水电工程中高压混凝土塞的设计.pdf

1 9 9 1年 8月 国外辩 技：来 电工程 中高压 混凝土 塞 的设 计 水电工程中高压混凝土塞的设计 简伯格 克里森斯 提要：一些新 的设 计概念 和高 压环氧 树脂灌浆技术 已在挪威水 电工程中成 功地 应 用 于水 压力 高达 9 6 5 1 1 水 头的混 凝 土塞 施 工。除 水 电工程 以外，这 一 技 术还 可 用 于 有 特 殊 要 求 的 液体 或气 体 贮 存器 工程 中，饲 如，贮藏 天 然 气 的岩 洞 和放 射 性废 料 掩 埋 体。1 导 言 在挪威 目前有 8 O多条 压力竖井和 压力 隧 嗣正 在 使 用，其 水 压 力 的 范 围为 1 5 0 9 6 5 m。在这些 电站 中 关键 的旋工 项 目是 连 接 未 衬砌 管道 和 压 力钢 管 的 混凝 土 塞，和检查 隧嗣用的进 出门塞。按 照 传统 的 方 法，这 种 塞 的长 度通 常 为水 压 力的 3 5 ，并 用 水 泥 灌浆 止水。渗 透 主要 来 自混凝 土 与岩 石 的接 触 面 处 一般 需要 经过几 次后 期 灌 浆，使渗 漏 下 降 到容许的 程度。在过 去 l 0年 中，随着 挪威 水 电事业 的 发 展 岩 石 中未 衬砌 输 水 建 筑 物 的水 头 也 越来 越 高，已由 5 5 0 m 提高 到未 衬砌 压 力 井的 9 6 5 m，这是 目前的世界 纪录。为 了保 证 混凝土 塞 能在 如此 高 的压 力 下安全 运 行 和不漏水，要求采用新的设计原理和施工 方法 采 用 的新 技 术 包括：有 系统 地 进 行 高 压渗漏试验；对塞 区岩石进 行预 灌浆；专 门 研制 的用 于 混凝土 塞高 压环氧 树 脂接 触灌 题，但容 易被人疏 忽或 遗忘 重复 一下。因此有 必要再 裂。(1)设计 工程师 必 须深入施 工现场，例 如每 月 一次，以核实工 地情 况和 建筑材 料是 否符合设计规 定 如果 不符，应要求 改正(2)不透 水 填筑 区的下游接 触 面，不 管 是对 基础材 料，还是 对相 对透 水 的填 筑 区，都必须设反滤层来防止管涌。(3)在透 水严重 的 基岩 中，依 靠单排 灌 浆帷幕 防渗 不是 很有效 的。(4)当取土 场 防渗 料含水量 远低于摄佳 含水量 时，应强 制性 地使 土料含 水量 接近 最 佳 含 水 量。首 先 是 在 取 土 场，然 后 在 填 筑 区 但是 后者应是少 量的(5)设在基 岩 中的深 而窄的截 渗槽应避 免采用 陡的槽 壁。因为随 着圊填 土的沉降 会 发生起拱作 用形 成不利 应力状态导致水 压致 60 (6)由于 水 文 上 的不 确 定 因 素 必 然 存 在，以及 精确预 测关键韵 泄水建 筑物何 时可 以建 成并交付 使用存在 困难，那种假定水库 初次 蓄水的速率可以控制 的假 设通常是 脱离 实 际的。所 以坝 的设计 者应 充分考 虑到水 库 可能蓄水很快，不要 相信控翩初 次蓄水速 率的一般 假定标准。(7)即 使安置 了大量监 测仪 器，对于提 堂坝这 样 突发的，迅 速溃 口的失事，要 事先 预测，并及 时有效 发出 事故即将来 临的警报 是 不 可 能 的。张 天 巅译 自(A DV A N C E D D AM E N GI NE E R I NG FOR DESI GN CONSTRI 仃 1 ON AND REHABI LI TAT I ON)周 蛐 庄校 维普资讯 第 2 2卷 第 8期 人 民长 江YANGTZ E RI VER 浆 的软 管；以及 为 了验证 塞 的完 整 性 通过 钻孔进行 高压后 灌浆。搞 好 详细 的 设计，在混 凝土 浇 筑 和 灌 浆 的各 个 阶段 中 进行 系统 的质 量检 查，对 于成 功地 建造 一个 高压 混 凝土 塞 是 至关 莺 要的。