梨园导流洞永久堵头排水管封堵处理

梨园水电站导流洞堵头排水管封堵事故处理

刘永波许霓欧岗

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司）

摘要：梨园水电站导流洞永久堵头接缝灌浆完成后，堵头下部预留的DN300排水管为避免锈蚀，需关闭出口闸阀并灌注浓水泥浆填实，灌浆过程中排水管出口明杆闸阀的闸板在灌浆脉动压力下无预兆突然破坏，无法形成静水环境填充浓浆的实施条件，需采取其它封堵方案进行处理。根据现场实际情况，采取了排水管套接自制闸阀管临时止水，然后浇筑大体积闷头混凝土埋封的处理措施。本文详细介绍了该处理措施的具体方案，并探讨从中得到的启示。

1工程简介

梨园水电站位于金沙江中游河段，工程以以发电为主，兼有防洪、旅游等综合效益，正常蓄水位1618m，库容7.27亿m3，装机容量2400MW。电站枢纽由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、左岸泄洪冲沙洞、左岸引水系统、地面发电厂房等建筑物组成。

梨园水电站采用全年围堰一次断流、右岸两条导流洞泄流的导流方式。导流洞进口高程1497m，出口高程1495m，均为圆拱直墙形断面，衬砌后净空尺寸15×18m。导流永久堵头位于大坝帷幕线下游56m处，为瓶塞式实体混凝土结构，长度35m；由于下闸后水库水位上升较快，为确保永久封堵体施工安全，在永久堵头上游迎水面处增设一道混凝土临时堵头，临时堵头长度20m。

2排水管注浆施工事故及原因分析

2.1注浆封管事故过程

本工程于2014年11月10日下闸，同年11月底临时堵头浇筑完成；2015年1月中旬永久堵头浇筑完成，6月上旬堵头接缝灌浆完成，具备堵头下部排水管封堵条件。每个堵头在其下部设置了两根DN300排水管，用以排除施工期间的积水，排水管进口设置逆止阀，出口设置手动明杆闸阀，关闭出口闸阀后，管内形成静水条件，然后压入0.5:1浓水泥浆填充全管。排水管布置见图1所示。

封管注浆系统设置在排水管出口，6月11日上午开始压浆作业，期间上游水位与库水位1618m一致（进口闸门严重漏水），挡水水头约127m。经试验，灌浆压力取1.4MPa可压入浓浆置换管内积水，注浆开始仅10min左右，出口闸阀闸板即突发大变形，喷涌而出的高压水流瞬间冲出尚未凝固的水泥浆液，灌浆封管作业宣告失败。

图1 导流洞排水管示意图

2.2原因分析

封堵体方案设计为临时堵头与永久堵头分离布置，临时堵头布置在大坝帷幕轴线上，与下游永久堵头间隔约50m，二者之间洞室空腔储水容积约1.2万m3，注浆前先全开出口闸阀放水以降低上游水位，正常情况下可为注浆堵管作业提供约24～36h的低压注浆时间。后经专家审议，有关单位自行调整为临时堵头与永久堵头合并布置，造成排水管封堵时无法降低上游水位的困难局面，却未相应更换高一级工作闸阀。实测上游水位与库水位1618m一致，挡水水头约127m，进口逆止阀最大工作压力为4.0MPa、出口闸阀最大工作压力为1.6MPa，实际采用的平均灌浆压力为1.4MPa，由于柱塞式灌浆泵固有的压力脉动性特点，最大脉动灌浆压力高达2.0～2.2MPa，远远超出闸阀允许工作压力，闸阀破坏从而导致压浆失败的施工事故。

3排水管封堵事故处理

3.1总体方案

由于永久堵头主体已经施工完成，阻断了从排水管进口关闭的通道条件；高水头高流速情况下也不具备从灌浆廊道钻孔进入排水管注浆封堵的可行性，因此

只能考虑从排水管出口工作面着手进行处理。处理方案应满足以下总体要求：

1、满足带压封堵要求；

2、满足封堵体结构强度要求；

3、满足长期运行安全和耐久性要求；

4、满足施工安全可行和工期短的要求。

根据上述总体要求并结合现场实际情况，处理方案为首先在出口处焊接自制封口钢套管止水，然后再浇筑闷头大体积混凝土埋封加固。

封堵方案示意见图2。

图2 排水管封堵方案示意图（半剖面）

3.2封口钢套管

封口钢套管主要起到临时带压封闭排水管，为后续闷头混凝土施工创造条件，不考虑长期运行影响。设计要点如下：

1、钢套管最小尺寸根据排水管及闸阀实体的封闭及加工、焊接等施工要求综合确定，在满足上述条件情况下，尽量取较小值。套管尺寸实际取值为净空直径800mm，长度1000mm，采用Q235材质钢板卷焊。

2、套管筒体钢板厚度根据公式δ=P·r/（γ0Ψγdσ0）计算，计算最小厚度为2.7mm，实际选用钢板厚度4.0mm。

3、套管与排水管连接面的环向焊缝强度采用公式σt=F/（L×δmin）复核，计算焊缝强度为σt=166MPa≥[σt]=142 MPa，需对称设置4块加固连接板。

