēng)化石英細(xì)砂巖夾粉砂巖,透水率為24.6-87.7Lu,施工期圍堰內(nèi)外側(cè)的水頭差高達(dá)8.4m,高壓旋噴防滲墻與巖層之間難以達(dá)到完全截滲；同時(shí)該堰體設(shè)計(jì)采用兩側(cè)拋石戧堤，中間填筑風(fēng)化料結(jié)構(gòu)，增加鉆孔施工難度。

4.2 素混凝土連續(xù)墻結(jié)構(gòu)

連續(xù)墻設(shè)計(jì)沿堰頂軸線機(jī)械挖槽，在泥漿護(hù)壁下形成深槽，清槽后，用導(dǎo)管法灌筑水下混凝土筑成單元槽段，連續(xù)施工在堰體內(nèi)形成連續(xù)墻以達(dá)到截滲效果。設(shè)計(jì)釆用C20素混凝土連續(xù)墻進(jìn)行截滲,墻厚60cm,槽孔沿圍堰軸線布置,墻底進(jìn)入弱風(fēng)化巖層不小于5m,成墻面積1754m2。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有施工振動(dòng)小，整體性好，施工速度快，適用于各種地質(zhì)條件。

綜上，經(jīng)分析比選圍堰結(jié)構(gòu)采用石碴堰體結(jié)合混凝土連續(xù)墻截滲的型式。

5 進(jìn)口圍堰設(shè)計(jì)

5.1 導(dǎo)流方式及時(shí)段

進(jìn)水口建筑物級(jí)別為2級(jí),相應(yīng)的導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí),考慮到港口灣水庫(kù)水位可通過(guò)發(fā)電調(diào)節(jié),如發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水可通過(guò)泄洪洞下泄,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)取10-20a一遇設(shè)計(jì)洪水，導(dǎo)流時(shí)段選用10月-次年4月，考慮港口灣水庫(kù)用水分析，施工期水庫(kù)運(yùn)行水位不得低于121.1m，進(jìn)水口施工前枯水位應(yīng)降至123.1m，期間來(lái)水由港口灣水庫(kù)泄洪洞、發(fā)電洞下泄，施工期采用10a一遇設(shè)計(jì)水位為123.4m。

5.2 圍堰設(shè)計(jì)分析

圍堰采用土石結(jié)構(gòu)，堰頂高程根據(jù)施工期10a一遇設(shè)計(jì)水位123.4m，結(jié)合風(fēng)浪爬高、安全超高計(jì)算堰頂高程，其中風(fēng)浪爬高采用《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A的莆田公式計(jì)算，風(fēng)速W取10.2m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度D取1000m，風(fēng)浪爬高得0.44m，4級(jí)土石結(jié)構(gòu)安全超高取0.5m,計(jì)算得圍堰頂高程124.34m,考慮連續(xù)墻開(kāi)槽時(shí)固壁泥漿宜高出庫(kù)水位1.5m以上等因素考慮，圍堰頂高程124.9m，取125m。堰體兩邊坡均取1∶2。

5.3 結(jié)構(gòu)形式

圍堰采用進(jìn)口開(kāi)挖石碴及風(fēng)化料填筑，結(jié)合庫(kù)中小島分兩段布置,軸線長(zhǎng)分別為63m(1#)和31m(2#)。圍堰填筑前將庫(kù)水位預(yù)降至123.1m,填筑水位以下堰體分層進(jìn)行填筑，堰體內(nèi)外側(cè)采用粒徑較大的爆破石碴填筑,中間部位采用較小粒徑的碎石填筑,堰體兩邊坡均為1∶2，頂寬15.0m,迎水側(cè)采用塊石護(hù)砌，填筑水位以上采用均質(zhì)土圍堰加高,兩側(cè)邊坡為1∶2。圍堰內(nèi)側(cè)利用進(jìn)口開(kāi)挖的石碴填筑至頂高程116m的平臺(tái)。結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 圍堰斷面示意圖

5.4 穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定采用瑞典圓弧法計(jì)算公式為：

(1)

式中：Fs為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；Ci為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上土體黏聚力；Li為第i土體弧長(zhǎng)；Wi為作用于滑裂面上第i土體重度；ai為第i土條弧線中心點(diǎn)與圓心的連線與垂直方向的夾角；φ為內(nèi)摩擦角。根據(jù)填土、風(fēng)化料、拋石、截滲墻、覆蓋層、巖層等各土層物理力學(xué)指標(biāo)：W為天然重度，kN/m3；C為黏聚力，kPa；φ為內(nèi)摩擦角，°，分別取20、18.5、20、24、18、24，10、10、0、160、20、50，15、15、28、40、10、80，計(jì)算迎、背水側(cè)邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.067和1.074，滿足規(guī)范要求。

