施工导流课程设计 张翼鹏共26页文档.docx
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1.基本资料
1.1枢纽及其布置
永安水电站枢纽建筑物主要由拦河坝、坝后式引水发电系统、右岸溢洪道、冲沙泄洪底孔等永久建筑物组成。
拦河坝为碾压混凝土重力坝,坝顶高程1424m,最大坝高158m,坝顶长度640m。
坝体上、下游面为变态混凝土防渗层,中间部位为碾压混凝土。
从左至右依次为混凝土键槽坝段,左岸非溢流坝段,河床坝段,左岸冲沙底孔坝段、电站进水口坝段、右岸泄洪(冲沙)底孔坝段,右岸溢流坝段,右岸非溢流坝段。
非溢流坝段坝顶宽度12m。
溢流表孔堰顶高程1394m,采用WES堰型,孔口尺寸为4-14m×20m。
堰后接泄洪明槽,设中隔墙,出口采用挑流消能。
左岸冲沙底孔进口底高程1322m,孔口尺寸为5m×8m。
右岸两孔泄洪(冲沙)底孔进口高程1335m,孔口尺寸为5m×8m。
电站进水口为立式坝面进水口,进口高程1370m,进水口段坝顶宽度26m。
引水道采用单机单管引水,管径10m,为钢衬压力半背管,外包2m厚钢筋混凝土。
坝后主厂房尺寸为224m×28.9m×72.3m(长×宽×高),从左至右依次布置安装间、主机段及副安装间,厂房一次建成,一期先行安装4台机组,水轮发电机组安装高程1286.00m,发电机层高程1303.50m,机组间距30m。
水机副厂房布置在下游尾水管上方,电气副厂房、中控室及GIS大厅布置在上游,厂坝间设主变压器平台,出线场位于GIS楼顶。
永安碾压混凝土重力坝共包含21个坝段,其中河床中部为厂房坝段,左右两侧为非溢流坝段,溢流坝段位于河床右侧,厂房坝段与非溢流坝段之间为冲砂坝段。
大坝混凝土量为365.33万m3,其中碾压混凝土270.75万m3,常态混凝土94.58万m3。
进厂交通布置在左岸,采用隧洞(8m×9m)从安装间端进主厂房。
1.2工程施工条件
1.2.1地形地貌
本工程枢纽区位于五郎河河口及金安大桥上游2.5km河段,坝址基岩裸露,其岩性以玄武岩为主,中间夹有火山角砾熔岩和凝灰岩。
岩体强风化带深度6m~20m,弱风化带深度20m~50m,河床冲积层厚5.5m。
枯水期河水面高程1294m,水面宽60m~100m,水深约10m。
河谷呈“V”型,为纵向单斜谷,两岸地形基本对称,山体雄厚,地形陡峻,两岸约在高程2000m以上地势才渐缓。
因受流层产状和顺河向陡倾角结构面影响,两岸岸坡多形成阶梯状地形。
左岸为顺向坡,在1420m高程以下总体坡度40°~45°;高程1420m~1475m为一长约600m,宽150m~200m的缓坡,坡度约20°~25°;高程1475m~1600m地形较陡,分布有30m~40m高的陡崖;高程1600m~1825m地形较缓,坡度约20°~25°。
右岸为逆向坡,在高程1320m~1350m之间为长约1500m,宽100m~170m的平缓台地;1350m~1600m高程之间地段山坡,坡度30°~40°;1600m~1700m高程之间分布有高50m~80m的陡崖,因冲沟切割,附近陡崖三面临空。
枢纽区地段无深切冲沟,但浅沟发育,左岸有5条,从上游至下游编号为1#、3#、5#、7#、9#;右岸7条,从上游至下游编号为2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#。
冲沟方向与河流方向近于垂直,多为季节性流水,仅5#、12#冲沟枯期有极少量流水。
左岸冲沟直达江边,沟口无洪积物堆积;右岸冲沟多表现为中部切割相对较深,而沟口切割较浅,一般在台地后缘形成小型洪积扇后呈片状水流汇入金沙江。
1400m高程以下零星分布有Ⅰ、Ⅱ级河流基座阶地,主要分布在右岸。
Ⅰ级阶地高出河水面约10m;Ⅱ级阶地高出河水面30m~45m,因受后期剥蚀,阶地面上仅残留少量冲积物。
根据永安电站地形特点,施工场地主要考虑利用下游金安大桥附近、五郎河口左右岸及右岸丽永公路两旁的山坡布置,施工弃渣拟主要堆放在坝址下游沿江两岸及右岸上游美河中。
1.2.2工程地质
(1)地层岩性
坝区出露地层主要为二迭系上统玄武岩组上段(P2β3),岩性有玄武岩、杏仁状玄武岩、火山角砾熔岩和凝灰岩。
在右岸高处分布有二迭系上统黑泥哨组(P2h)地层。
第四系地层在坝区也分布较广。
(2)地质构造
枢纽区岩层呈单斜构造。
玄武岩流层呈舒缓波状,其总体产状近南北,倾向西,倾角12°~30°。
枢纽区以坚硬的玄武岩为主,构造形迹主要表现为断裂构造,断层等破裂结构面较发育。
坝段内无区域性的Ⅰ级结构面,分布的Ⅱ级结构面断层有3条(F5、F8、F29),已发现的Ⅲ级结构面断层有F1等42条,其它还有属Ⅳ级结构面的小断层(f)、挤压面(g)、绿帘石石英脉错动面(EP)和广泛发育的属Ⅴ级结构面的节理裂隙。
(3)物理地质现象
枢纽区物理地质作用较强烈,主要物理地质现象有崩塌、岩体风化和卸荷。
