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格宾网在枕头坝电站导流明渠围堰管涌应急抢险方案

时间:2016-07-31 11:21 作者:晟江格宾网www.gabionchang.com 点击:

摘要:格宾网在 针对枕头坝一级水电站导流明渠土石子围堰出现的管涌现象进行了应急抢险施工。抢险施工实践表明,由于上游岩埂、塑性混凝土防渗墙和黏土心墙三者结合部位是关键的软弱点,因而容易形成管涌渗漏通道,甚至造成土石子围堰堰体破坏。在对土石子围堰出现管涌破坏的原因和条件进行分析和研究的基础上,提出了实施抢险加固处理的应急方案和措施。对枕头坝一级水电站导流明渠土石子围堰出现管涌破坏的背景、应急抢险措施及其实施过程和取得的效果等方面的情况进行了介绍。
格宾网在枕头坝电站导流明渠围堰管涌应急抢险方案
格宾网在枕头坝电站导流明渠围堰管涌应急抢险方案
1、工程背景
   枕头坝一级水电站为大渡河干流水电梯级调整规划的第 19 个梯级,位于大渡河中下游乐山市金口河区的核桃坪河段上,上游距离深溪沟水电站大约 25 km,距离汉源为 85 km,距离雅安为 241 km,距离成都为380 km; 下游距离枕头坝二级水电站 4. 1 km,距离金口河区为 4. 7 km,距离峨边为 44 km,距离乐山为 138km,距离成都为 260 km。坝址处的控制流域面积为73 057 km2 ,多年平均流量为 1 360 m3 / s,在枯水期,坝址处河面高程为 589 ~ 590 m。该水电站工程规模为大( 二) 型,属Ⅱ等工程,主要永久性挡水建筑物及泄水建筑物为 2 级,次要建筑物为 3 级,临时建筑物为 4级。水电站采用堤坝式开发,初拟正常蓄水位为 624m,最大坝高为 86 m,电站装机容量为 720 MW,多年平均发电量为 32. 90 亿 kW·h,正常蓄水位以下库容为 0. 435 亿 m3 ,水库总库容为 0. 469 亿 m3 ,为径流式电站。该工程的主要开发任务为发电,同时兼顾下游地区的用水。
   枕头坝一级水电站坝址位于泸定 - 铜街子段的大渡河中游金口河镇附近,流域面积为 73 057 km2 ,主汛期为 6 ~ 9 月,年最大流量多出现在 6 月份和 7 月份,以 7 月份出现的机会最多。该工程坝址处的河谷形态为一相对比较宽缓的“V”形河谷,河流流向由 S55° E渐变为 S84°E。在枯水期,河面高程为 589 ~ 590 m,河面宽度为 70 ~ 130 m,水深为 7 ~ 9 m。水库正常设计蓄水位为 624 m 时,库水面的最大宽度为 160 m,坝前最大水深为 42 m。
 
2、土石子围堰结构:
   土石子围堰在挡水期主要用于对导流明渠及纵向混凝土围堰的施工,同时,完成明渠内右岸的挡水坝段及 3 孔泄洪闸坝段的基础和底板混凝土施工,河水由原河床过流。根据《水电工程施工组织设计规范》( DL / T5397 - 2007) 中第 4. 3. 1 条的规定,将挡水建筑物级别确定为Ⅳ级,围堰按全年 10 a 一遇洪水流量设计,相应流量为 6 080 m3 / s[1]。该水电站的土石子围堰原设计为 2010 年一次度汛,后来因导流明渠存在弃渣场的问题,因此实际上是 2010 年和 2011 年两次度汛。
   根据该工程地形地质条件,参照相关工程实践经验,围堰堰型选择为土石子围堰,采用黏土心墙结合下[2] 。土石子围堰体型部塑性混凝土防渗墙联合防渗 结构简单,堰体的填筑料可就地取材,能够充分利用坝[3] ; 对围堰基础要肩开挖的弃渣,而且后期易于拆除 求不高,不需要开挖河床覆盖层,施工时可以使用大型机械设备,便于快速施工; 同时,也不需要另外修筑子围堰,可以节省工程投资。
   堰体施工内容包括塑性混凝土防渗墙施工、土石子围堰黏土心墙填筑、过渡料填筑和土石渣填筑,以及护坡格宾网笼施工等。
 
