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水利施工

土石坝枢纽中遇到不可开挖地形,坝下涵管是最合适的施工方式

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在土石坝枢纽中,当由于两岸地质条件或其他原因,不易开挖隧洞时,可以采用在土石坝下埋设涵管的方式来满足泄水、引水的需求。我们一起来学习下这个水工建筑的施工技巧。

  一、坝下涵管的特点

  与在山岩中开挖隧洞相比,坝下涵管不需要开山凿洞,结构简单、施工方便、工期较短、造价也低,因此在中、小型工程中使用较多。同时,坝下涵管的进口通常在水下较深处,也是属于深式泄水或放水建筑物。因此,其工作特点、工程布置、进出口的形式与构造等方面与水工隧洞均有相似之处。但是,坝下涵管的管身埋设于土石坝坝下,穿坝而过,如设计施工不良或运用管理不当,极易影响土石坝的安全。根据国内外土石坝失事资料的统计分析表明,坝下涵管的缺陷是引起土石坝失事的重要原因之一。涵管的材料与土石坝的填土是两种性质差别较大的材料,如果两者结合不好,水库中的水就会沿管壁与填土之间接触面产生集中渗流,引起管外填土的渗透变形,特别当涵管由于坝基的不均匀沉陷或连接结构等方面原因,发生断裂、漏水时,后果更加严重,甚至导致坝体的失事。因此在坝下涵管的设计、施工中必须采取适当的措施,做到管身与周围土体的紧密结合,加强管身的防渗处理,保证坝下涵管及坝体安全可靠运行。对于高坝或多地震地区的坝,应尽量避免采用坝下涵管。

  二、坝下涵管的位置选择

  坝下涵管的线路选择及工程布置的一般原则为经济合理、安全可靠、运行方便。在进行坝下涵管的位置选择时,主要应考虑以下几个方面的问题。

  1.地质条件

  应尽量将涵管设在岩基上。如不可能时,对于坝高在10m以下的涵管也可设于压缩性小、均匀而密实的土基上,但必须有充分的技术论证。涵管上部所受的外荷载沿管轴线方向变化较大,将可能产生不均匀沉陷,而引起管身断裂,因此,必须避免将管身部分设于岩基上、部分设于土基上,以防止因地基的不均匀沉降而使得管身断裂。不得将涵管直接建在坝体填土中。在进出口的位置,要注意山坡地质的稳定性,防止山坡塌方堵塞涵管。

  2.地形条件

  涵管应布置在与进口高程相适应的位置,以免增加过多的挖方工程量。涵管进口高程的确定,可根据运用要求、河流泥沙情况及施工导流等因素来考虑。

  3.运用条件

  涵管的布置要尽量从方便运用来考虑,引水灌溉的坝下涵管最好与灌区布置在同一岸侧,如两岸均有灌区,可在两岸各设一个涵管,以免修建过河交叉建筑物。涵管不宜离溢洪道太近,以免泄水时相互干扰。

  4.水流条件

  涵管的轴线应为直线,且与坝轴线垂直,以使水流顺畅,并缩短管线,减小工程量,降低水头损失。当为了适应地形、地质的变化,涵管必须转弯时,轴线应以光滑曲线连接,其转弯曲率半径应大于管径的5倍。

  在进行涵管布置时,应综合考虑以上条件,并注意与其他建筑物之间的相互位置关系,拟定若干方案,经过经济技术比较后加以确定。

  三、坝下涵管的进出口建筑物

  1.进口建筑物

  坝下涵管多见于小型水库,且涵管多用于引水灌溉,因此其进口建筑物最好选择分层取水的结构形式,以便在引水灌溉时引取水库表层温度较高的清水,有利于农作物的生长。

  (1)分级卧管式。此种进口形式广泛地应用于引水灌溉工程中,它是由斜卧在坝前岸坡上的进水卧管、卧管下部的消力井组成的。在卧管上设有多级台阶,每个台阶上设圆孔进水口,孔径10~50cm,用木塞或平板门控制引水。卧管应布设在坚实的地基或岩基上,坡度不宜太陡,坡度以1∶2.5~1∶3为宜,以免水流过急影响管身稳定,卧管上端应高于最高水位,并在顶端设通气孔,以保证管内的无压水流状态。引水时,打开靠近水面的进水孔,使表层水进入卧管,并经底部的消力井消能后较平稳地转向,流入坝下涵管。

  这种形式的进口建筑物结构简单、施工方便,由于卧管内的水流为无压流,对于小型工程,可以使用浆砌石块、条石来修建,可就地取材,降低造价。同时,引取水库表层温度较高的水,对农作物生长有利。但缺点是孔口较多,容易漏水,且闸门运用管理不便,对引水流量不易准确控制。

