梨園導(dǎo)流洞永久堵頭排水管封堵處理

1、梨園水電站導(dǎo)流洞堵頭排水管封堵事故處理劉永波 許霓 歐崗（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司）摘 要：梨園水電站導(dǎo)流洞永久堵頭接縫灌漿完成后，堵頭下部預(yù)留的DN300排水管為避免銹蝕，需關(guān)閉出口閘閥并灌注濃水泥漿填實(shí)，灌漿過程中排水管出口明桿閘閥的閘板在灌漿脈動壓力下無預(yù)兆突然破壞，無法形成靜水環(huán)境填充濃漿的實(shí)施條件，需采取其它封堵方案進(jìn)行處理。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采取了排水管套接自制閘閥管臨時止水，然后澆筑大體積悶頭混凝土埋封的處理措施。本文詳細(xì)介紹了該處理措施的具體方案，并探討從中得到的啟示。1 工程簡介梨園水電站位于金沙江中游河段，工程以以發(fā)電為主，兼有防洪、旅游等綜合效益，正常蓄水位

2、1618m，庫容7.27億m3，裝機(jī)容量2400MW。電站樞紐由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、左岸泄洪沖沙洞、左岸引水系統(tǒng)、地面發(fā)電廠房等建筑物組成。梨園水電站采用全年圍堰一次斷流、右岸兩條導(dǎo)流洞泄流的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞進(jìn)口高程1497m，出口高程1495m，均為圓拱直墻形斷面，襯砌后凈空尺寸15×18m。導(dǎo)流永久堵頭位于大壩帷幕線下游56m處，為瓶塞式實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)，長度35m；由于下閘后水庫水位上升較快，為確保永久封堵體施工安全，在永久堵頭上游迎水面處增設(shè)一道混凝土臨時堵頭，臨時堵頭長度20m。2 排水管注漿施工事故及原因分析2.1注漿封管事故過程本工程于2014年11月10日下閘

3、，同年11月底臨時堵頭澆筑完成；2015年1月中旬永久堵頭澆筑完成，6月上旬堵頭接縫灌漿完成，具備堵頭下部排水管封堵條件。每個堵頭在其下部設(shè)置了兩根DN300排水管，用以排除施工期間的積水，排水管進(jìn)口設(shè)置逆止閥，出口設(shè)置手動明桿閘閥，關(guān)閉出口閘閥后，管內(nèi)形成靜水條件，然后壓入0.5:1濃水泥漿填充全管。排水管布置見圖1所示。封管注漿系統(tǒng)設(shè)置在排水管出口，6月11日上午開始壓漿作業(yè)，期間上游水位與庫水位1618m一致（進(jìn)口閘門嚴(yán)重漏水），擋水水頭約127m。經(jīng)試驗(yàn)，灌漿壓力取1.4MPa可壓入濃漿置換管內(nèi)積水，注漿開始僅10min左右，出口閘閥閘板即突發(fā)大變形，噴涌而出的高壓水流瞬間沖出尚未凝固

4、的水泥漿液，灌漿封管作業(yè)宣告失敗。圖1 導(dǎo)流洞排水管示意圖2.2原因分析封堵體方案設(shè)計(jì)為臨時堵頭與永久堵頭分離布置，臨時堵頭布置在大壩帷幕軸線上，與下游永久堵頭間隔約50m，二者之間洞室空腔儲水容積約1.2萬m3，注漿前先全開出口閘閥放水以降低上游水位，正常情況下可為注漿堵管作業(yè)提供約2436h的低壓注漿時間。后經(jīng)專家審議，有關(guān)單位自行調(diào)整為臨時堵頭與永久堵頭合并布置，造成排水管封堵時無法降低上游水位的困難局面，卻未相應(yīng)更換高一級工作閘閥。實(shí)測上游水位與庫水位1618m一致，擋水水頭約127m，進(jìn)口逆止閥最大工作壓力為4.0MPa、出口閘閥最大工作壓力為1.6MPa，實(shí)際采用的平均灌漿壓力為1