3、土石子围堰管涌抢险:
3.1、管涌险情简介:
   土石子围堰基础地质情况和地层结构相当复杂,地层中夹杂着大量的大块石、大孤石,包含有漂卵石层、中细砂层,还有人工回填层。进入 2010 年 4 月份汛期以后,受上游降雨深溪沟水电站关闸蓄水实验的影响,致使大渡河水位出现了剧烈变化,对子围堰的施工造成了严重的影响。
   由于河水水位剧烈变化,河水的反复涨落造成河岸塌陷,受左岸标段施工侵占部分河床的影响,束窄了原有河道,导致水面壅高,流速进一步加大,从而造成主河道向右岸偏移; 土石子围堰迎水侧的局部钢筋石笼护坡因砂卵砾石基础无法满足高速水流的抗冲要求,经水流冲刷淘蚀后发生了塌陷变形。2010 年 5 月 8 日凌晨 4: 00,在塑性混凝土防渗墙、上部黏土心墙及上游岩埂三者的交汇处,发生了管涌破坏。值班人员发现土石子围堰发生管涌破坏的情况后,立即向项目部指挥机关进行汇报。2008 年,贵州北盘江董箐水电站也是因为右岸岸坡与土石围堰下部的高喷防渗心墙和上部黏土心墙三者结合处发生严重渗漏,从而导致水淹基坑,致使正在施工的厂房被迫停工,而且使工期延误 1 a,损失惨重。因此,在接到值班人员的情况汇报以后,项目部高度重视,充分认识到事态的严重性,迅速制定了应急抢险方案,24 h 不间断地展开了抢险施工。图 1 和图 2 为土石子围堰管涌的破坏情况。
 
3.2、管涌抢险施工:
   根据对事故现场情况的查勘与分析,决定依据管涌渗漏点坡脚集水坑内汇水体积的变化,来测定其渗流量。同时,依据降雨、上游来水以及大渡河水位的涨落情况来进行评估和调整。
   ( 1) 立即对土石子围堰施工的现有临时建筑物进行改造,主要包括施工道路、施工供电、施工供水以及[4]模板加工厂等临时建筑物及设施的拆除和改建
   ( 2) 迅速加高渗漏部位所对应的碾压混凝土围堰,在碾压混凝土围堰与土石子围堰两者的下游端采用黏土填筑横堵,以使其形成封闭汇水区,避免管涌渗流进入正在紧张开展各项施工作业的基坑而污染工作面,甚至影响导流明渠底板混凝土的正常浇筑施
图 1	土石子围堰边坡管涌破坏情况
图 1 土石子围堰边坡管涌破坏情况
图 2	土石子围堰管涌破坏细部示意
图 2 土石子围堰管涌破坏细部示意

( 3) 在汇水坑内抛填块石,对土石子围堰背水侧边坡进行压脚,避免被管涌渗流进一步掏空从而引起
[6]
更大程度的塌坍 。
 
( 4) 对土石子围堰迎水侧的钢筋笼进行修复加固,并对渗漏段的钢筋笼灌注流态混凝土 ( 现场正在进行混凝土底板和闸墩的混凝土浇筑施工,因而具备混凝土的生产条件) ; 灌注完成后铺设土工膜,并用钢筋压条压紧,将其牢固地绑扎、固定在钢筋石笼上,最后在土工膜的外部喷混凝土进行放冲保护。
 
( 5) 对上游岩埂迎水侧的表面喷射 C20 混凝土封闭,以减少破碎岩体之间的绕渗。
 
3.3、施工布置:
    2010 年,枕头坝一级水电站导流明渠正处于紧张的开挖、支护和混凝土浇筑施工中,而开挖、支护和混凝土浇筑施工程序都离不开风、水、电,闸坝段的消力池基坑抽水必须连续 24 h 不间断,否则一旦水淹基坑就会影响到开挖和混凝土浇筑施工。原明渠基坑的开挖、支护和混凝土浇筑所使用的风、水、电设施均布置在明渠的土石围堰上,因此在对土石子围堰进行抢险修复、加固之前,必须加以改造再连接到各个施工工作面,待土石子围堰抢险修复加固工作完成以后,再恢复土石子围堰上的风、水供应设施以及模板加工厂等生产设施。

3.4、主要施工方法:
   对土石子围堰实施修复、加固施工的内容主要包括: 采用大块石护底护脚、防冲钢筋笼拆除恢复、修复施工、灌注流态速凝混凝土、土工膜铺设以及喷射混凝土施工等。
 
3.4.1、背水侧大块石护底护脚:
   对于土石子围堰管涌段背水侧的垮塌部位,首先抛填大块石,采用反铲整平,以使其形成钢筋笼施工平台,平台宽为 6 m,高为 4 m( 水下) ; 施工平台形成后即可进行首层钢筋笼码放,采用机械吊装分层码放。钢筋石笼规格为 2 m × 1 m × 1 m,按照设计坡度收坡共摆放 3 层,对于钢筋笼的内侧空洞部位,填筑易透水的砂卵砾石。
 