6 圍堰施工

6.1 堰體填筑

進(jìn)口圍堰石碴填筑量為4.54萬(wàn)m3,土方填筑量為0.35萬(wàn)m3,其中石碴主要利用進(jìn)口邊坡爆破開(kāi)挖的石料和風(fēng)化料。高程123.1m以下石碴可在庫(kù)水位較高時(shí)采用40m3開(kāi)底石駁運(yùn)至填筑部位進(jìn)行拋投；高程123.1m以上圍堰填筑土料采用自卸汽車運(yùn)輸,推土機(jī)輔助推運(yùn)壓實(shí)。堰后平臺(tái)在進(jìn)口開(kāi)挖期間利用石碴拋填,在基坑內(nèi)水位降低至160m時(shí)填筑并采用推土機(jī)推運(yùn)平整。

6.2 連續(xù)墻施工

連續(xù)墻主要施工工藝為:施工平臺(tái)填筑→導(dǎo)墻構(gòu)筑→一期槽孔建造→清孔換漿→澆筑混凝土→二期槽孔施工。

6.2.1 導(dǎo)墻構(gòu)筑

先用連續(xù)墻軸線定出導(dǎo)墻開(kāi)挖線，導(dǎo)墻頂部高出平臺(tái)10cm左右,導(dǎo)墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，直角L型，深2.0m，寬1.5m，墻厚30cm；導(dǎo)墻間距為設(shè)計(jì)墻厚加余量(4～6cm)即650mm，在導(dǎo)墻間每隔5m加設(shè)臨時(shí)頂撐，防止導(dǎo)墻變形，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C15，φ16鋼筋綁扎。導(dǎo)墻腳部座落在密實(shí)的土體上，要求導(dǎo)墻兩側(cè)采用回填黏土予以夯實(shí).

6.2.2 槽孔建造

連續(xù)墻采取泥漿固壁,分段作業(yè)，每個(gè)槽段在6m左右，采用CZ-22型沖擊鉆機(jī)施工,先主孔、后副孔方式開(kāi)挖成槽。開(kāi)槽采用“四鉆三劈”法，先Ⅰ期槽孔，再Ⅱ期槽孔施工，奇數(shù)為主孔，偶數(shù)為副孔。Ⅰ期槽孔遵循先主后副，最后劈打成槽原則，開(kāi)槽過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)情況的監(jiān)測(cè)，挖槽后用超聲波側(cè)壁儀進(jìn)行檢測(cè)，確保成槽垂直度≤1/300。護(hù)壁泥漿由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的制漿站生產(chǎn),其配比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，采用優(yōu)質(zhì)黏土泥漿進(jìn)行護(hù)壁。

6.2.3 清孔換漿

在整段槽孔挖到底部后，應(yīng)進(jìn)行掃孔鏟平抓接部位的壁面及鏟除槽底沉碴以消除沉碴對(duì)將來(lái)墻體的沉降的影響，在挖槽和掃孔結(jié)束后,采用吸泥泵排泥進(jìn)行清底換漿工作。清底換漿應(yīng)在槽孔終孔驗(yàn)收合格后進(jìn)行，在槽孔清孔換漿結(jié)束后1小時(shí)，孔底淤積厚度應(yīng)不大于10cm，施工中清孔采取抽桶出渣方法，并不斷向槽內(nèi)補(bǔ)充新鮮泥漿，同時(shí)還應(yīng)下入鉆頭不斷攪動(dòng)孔底沉積物，以徹底清除沉碴等雜物。槽段接頭主要采用接頭管連接方法。

6.2.4 澆筑混凝土

槽孔清孔驗(yàn)收合格后采用混凝土導(dǎo)管進(jìn)行澆筑，C20商品混凝土。混凝土導(dǎo)管為絲扣連接，管徑φ250mm。用混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至澆筑地點(diǎn),混凝土泵直接輸送下料，混凝土澆筑導(dǎo)管要求離槽邊1.5m左右，兩導(dǎo)管間距原則上不大于3.5m。根據(jù)混凝土上升速度起拔導(dǎo)管，導(dǎo)管埋入混凝土深度宜控制在1.0-6.0m內(nèi)。要求混凝土供應(yīng)強(qiáng)度能滿足混凝土上升速度≥2.0m/h。

在整個(gè)防滲墻完成后，及時(shí)對(duì)該工作面進(jìn)行清理，主要是清除施工棄渣，用8t自卸汽車運(yùn)至指定的棄渣場(chǎng)進(jìn)行集中堆放。

7 結(jié) 語(yǔ)

混凝土連續(xù)墻圍堰結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，在石壁山進(jìn)口圍堰使用充分發(fā)揮了擋土承重截水作用，能夠縮短工期、節(jié)約成本，效果明顯。該方法能較好的應(yīng)用于庫(kù)區(qū)內(nèi)以及河流內(nèi)流速較小、覆蓋層較薄施工條件。通過(guò)石壁山干渠引水隧洞進(jìn)水口圍堰施工技術(shù)分析及施工應(yīng)用為同類圍堰水下施工提供參考。