5、.4MPa，由于柱塞式灌漿泵固有的壓力脈動性特點(diǎn)，最大脈動灌漿壓力高達(dá)2.02.2MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出閘閥允許工作壓力，閘閥破壞從而導(dǎo)致壓漿失敗的施工事故。3 排水管封堵事故處理3.1總體方案由于永久堵頭主體已經(jīng)施工完成，阻斷了從排水管進(jìn)口關(guān)閉的通道條件；高水頭高流速情況下也不具備從灌漿廊道鉆孔進(jìn)入排水管注漿封堵的可行性，因此只能考慮從排水管出口工作面著手進(jìn)行處理。處理方案應(yīng)滿足以下總體要求：1、滿足帶壓封堵要求；2、滿足封堵體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求；3、滿足長期運(yùn)行安全和耐久性要求；4、滿足施工安全可行和工期短的要求。根據(jù)上述總體要求并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，處理方案為首先在出口處焊接自制封口鋼套管止水，然后再

6、澆筑悶頭大體積混凝土埋封加固。封堵方案示意見圖2。圖2 排水管封堵方案示意圖（半剖面）3.2封口鋼套管封口鋼套管主要起到臨時帶壓封閉排水管，為后續(xù)悶頭混凝土施工創(chuàng)造條件，不考慮長期運(yùn)行影響。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：1、鋼套管最小尺寸根據(jù)排水管及閘閥實(shí)體的封閉及加工、焊接等施工要求綜合確定，在滿足上述條件情況下，盡量取較小值。套管尺寸實(shí)際取值為凈空直徑800mm，長度1000mm，采用Q235材質(zhì)鋼板卷焊。2、套管筒體鋼板厚度根據(jù)公式=P·r/（0d0）計(jì)算，計(jì)算最小厚度為2.7mm，實(shí)際選用鋼板厚度4.0mm。3、套管與排水管連接面的環(huán)向焊縫強(qiáng)度采用公式t=F/（L×min）復(fù)核，計(jì)

7、算焊縫強(qiáng)度為t=166MPat=142 MPa，需對稱設(shè)置4塊加固連接板。4、經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，套管筒體無需設(shè)置加勁環(huán)。5、為滿足套管施工的無水焊接環(huán)境，需在套管底部設(shè)置2套閘閥排水，焊接完成后再關(guān)閉，確保悶頭大體積混凝土干地澆筑。套管結(jié)構(gòu)見圖3。圖3 封口鋼套管示意圖3.3大體積悶頭混凝土封口鋼套管施工完成并排除積水后，即可立模澆筑悶頭混凝土，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：1、混凝土配合比及材料1）混凝土性能設(shè)計(jì)除滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足長期運(yùn)行的耐久性和抗?jié)B性要求，設(shè)計(jì)標(biāo)號為C2820W8F100。2）洞內(nèi)空間較小，采用混凝土泵車入倉，通過優(yōu)化混凝土配和比以滿足泵送混凝土對和易性的要求：粉煤灰等量替代法摻量

8、15%，摻減水劑后最大水灰比0.55，塌落度120160mm。3）二級配混凝土，采用下咱日砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的優(yōu)良人工砂石料拌制；水泥選用P.O42.5中熱硅酸鹽水泥。2、穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算混凝土悶頭整體穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析分別采用剛體極限平衡法及三維有限元法進(jìn)行計(jì)算。1）整體穩(wěn)定抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：0S()R()/d式中，作用效用函數(shù)S（·）PR抗力函數(shù)R（·）fRWR+CRAR考慮到施工及混凝土收縮等因素，悶頭與原襯砌邊墻接觸面質(zhì)量不易保證，忽略該接觸面黏聚力和摩阻力；由于洞內(nèi)滲滲水影響，底板汪水排除不盡，可能形成低黏聚弱面，為確保安全，作用效應(yīng)不計(jì)入黏聚力，僅考慮悶頭混凝土在自重作

