哈达山水利枢纽工程中混凝土模袋的设计与施工

许经宇，左明利，宁鹏飞，陈中竹

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

哈达山水利枢纽工程由坝区枢纽工程、防护区工程和输水工程组成。坝区枢纽工程由混凝土重力坝连接段、河床式电站、溢流坝、取水及门库段、粘土均质坝等组成，防护区防护工程由防护堤、强排站、灌溉涵洞和排水沟等组成，输水工程包括渠首闸、输水干渠及其交叉建筑物等。输水干渠全长95.93 km，渠首设计流量为175 m3/s，全线横断面均采用梯形明渠输水断面，渠道边坡采用1∶2.5。

1 衬砌形式的选择

输水干渠全长95.93 km，渠道33+623.18～96+742.03段，多为全挖方渠道,渠底岩性主要为黄土状壤土、粘土、极细砂组成，黄土状壤土、粘土属于粘性土，含水率较高，壤土的渗透系数为3.12×10-5，黄土状壤土的渗透系数为5.08×10-5，且壤土和黄土状壤土层厚度都在5 m以上，属于强冻胀土，存在冻胀和冻融脱坡问题。又由于干渠在该渠段地下水位均在渠道底板以上，最高的为渠道底板以上5 m左右，导致冻胀问题更为突出，因此该渠段衬砌的设计不仅要满足抗滑稳定等要求，如何解决冻胀问题更是工程设计的重中之重。该段衬砌工程量近193万m2，在工期短，工程量大的情况下保证施工进度也是衬砌形式选择的一个重要方面。通过多个方案的比选和综合考虑，该渠段衬砌材料选用适应冻胀变形的铰链式内纶模袋混凝土柔性护坡型式[1]。

2 设计方案

2.1 厚度计算[2]

1）抗漂浮厚度计算

式中：c——面板系数，大块混凝土护面，c=1，护面上有滤水点，c=1.5；Hw，Lw——波浪高度与长度，m；Lr——垂直于水边线的护面长度，m；m——坡角的余切；γc——砂浆或混凝土有效容重，kN/m3；γw——水容重，kN/m3。

2）抗冰推所需厚度计算

式中：δi——冰层厚度，m；Pi——设计水平冰推力，有资料建议初设取150 kN/m2；Hi——冰层以上护面垂直高度，m；Ccs——护面与坡面间粘着力，150 kN/m2；fcs——护面与坡面间摩擦角；Fs——安全系数，一般可取3。

3）抗滑稳定计算

式中：L2——坡角以下水平护面长度，m；L3——护坡上模袋斜向长度，m；α——坡角；fcs——模袋与坡面间摩擦系数，应由试验测定，无试验资料时，可采用约0.5；Fs——安全系数，可取1.5。

根据上述计算，对于桩号33+623.18～96+742.03的强冻胀土渠段，渠坡采用12 cm厚铰链式模袋混凝土防护，模袋的规格2 m×2 m，强度等级C20，抗冻等级F200，模袋板块间采用尼龙绳连接，垂直水流方向为2根φ10的尼龙绳，顺水流方向为1根Φ8的尼龙绳。在坡脚设现浇混凝土脚槽，坡脚脚槽底宽0.5 m，深0.8 m，脚槽混凝土的强度等级C20、抗冻等级F200；护砌坡顶设混凝土封顶，强度等级C20、抗冻等级F200。在铰链式模袋混凝土护坡下设无纺布，无纺布规格为300 g/m2。其具体形式见图1。

图1 模袋混凝土护坡示意图

3 施工工艺

1）施工准备[3]。包括备足所需材料和设备、平整坡面、现场就位、放线定位、开挖顶脚基槽、测量水下施工水深和流速等。泵送施工主要设备是混凝土（砂浆）搅拌机和混凝土（砂浆）泵等。

2）铺设模袋[3]。机织模袋应在各片连接的底面铺非织造土工织物。各片间连接底面的非织造土工织物采用缝接或搭接，搭接宽度20～30 cm，土工织物在坡顶处可用8号铁丝制成的“n”形钉固定。顺水流方向铺土工织物时，搭接带亦应固定。简易模袋先铺设非织造土工织物滤层，然后在其上铺模袋。一次铺设土工织物面积的大小根据充灌施工进度确定。

3）模袋混凝土充灌[3]。施工时应采取措施尽量缩短泵送软管长度，中间以短硬管相连，变换灌口时将管口堵上以减少水泥浆流失，并尽量减少软管的弯折和颤动，保证顺利泵送。

a）为防止堵塞事故，应随时检查混凝土级配和坍落度；防止过粗骨料进入和堵塞管道；防止泵人空气，造成堵管或气爆；充灌应连续，停机时间一般不得超过20 min。

b）泵与充灌操作人员之间应随时联系，紧密配合，充灌到位后及时停机，以防充灌过程产生鼓包或鼓破。出现鼓胀时，应及时停机，查找原因并处理。

c）随时检查坡顶钢桩是否牢固，以防充灌过程中模袋下滑。灌完一片后，移动设备，按上述步骤进行下一片的充灌施工。应特别注意两片间的联接、靠紧。

4）养护。全部护坡施工完成后，进行坡顶、坡脚和上下游两侧接头的回填处理，同时进行护面混凝土的养护。一般养护期为7 d，要求在此期间护坡表面处于润湿状态。

5）模袋混凝土标号及材料。模袋混凝土强度等级为C25，抗冻标号为F300，抗渗标号为W6。混凝土塌落度为23±2 cm。

水泥采用强度等级42.5的普通硅酸盐。为提高模袋混凝土的抗冻性，施工时要求在混凝土中掺加适量的外加剂。

模袋采用有排水点的丙纶编制布机制模袋。模袋混凝土护坡的平均厚度为120 mm，展开模袋，在其上、下缘插入挂袋钢管，扎紧灌料口，移至坡面；设上缘固定桩和松紧器，并将其从坡上往坡下铺放。充填混凝土利用特制的灌料泵，搅拌好的混凝土应做坍落度试验，混凝土坍落度要严格控制在23±2 cm范围内，充填自下而上，按左、中、右灌入孔次序充填，充填约1 h后即可清除模袋表面漏浆，进行下一道工序。模袋内灌注混凝土后，底面两侧必须是紧贴坡面，不能有跷起现象，试验合格后才可由相应厂家成批生产采购。模袋护坡的侧翼设压袋沟，深度为0.80 m，下底宽为0.5 m，用水泥砂浆压模袋。水泥砂浆标号为M7.5，水泥采用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，沙子采用中粗砂。

模袋内垂直水流方向设置φ10 mm丙纶长丝绳，间距0.6 m。

4 结语

哈达山水利枢纽工程输水干渠长50 m的混凝土模袋试验段于2008年完工，经过3年的过水运行，外观、整体稳定性表现良好。混凝土模袋还有着适应变形能力强，外形美观，造价低廉，施工工艺简单，衬砌速度快等优点。在哈达山输水干渠施工过程中，每天可衬砌200～300 m，是普通混凝土板块衬砌速度的1.5～2.5倍。因此，混凝土模袋在哈达山水利枢纽工程中的应用，为我国北方，尤其是冻胀问题突出的东北严寒地区的长距离输水渠道衬砌设计提供了科学的参考依据，同时也使哈达山水利枢纽工程发挥了更好的社会效益和经济效益。

[1]控导工程铰链式模袋混凝土沉排[J].吉林水利，2009（1）.

[2]SL/T 225-98，水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].

[3]包承纲.堤防工程土工合成材料应用技术[M].北京：水利水电出版社，1999，12.