4、经结构复核计算，套管筒体无需设置加劲环。

5、为满足套管施工的无水焊接环境，需在套管底部设置2套闸阀排水，焊接完成后再关闭，确保闷头大体积混凝土干地浇筑。

套管结构见图3。

图3 封口钢套管示意图

3.3大体积闷头混凝土

封口钢套管施工完成并排除积水后，即可立模浇筑闷头混凝土，设计要点如下：

1、混凝土配合比及材料

1）混凝土性能设计除满足强度要求外，还应满足长期运行的耐久性和抗渗性要求，设计标号为C2820W8F100。

2）洞内空间较小，采用混凝土泵车入仓，通过优化混凝土配和比以满足泵送混凝土对和易性的要求：粉煤灰等量替代法掺量15%，掺减水剂后最大水灰比0.55，塌落度120～160mm。

3）二级配混凝土，采用下咱日砂石系统生产的优良人工砂石料拌制；水泥选用P.O42.5中热硅酸盐水泥。

2、稳定及应力计算

混凝土闷头整体稳定及结构应力分析分别采用刚体极限平衡法及三维有限元法进行计算。

1）整体稳定

抗滑稳定计算公式：γ0ψS(?)≤R(?)/γd

式中，作用效用函数S（·）＝∑P R

抗力函数R（·）＝f R∑W R+C R A R

考虑到施工及混凝土收缩等因素，闷头与原衬砌边墙接触面质量不易保证，忽略该接触面黏聚力和摩阻力；由于洞内渗渗水影响，底板汪水排除不尽，可能

形成低黏聚弱面，为确保安全，作用效应不计入黏聚力，仅考虑闷头混凝土在自重作用下的摩阻抗力，摩擦阻力系数f R取0.6。

经计算，混凝土闷头最小几何尺寸为6m×4m×4m（长×宽×高），确保排水管（含封口套管）全部包在混凝土内，且套管在混凝土闷头内各个方向埋藏厚度均不小于2m。

图4 闷头大体积混凝土几何尺寸图

2、应力分析

闷头混凝土为非杆体系的大体积结构，采用三维有限元软件进行应力分析。

计算模型采用混凝土专用单元SOLID65模拟，考虑套管锈蚀失效情况下127m水头的内水均布荷载作用在闷头内部空腔，闷头底板（与原衬砌接触面，Y向）及尾部（与堵头接触面，Z向）施加法向约束。

有限元分析几何模型见图5。

图5 闷头大体积混凝土计算模型

根据计算结果分析，闷头空腔在内水均布荷载作用下变形较小约0.6mm；最大压应力1.54MPa，在允许抗压强度9.6MPa以内；最大拉应力1.79MPa，超过允许抗拉强度1.1MPa，需通过结构配筋解决。

闷头混凝土应力及变形云图见图6～7。

图6 第一主应力云图

图7 第一主应力沿轴线水平切片

3、结构配筋

由于混凝土材料力学性能非均质特点，在内水荷载作用下，空腔周壁出现应力集中点，最大拉应力1.79MPa，远远超过允许拉应力值，将引起局部塑性变形或开裂，需对局部受拉区适当配筋，约束混凝土塑性变形，形成三向受压应力状态，提高结构抗拉抗裂能力，确保闷头结构长期运行安全。

大体积混凝土局部受拉钢筋配筋按混凝土设计规范推荐公式计算，并按最小配筋率ρmin≥0.2%进行复核。

局部受拉区钢筋最小面积A s,min=k c kf’t A c/f y

式中，k c、k为应力分布系数、应力非线性调整系数，分别取1.0、0.5；

f‘t、f y为混凝土抗拉强度、钢筋抗拉强度设计值，分别取1.1MPa、335MPa；

A c为局部受拉区面积，mm2。

根据配筋公式及有限元应力云图计算，需在空腔外侧2.2m长度范围内配置环向箍筋，直径18mm，间距200mm，保护层厚度5mm；在空腔外侧3.6m长度范围内配置纵向钢筋，直径18mm，间距200mm。

结构配筋见图8。

图8 受拉区配筋示意图

4、止水处理

由于不具备排水管管内灌浆填实施工条件，为防止管内高压水体沿混凝土接触界面持续出渗，影响长期运行安全，需采取可靠的止水防渗处理措施，具体要求如下：

1）新老混凝土界面凿毛加糙，改善缝面结合性能；

2）在闷头与后方混凝土堵头界面设一排跨缝插筋，限制裂缝开度；

3）在排水管上距后方混凝土堵头0.5m处设置一道Ф800mm止水环；

4）排水管外壁包裹一层混凝土面板嵌缝用柔性自封闭止水材料。

5 结语

梨园水电站导流洞堵头排水管封堵事故采取上述处理措施，从闷头内预埋的渗压计和钢筋应力计反馈数据分析，封堵结构带压运行安全可靠，取得了满意的效果。

根据本次排水管封堵事故分析和处理过程，得出几点经验可供今后类似工程

参考：

1、排水管后期封闭如采用灌浆填实方式处理，需考虑到灌浆脉动压力的影响，建议在设计水头基础上，进出口阀门工作压力应提高一级；

2、为降低封堵施工风险，也可考虑仅在排水管末端设置一道闸阀，后期带压关闭，直接浇筑大体积闷头混凝土封闭。