3.4.2、背水侧护坡施工:
   对于堰体内侧,根据设计修复断面尺寸分层、分台阶地进行土石料填筑。施工道路主要是利用土石子围堰堰顶道路。在渣场精选的土石料摊铺厚度应控制在80 cm 左右,采用小型推土机进行摊铺。18 t 的振动碾适用于对堆石与含有大粒径的块石进行压实,碾压时采用“进退错距法”碾压施工方法,平行于子围堰的纵轴线碾压 6 遍。在进行土石料填筑之前,应先将填筑坡面反铲整理成适合的台阶状,然后再逐层次填筑,对填筑坡面要比设计断面超填 30 cm,在适当高程处采用人工配合修整至设计坡度。
 
3.4.3、迎水侧钢筋笼修复与加固:
   对洪水中由于冲刷、下陷变形、损坏严重的钢筋笼全部予以拆除,钢筋笼的拆除主要采用人工拆除作业,反铲配合。对已拆除的钢筋笼,马上实施恢复,即采用新的钢筋笼来替换,人工配合小型反铲,装填块石,填满后再盖上钢筋网盖子,人工用扎丝与主筋绑扎牢固。对左右相邻的钢筋笼迎水面侧,用两道 12 号钢丝绳连接,上下相邻的钢筋笼迎水面侧,用一道 12 号钢丝绳连接成整体。
 
3.4.4、灌注流态速凝混凝土:
   受上游暴雨影响,大渡河水位急剧上涨,流量增大,致使土石子围堰岩埂与塑性混凝土防渗墙结合处出现管涌渗漏。根据现场情况,预计在大渡河主汛期,枕头坝会出现流速在 8 m / s 以上的洪水,这样就会超过子围堰迎水侧钢筋石笼的防冲设计允许流速 ( 7 m / s) 。钢筋石笼外侧护底护脚的大块石,虽然直径达1 m 以上,但是仍有被冲刷淘挖的可能,甚至会危及到钢筋石笼护坡的安全稳定。因此,提前用 C20 的流态速凝混凝土对钢筋石笼护坡进行灌注,使其固结成一体,这样既能提高抗冲能力,同时也增加了整个护坡钢筋笼的稳定性和抗渗性能。流态速凝混凝土用灌车进行运输,通过管道进行灌注。
 
3.4.5、迎水侧喷混凝土施工:
   在钢筋笼表面给予覆盖土工膜防护的基础上,为了降低钢筋石笼表面的糙率,尽可能地减小高速水流对钢筋石笼的冲刷破坏,在钢筋石笼的迎水面上喷射C20 混凝土,喷射厚度为 20 cm。这样处理具有以下 2个目的。
 
( 1) 利用土工布的迅速铺设,快速提高土石子围堰整体抗渗性能,满足管涌抢险施工需要。
 
( 2) 在土工膜表面喷射混凝土后,能够提高防冲的能力。
   土工膜提供柔性防渗,是为了适应钢筋石笼的沉降、塌陷变形,弥补喷射混凝土变形能力的不足,因为一旦开裂就会造成渗漏的缺陷。此外,对上游岩埂的迎水侧表面也实施了喷射混凝土进行封闭,以防止发生破碎岩体裂隙渗漏和绕渗。在喷射混凝土的工作面附近,布置有空压机和喷射机,利用小型拌和机按配合比拌料,人工进行喷射。
 
4、土石子围堰整体加固:
   对土石子围堰进行的抢险加固施工所包含的( 如钢筋笼的铺设、黏土心墙的填筑以及土石料的填筑等) 全部抢险项目基本上要求同时完成。管涌险情得到控制以后,在汇水基坑内开挖集水井进行抽排,避免水位漫过二期碾压混凝土围堰的堰顶。在渣场内选用渗透性、稳定性较好的开挖土石渣料,恢复土石子围堰内侧的设计开挖坡度,并局部埋设加劲钢筋进行防护。对上游岩埂、塑性混凝土防渗墙以及黏土心墙三者结合交汇部位的管涌渗漏点,则采用控制性灌浆进行完全封堵。
   由于土石子围堰地质结构为砂卵砾石以及黏土心墙,利用其他钻机成孔比较困难、效率比较低下,因此,采用的是 351 潜孔钻跟管钻进的方式,因而大大提高[7 - 8] 。施工前期,在堰顶分 3 序布置双排了成孔效率 孔,孔距为 1 m、排距为 0. 8 m,而且以原混凝土防渗心墙为轴线,两侧呈梅花型布孔。
( 1) 灌浆次序。根据自下游至上游先施工背水排,再施工迎水排的顺序,按照Ⅰ序孔→ Ⅱ序孔→Ⅲ序孔先后进行施工。
( 2) 灌浆方法。采用套管护壁自下而上、分段 ( 段长为 1. 5 m) 的纯压式灌浆。
   稻草、锯末作为骨料,同时视情况掺入较少量的水玻璃。鉴于普通灌浆泵无法满足送浆要求,因此,对灌浆泵选用了螺杆灌浆泵。实践证明,选择螺杆泵灌浆是完全正确的。
   此次共完成抢险防渗灌浆 45 孔,共计 427. 5 m; 注浆净消耗干水泥( P. O42. 5 水泥) 427 t。从后期灌浆的情况来看,3 序孔的吸浆量已经很小,而且只能灌注浓度较低、不加外加剂的纯水泥浆,才能满足防止渗漏的要求。
 