本文作者最近 已负责埃克兰苏森(E i k l l a n d s o s e n)水 电站(4 5 0 i n 水 头)和 尼 塞特一 斯蒂吉(Ny s e t s t e g g j e)水 电站(9 6 5 m水 头)末 衬砌 岩石 中这种 新型 的高 压 塞 的设 计 和 施工 管理，并 正 在 设 计挪 威 西 部 Me l电站 的一个 7 4 0m 水头高压塞。现 将这 些 工 程的 一 些 主要 经验 概 述 如 下。2 混凝土塞的类型 图 1是 水 电工 程 中所 使 用 的两 种 主要 的混凝土 塞。垂直 !塞 圉 1压力管道塞和进出门塞的总体布置 压 力管道 混 凝土 塞 位 于压 力钢 管 上 游 末端，即过 渡到 未 衬 砌 引水 渠或 压 力 隧洞 的部位。在施工隧洞与压力隧裥连接处，通 常委 设一个进出门塞，以通 向未衬砌的隧 洞。3 塞的 长 度 图 2是 一 些挪 威 水 电工 程 塞子 长 度和 水压 力之 间的关 系。从图中可 以看出 塞子 长度 为水 压力 的 2 5 1 0 ，而最近 的高 压结构物为 3 5 。压 方 f m)0 压力管道塞 啦避 口塞 薹f g#、蛔趣封瑚 圉 2一些挪威水电蛄 中塞子长度与水压力的关系 高 压 塞设 计 要 解决 包 括 结 构 的、水 力 学的和岩石力学方面 的问题，并要与混凝 土浇筑和灌浆技术 有关 的实践经 验相结 合。4 尼塞特斯蒂吉水电工程(1)I 程 布 置 最近投入运行 的尼塞特一斯蒂吉水电 工程 位 于挪 威 西部 的 松 恿，该 工 程 包括 一 条长 1 3 0 0 11o 的柬衬砌压力竖井。其静水头 达到 9 6 5 m，创造 了在 未衬砌 岩 石中水压力 的新 世界记录。图 3为 该工 程 的 剖 面 图，该 工程 包 括 6 维普资讯 1 9 9 年 8月 国外科技：水电工程 中高压混凝土塞 的设订 一条 1 2 k m 长隧 嗣 将水 从北 部 集水 区引入 水 面高 程 为 9 8 0 3 m 的 主水 库；然 后是 一 条 长 5 6 k m，面积 1 6m 的引水隧洞，将水 引向压力井的顶端 圉 5尼塞特一斯蒂吉工程隧洞剖面圉 该 压 力 竖 井长 l 3 0 0 m，直径 3-2 n l，用 全 断面 掘进 机(I B M)开 挖。由于 电站 位 于 岩石 中，一条 2、5 k m长 的 尾水 隧洞将 水 排 泄到奥迭尔菲约 德。(2)压 力管 道 混 凝 土 塞 图 4为地 下 水 电站 的 布 置，从位 于 压 力竖井底部的未衬砌截 沙槽开始，由一条 l 4 0m 长，直径 1、6I T 1 的压力钢管 将水 引向 水 电站。紧靠 截 沙槽 下游 的 压 力钢管 的前 4 5 m浇筑 成 一个 整体 的混 凝土 塞。通 过 塞 予 下游 的一段 可拆卸 的 压 力钢管 可进 入截 砂槽。z 髓 4尼蠢特一斯蒂吉工程水电站布置腰 经验表 明 未衬砌 压力竖井最美键的 部分是在从来衬砌到钢衬砌 魄过渡段，也 就 是混 凝 土塞 区。在 该 区产 生 的极 高的 孔 隙压力梯度，在有些情 况下，已经 造成了变 形和严重渗漏问题。在尼 塞特一斯蒂吉工 程 中，设计和施工 都很 认真 以尽量减少这 类同题的 风险。截 砂 糟 和 塞 区 的 岩 石 条 件 是 有 利 的，为高 质量、节理 根步的片麻岩。混凝 土 塞包 括锥 形 进 口部分 的总 长 为 6 2 5 5I T 1，分 6 段 浇筑，见图 5。1 i l i f =z 0 z 删 圈 5尼塞 j 寺 一撕 蒂 吉工程 混囊 蠢 和惟蓦灌攘布置髓 在 塞 子 浇 筑之 前，钻 了 4个 扇 形 的预 灌浆孔(图 5中的 AD)并且在压 力管道 的 上 游段 在 1 0 0 b a r的 压力 下进 行压 力试验。