9、用下的摩阻抗力，摩擦阻力系數(shù)fR取0.6。經(jīng)計(jì)算，混凝土悶頭最小幾何尺寸為6m×4m×4m（長×寬×高），確保排水管（含封口套管）全部包在混凝土內(nèi)，且套管在混凝土悶頭內(nèi)各個方向埋藏厚度均不小于2m。圖4 悶頭大體積混凝土幾何尺寸圖2、應(yīng)力分析悶頭混凝土為非桿體系的大體積結(jié)構(gòu)，采用三維有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算模型采用混凝土專用單元SOLID65模擬，考慮套管銹蝕失效情況下127m水頭的內(nèi)水均布荷載作用在悶頭內(nèi)部空腔，悶頭底板（與原襯砌接觸面，Y向）及尾部（與堵頭接觸面，Z向）施加法向約束。有限元分析幾何模型見圖5。圖5 悶頭大體積混凝土計(jì)算模型根據(jù)計(jì)算

10、結(jié)果分析，悶頭空腔在內(nèi)水均布荷載作用下變形較小約0.6mm；最大壓應(yīng)力1.54MPa，在允許抗壓強(qiáng)度9.6MPa以內(nèi)；最大拉應(yīng)力1.79MPa，超過允許抗拉強(qiáng)度1.1MPa，需通過結(jié)構(gòu)配筋解決。悶頭混凝土應(yīng)力及變形云圖見圖67。表1 計(jì)算成果匯總表最大主應(yīng)力（MPa，第一主應(yīng)力）最大變形（mm）拉應(yīng)力壓應(yīng)力最大拉應(yīng)力位置最大值最大值出現(xiàn)位置1.79-1.54空腔頂部圓板外圈0.598空腔頂部圓板中央圖6 第一主應(yīng)力云圖圖7 第一主應(yīng)力沿軸線水平切片3、結(jié)構(gòu)配筋由于混凝土材料力學(xué)性能非均質(zhì)特點(diǎn)，在內(nèi)水荷載作用下，空腔周壁出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，最大拉應(yīng)力1.79MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許拉應(yīng)力值，將引起局部塑

11、性變形或開裂，需對局部受拉區(qū)適當(dāng)配筋，約束混凝土塑性變形，形成三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)抗拉抗裂能力，確保悶頭結(jié)構(gòu)長期運(yùn)行安全。大體積混凝土局部受拉鋼筋配筋按混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范推薦公式計(jì)算，并按最小配筋率min0.2%進(jìn)行復(fù)核。局部受拉區(qū)鋼筋最小面積As,min=kckftAc/fy式中，kc、k為應(yīng)力分布系數(shù)、應(yīng)力非線性調(diào)整系數(shù)，分別取1.0、0.5；ft、fy為混凝土抗拉強(qiáng)度、鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，分別取1.1MPa、335MPa；Ac為局部受拉區(qū)面積，mm2。根據(jù)配筋公式及有限元應(yīng)力云圖計(jì)算，需在空腔外側(cè)2.2m長度范圍內(nèi)配置環(huán)向箍筋，直徑18mm，間距200mm，保護(hù)層厚度5mm；在空腔外側(cè)3.6m長度范圍內(nèi)配置縱向鋼筋，直徑18mm，間距200mm。結(jié)構(gòu)配筋見圖8。圖8 受拉區(qū)配筋示意圖4、止水處理由于不具備排水管管內(nèi)灌漿填實(shí)施工條件，為防止管內(nèi)高壓水體沿混凝土接觸界面持續(xù)出滲，影響長期運(yùn)行安全，需采取可靠的止水防滲處理措施，具體要求如下：1）新老混凝土界面鑿毛加糙，改善縫面結(jié)合性能；2）在悶頭與后方混凝土堵頭界面設(shè)一排跨縫插筋，限制裂縫開度；3）在排水管上距后方混凝土堵頭0.5m處設(shè)置一道800mm止水環(huán)；4）排水管外壁包裹一層混凝土面板嵌縫用柔性自封閉止水材料。5 結(jié)語梨園水電站導(dǎo)流洞堵頭排水管封堵事故采取上述處理措施，從悶頭內(nèi)預(yù)埋的