5、应急抢险效果评价:
5.1、控制性灌浆施工:
   控制性防渗灌浆施工是采用的 CM351 高风压钻机钻孔、套管跟进,螺杆泵注浆临时防渗,灌浆材料为水泥、黏土、稻草以及外加剂等。从完成的钻孔灌浆段防渗效果来看,在洪峰水位( 595. 6 m 高程) 时,该段未出现渗水,说明灌浆防渗效果良好。
 
5.2、土石料填筑压脚护坡施工:
   采取用渣场挖运回来的土石料进行压脚护坡,土石料为玄武岩土石料,粒径小于 800 mm; 土石料具有透水性,压实后的渗透系数大于 10 - 2 cm / s 量级。实际施工时,所填筑的坡比接近 1∶ 2,护坡高程达到高程602 m。土石子围堰安全稳定地度过了整个汛期。
 
5.3、迎水侧钢筋石笼加固施工:
   在灌注混凝土和喷射混凝土的双重保护下,整个汛期安全过流,未出现被高速水流撕裂的破坏状况,钢筋石笼整体安全稳定。由于增加了土工膜防渗层,土石子围堰整体没有发生渗漏。
 
6、经验教训:
   在原设计水力条件下,原设计的土石子围堰方案因局部砂卵砾石地基抗冲能力不足而发生了塌陷变形; 同时由于左岸标段施工侵占了河床,导致河床束窄,流速加快,致使主河床向右岸堆移,从而对右岸土石子围堰堰脚的掏刷程度进一步加剧,使原有土石子围堰设计水力学条件发生极大的改变; 同时,由于上游瀑布沟和深溪沟 2 座水电站发电的需要,使枕头坝一级水电站导流明渠段的水位无法恢复到 2010 年前期的枯水位,致使护坡钢筋石笼及大块石护脚绝大部分被掩埋在水面线以下,甚至部分被冲走,从而导致发生局部管涌破坏的情况。

7、结 论:
   综上所述,枕头坝一级水电站导流明渠土石子围堰工程施工工作面狭窄、项目多、工序繁杂、交叉作业、相互干扰大以及工期紧,而且统筹规划要求高。通过对枕头坝一级水电站土石子围堰抢险加固施工的实践,可以归纳总结如下。
 
( 1) 上游岩埂、塑性混凝土防渗墙、黏土心墙三者结合部位为关键的软弱点,在其交汇处,由于三者的材料性能和结构应力应变不一致,因此对细部处理施工方面的要求比较高。根据坍塌部位的照片可以看出,由于对三者结合部位的施工质量没有进行强化处理,因而使该部位的大量原始砂卵砾石料基础没有给予置换。而砂卵砾石料渗透性强,特别是在三者的结合部位,普通夯碾设备难以压实致密,因而稳定性差,造成的后果是三者结合处的软弱部位的黏土心墙在渗透水的压力下首先发生破坏性形变,最终导致土石子围堰发生局部集中渗漏、管涌,并在管涌破坏后造成土石子围堰边坡坍塌。
 
( 2) 各参建单位需要时刻保持与水文和气象部门的紧密联系,实时互动,做到水情、汛情先知道,度汛物资材料提前准备好; 施工排水早规划( 因为在实际施工过程中,对于度汛要求增加的电线管路等,会对正常的施工生产布置产生很大的干扰,必须提早布置,及时迁改) ,电力线路双回路,抽水能力强布置; 建设、设计、施工多方参与,深入施工第一线,及时研究,共同谋划,施工组织、专题方案必须精益求精,分析问题应深入完善,细节问题必须盯紧盯牢,时刻谨记“千里之堤毁于蚁穴”的道理,重视围堰防渗体的结合面,对于接头部位、工序衔接等施工重点必须实施标准化处理,把好质量验收关,做到能以较小的施工投入,保障整个工程的总体功能和效益的如期实现。
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