没 有发 现 渗透 情 况，对 钻 孔 灌 注 膨胀 水泥 浆。混凝 土塞的接触 灌浆是在 i 0 0 b a r压力 下，灌 注环氧树脂 浆。为此，在浇筑棍 凝 土 塞 以前和 浇筑 过程 中 需在 岩石 与混凝 土，混凝土与钢管接触面和各塞段之间的接 合面安 装灌浆软管。在塞 子 的上 游和 下 游末 端 通过埋 设 的 软管 灌 注聚 氨 基 甲酸酯，以在这 两 个部 位 形成 阻隔层，防止浆 液漏 失。然后，在高压 下 对 整个 塞子 用 环 氧树 脂 进 行 接 触 灌 浆 一次完成。4个扇 形检 查孔(图 5中的 E H)从 压 力管 道 内部 穿 过 混凝 土 钻入 岩 石 6 m 探。最后检 查孔在 1 0 0 b a r 的压力下 灌注环氧 树 脂。-塞子灌注的总耗浆 量为：环氧树脂：4 2 7 3 k g 聚氯基 甲酸脂 1 1 5 k g 此 外，在 浇筑 混 凝 土 以 后和 环 氧树 脂 灌注 以前，各塞段 的灌浆 消耗水泥 约 3 0 0 0 kg。(3)压 力竖 井 充水 尼 塞 特一斯 蒂吉 水 电站 未 衬砌 压 力 竖 维普资讯 第 2 2卷 第 8期 人 民长江YANGTZ E RI VE R 井的首 次充水 在 1 9 8 7年 1月进 行。充水 持 续 了 l 0天 并在 不同 的压力 水头 下停止 充 水 以监 测渗 透量。在 全压力水头 9 6 5m下，从 1 3 0 0m 长 的压 力 竖井 流入 到周 围岩 石 的总 水 量约 为 1 3 L s，而 记录 的通 过混 凝 土 塞 的总渗 流 量不 刊 1 L s。在 这样 太 的压 力下 这 一渗 流是 异常 小 的，因此 不 会 给 水 电站 的安 全 运行 造成任何影响。在 后 来 的几个 月 中，通 过 塞 子 的渗 流 已经 接近于 0，这可能是 由于从 混凝土 中产 生的 过量碳 化物重 分 布 的阻 塞作 用 而 引起 的。5 埃克兰苏森水电站 挪威西部的埃克兰苏森水电站和 J 用从 波特 讷 文 特 湖到 埃 克 兰 苏 森峡 湾 之 间 5 0 0 m的落 差。一条 3 6 k m 长 2 01 1 1。断 面的未衬 砌压 力隧洞将水从进水 口引向 5 0 m高程紧靠电 站上 游的截沙槽。从砂槽至 厂房，用一条钢 衬砌 压力竖井连接。在 一个 用 于 压力 隧 洞 开挖 的 2 0 1 1 1 的 运输隧 洞中设 门塞，通 过 门塞进 入截抄 槽。图 6为 门塞和截 沙槽 的布置 图。圈 6挟竞兰苏森水电蜡闸门塞和截汐槽布置圈(1)塞 的施 土 如 图 7所 示，塞子 的混 凝 土衬 砌 长 2 0 1 1 1 其中有 一段 5 m 长 的钢衬 砌 以容纳进 出 口闸门。施 工第 一 阶 段 的 工作 包括 在 塞 子 区的岩 石 中 通 过 2 0 m 深 的 崩形 钻 孔，在 S 0 b a r的 压 力 下 进 行 系统 的渗 透 试 验，见 图 7。t -王i 蓁 t“圈 7埃克兰苏森水电站进 口闸门塞平面田 仅 发 现 很 小 的渗 漏，在 5 0 b a r 压 力下 进 行水 泥灌浆 处理 混凝土 塞分 三段浇 筑，在 每个工 作 循环 完 成 后 将 在拱 顶进 行水 泥 灌浆 以 填满混 凝 土和 岩 石接 触 面 的任 何 孔隙。在岩 石和混凝土，混 凝土和钢管接 触 面和各 塞段的接 合面在浇 筑混凝土之 前，需安设特殊的灌浆敦管。在 混凝 土冷 却到 l 6 后，首先 利 用这 些 软管 灌注 聚 氮基 甲酸 酯，对 上游 和 下 游 进 行止 水，然后 在 S 0 bar的压 力下 用 环 氧 树脂完 成混 凝土塞的接触 灌浆。在铜衬砌部分，钢管l和 混凝土的接触 面 也用 环氧 树 脂进 行接 触 灌 浆，但其 灌 浆 压力需限制在 l O bar，以避免锕蝴变形。