  (2)塔式。这种进口形式与隧洞的塔式进口建筑物基本相同。考虑到引水灌溉的要求,大多做成分层取水的封闭塔。塔的位置可有三种布置方式,第一种是将塔布置在坝体内靠近坝顶附近,优点是塔身受风浪、冰冻的影响小,稳定性好,产生不均匀沉陷和断裂的可能性小,交通桥短。但由于塔身位于坝体中部,如果塔身与涵管的结合处漏水,将会引起坝体的渗透变形,而且塔的上游侧涵管检修不便,塔的下游侧较短,可能会出现渗径不足。另一种布置方式是将进水塔布置在上游坝脚处,其优缺点与上述布置恰恰相反。还有一种布置方式是将塔设在前述两种位置之间,由于这种方式容易造成塔身与斜墙防渗体结合部的漏水,因此这种方式不适用于斜墙坝。

  (3)斜拉闸门式。沿库区山坡或上游坝面布置斜坡,在斜坡上设置闸门运用的轨道,进水口在斜坡的底部,启闭机安装在山坡平台上或坝顶。这种布置方式的特点是构造简单、操作方便、造价低、启闭力小,但由于闸门是倾斜安置,不易利用自重来关闭闸门,检修困难。对于多泥沙河流及水头较高时不宜采用。

  塔式进口布置图(单位:m)

  1—工作桥;2—通气孔;3—控制塔;4—爬梯;5—主闸门槽;6—检修门槽;7—截水环;8—伸缩缝;9—渐变段;10—拦污栅;11—黏土心墙;12—消力池;13—岩基;14—坝顶;15—马道;16—干砌石;17—浆砌石;18—黏土

  斜拉闸门式

  1—斜拉闸门;2—支柱;3—通气孔;4—拉杆;5—混凝土块体;6—截水环;7—涵管;8—消能井

  2.出口建筑物

  坝下涵管的出口建筑物包括渐变段及消能设施两部分。渐变段的构造与隧洞相同,由于涵管的流量不大、水头较低,涵管出口的消能方式往往为底流式水跃消能方式。

  四、坝下涵管的管身形式及构造

  1.坝下涵管的管身形式

  坝下涵管也分为有压涵管与无压涵管两种类型。从防止管身漏水以免影响土石坝安全来考虑,最好将涵管做成无压的。管身断面通常有圆形、矩形及拱形等。

  2.坝下涵管的构造

  为了防止管身的不均匀沉陷,避免产生集中渗流,在管身一般均设有伸缩缝、管座、截水环、涵衣等设施。

  (1)伸缩缝。为了适应地基沉降变形、管身伸缩变形及施工能力的要求,需在涵管的轴线方向分缝。为了适应地基的变形,铺设在土基上的涵管需设沉降缝。在良好的岩基上,虽然不均匀沉降的影响很小,但由于地基对管身的约束作用,也可能使管身在温度变化时产生横向裂缝,故需设温度伸缩缝,一般将温度伸缩缝与沉降缝统一考虑,称为温度沉降缝。对于现浇混凝土管,缝的间距一般不大于3~4倍管径,且不大于15m,预制管的接头即为伸缩缝。缝宽一般为1~3cm。缝内必须做好止水。

  (2)管座。管身应放在较坚实且稳定的地基上,为防止地基因受力不均而产生不均匀沉降导致管身断裂,一般不宜将管身直接布置于土基上,更不允许将管身置于坝体的填方上。

  当地基比较软弱时,应将管身置于用浆砌块石和混凝土做成的刚性管座上,管座与管身接触面所形成的包角一般为90°~135°,当竖向荷载较大时,可采用180°包角。管座的厚度一般为30~50cm。在管座与管身的接触面上,涂以沥青或铺上沥青油毡垫层,可减小管座对管身的约束,避免因管身纵向变形而导致管身出现横向裂缝。

  (3)截水环。为了防止沿管道外壁发生集中渗流,常在管壁外围设置截水环,以达到改变渗流方向,增加渗径,减小渗流的目的。

  截水环的布置位置可根据坝型及上堵下排的防渗原则来定。对于黏土心墙坝或黏土斜墙坝,常将涵管通过防渗体的局部加厚,在两者相交处设2~3道截水环。对于均质坝,在上游侧及坝轴线位置设2~3道截水环,下游侧不必设。

  截水环宜设在两伸缩缝之间,以减少截水环对管身纵向变形的约束作用。

  (4)涵衣。工程实践经验表明,涵管与坝体的接触面是防渗的薄弱环节,为了更有效地防止集中渗流,通常在涵管周围1~2m的范围内,回填黏性土做防渗层,这个防渗层称为涵衣。涵衣与砂性坝壳之间应设过渡层。

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