接 触 灌浆 完 成 以后 在进 日闸 门 上游 自 整 个 塞 段，钻 一些扇 形 灌浆 孔穿 透 混凝 土 衬 砌，深入岩石 内 3m。然后 在 S 0 b a r 压 力下 对 这些 孔 进 行 环氧 树 脂 灌 浆。采 取这 一 措 施的 目的是 为了保 证对 隧 洞周 目 的岩石 进 行 充分 的处 理，并 且 同时 对混 凝 土 衬砌 施 加 预 应 力。埃克 兰 苏森 工 程混凝 土 塞处 理 的总耗 浆量为；1 珂：氧树脂；1 0 7 0 k g 聚氨基 甲酸脂 8 5 k g 水 泥；6 0 0 k g (2)混 凝 土 塞 的 作 用 埃 克 兰苏森 水 电站 的隧洞 于 1 9 8 6年 7 月开始 充水。进 口 闸 门塞 仅发 现 非 常小 的 渗 漏 少于 0 1 L s。太部 分 渗流来 自紧靠 铜 衬砌 下 游 的 一个 灌浆 管 堵 塞 该 管后 再 63 维普资讯 1 9 9 1圭 8月 国外 科技：水 电工程 中高压 混凝 土譬 的设计 没发生渗漏现 象。6 梅尔水电工程 梅 尔水 电工 程 位 于挪 威 西 部，靠 近 松 达 尔峡 湾。水 电站 的总 体布 置 与 埃 克兰 苏 森工 程类似，它 的一 条 最大 水 头 7 4 0 m 的 未衬 砌 压力 隧洞 将水 引到 水 电站 的 上游 截 沙 槽 中 通 过 一个 进 口闸塞 进 入 隧 洞。闸 塞 设 在一 条 通 向截 沙槽 面积 为 2 O m 施 工 涟 洞 中 闸塞总 长 2 7 m，设计 水 压力为 7 4 0m。闸塞和截沙槽 的布 置见 图 8 圈 8 在这 个 2 7 长的 混凝 土塞 的 中心，沿 塞的全长有直径 r 1 6 m 的钢 衬砌进 出廊道，井在塞子末端安 设 了进 出 口闸门，见图 9。圈 9梅尔水电站进出触 塞子 的主要旌工步 骤为：1 先 进行 渗 透试验，然后在 塞 区岩 石 中 以 8 0 b 的 压 力下 进行 环 氧 树硝 预 灌 浆。2、设置钢衬 砌。3、把塞分为三段，有顺序地浇筑混凝 土，并在 拱顶 区进行 补充水泥灌浆，然后安 6d 装接触 灌浆 用软管。4 在 8 0 b a r 压 力下 对塞子 用环氧 树脂 进行接触 灌浆。5 从 钢衬砌 进 出廓 道 内部钻 3个 扇形 检查孔，这些孔穿 过混凝土钻入岩 石，然后 在 8 0 b a r压力下进行环 氧树 脂灌浆。梅尔电站进出闸塞将在 1 9 8 8年秋完成 并投 入 运行。压力 计将 安 装在 塞 子 和 围岩 中，以 准确地 监测 隧 洞 首次 注 水 期 间所 产 生的荷载和孔 隙压力 7 结论 设 计 概念 和 灌 浆 技术 的 改 进，已经 可 以成功地 修建水 头近 l 0 0 0 m 的混凝 土塞。我们 确信，这 一技 术还 可 应 用于更 高 水 头 的混凝土塞。然 而，采 用 新 的 设计 原 理 和 灌 浆 技术 还 将 考虑 低 水 头混 凝 土 塞 的效 益，应 能 保 证 塞子 完 全 止水，这 样 就 可 节 省投 资和 工 期；而采甩传统的塞子旅工方法，有时进行 了许多无效 的补 救灌浆工作。成 功地应用这 一新技术 的关键 是 t 1 设计者 和承 包商紧密合作。2 一 流 的混凝土 浇筑和灌浆技艺。3 在混 凝 土塞 的设 计，施工 和使 甩 的 各个 阶 段 中，需 要 各专 业 工 作 协调 和 严格 的质量控制 除水 电工程外，这一新研糊 的技术 还 能用 于具 有特 殊要 求 的流 体或 气 体容器 的 其 它工程 中，例如，用于贮 藏天 然气 的岩 洞 和放射性废料掩 埋体。在挪威，作 为天黪 气岩洞储存器重要 研 究计 划 的一部 分，对 高 压塞设 计 的进 一 步研 究和开发 目前 仍正 在进 行。t蕾武译 自 岩石力学与水电站 1 9 8 8年 用 麓庄按 维普资讯