枢纽区内规模较大的崩塌堆积体有B1、B2、B20,一般厚度达20m~40m,最厚达60余米。
枢纽区岩体风化带厚度不大,并以表层均匀风化为主,由地表向深处风化程度逐渐减弱。
坝段岩体风化不强烈,风化作用以物理风化为主,岸坡一般无全风化层,河床部位无强风化层且一般无弱风化上带。
两岸强风化带厚度一般小于15m,局部达20m~25m;弱风化带厚度一般30m~50m,其中上带一般厚10m~25m,下带一般厚20m~40m,但河床部位一般小于20m。
总的规律是:
河床部位风化最浅,其次是右岸陡坡地段,右岸滩地及左岸风化相对较深。
由于枢纽区河谷深切、岸坡陡峻,岩石坚硬,并在岩体中普遍发育有与河道近于平行和正交的陡倾角节理,两岸坡岩体卸荷现象明显。
卸荷裂隙一般宽1cm~3cm,最宽可达10cm~15cm。
卸荷裂隙中一般有次生泥和岩石碎屑充填,少量张开呈架空状。
1.2.3水文地质及水文气象
坝段地处亚热带边缘气候区,属干热河谷地带,降水量集中在6月~10月期间。
地下水主要受大气降水补给,金沙江是本地区地下水的最低排泄基准面。
枢纽区水文地质条件简单,含水层较为单一,主要为基岩裂隙含水层,局部为第四系松散堆积物含水层。
枢纽区地下水和河水、沟水的化学类型主要为重碳酸钙型水或重碳酸钙钾(钠)型水,少量重碳酸硫酸钙钾(钠)型水,属弱碱性淡水,对混凝土无腐蚀性。
坝址处控制流域面积23.74×104km2,年径流量527×108m3,多年平均流量1670m3/s,多年平均降雨量954mm。
洪水由暴雨形成,6月至10月为汛期,11月至次年5月为枯水期,实测月平均最大流量7120m3/s,实测月平均最小流量397m3/s。
多年各月平均流量、最大流量和最小流量见表1-1,各频率施工洪水成果见表1-2。
坝址处多年平均输沙量3919×104t,其中汛期输沙量占全年的97.6%,多年平均含沙量0.74kg/m3。
坝区属北亚热带边缘气侯,多年平均气温12.6℃,绝对最高气温32.3℃,绝对最低气温-10.3℃;多年平均相对湿度63%;风向多为南风,多年平均风速3.5m/s。
永安坝址河段径流量主要来自降雨,石鼓以上有溶雪补给,径流丰沛稳定。
洪水由暴雨形成。
部分断面流量—水位关系如表1-3
表1-1坝址多年月流量统计表单位m3/s
月
项目
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年
多年月平均流量
582
515
508
641
978
1860
3420
3850
3590
2160
1140
752
1670
月平均最大流量
799
696
761
888
1350
3020
5580
7120
5570
3470
1610
1030
2200
月平均最小流量
446
405
397
473
586
978
1770
1840
1700
1410
824
560
1230
表1-2坝址施工洪水成果表单位m3/s
频率(%)
时段
P=0.2
P=0.33
P=0.5
P=1
P=2
P=3.33
P=5
P=10
P=20
全年
14600
13900
13300
12300
11300
10600
9940
8870
7720
最
大
流
量
11~4月
2330
2110
1930
1740
11~5月
2470
2240
2060
1860
12~4月
1600
1440
1310
1160
12~5月
2260
2060
1880
1680
月
平
均
流
量
11月
1380
1340
1280
12月
922
882
835
1月
721
688
649
2月
668
630
587
3月
632
605
573
4月
879
814
744
5月
1470
1350
1210
旬
平
均
流
量
11月上旬
1630
1580
1480
11月中旬
1330
1320
1260
11月下旬
1170
1130
1070
12月上旬
1030
990
933
12月中旬
932
889
838
12月下旬
841
824
744
1月上旬
760
748
685
1月中旬
713
690
644
1月下旬
675
644
608
2月上旬
650
622
589
2月中旬
616
609
569
2月下旬
609
590
566
3月上旬
602
582
554
3月中旬
624
594
558
3月下旬
715
628
590
4月上旬
742
668
628
4月中旬
879
792
752
4月下旬
1030
1010
872
5月上旬
1340
1160
1040
5月中旬
1490
1350
1200
5月下旬
1730
1580
1300
表1-3
部分断面流量—水位关系
905m3/s
1295.38m
752m3/s
1294m
9940m3/s
1312m
1.3工程建设期有关要求
(1)坝址河段施工期无通航要求。
(2)为满足下游攀枝花河段航运及城市生产、生活用水需求,施工期间不允许长时间断流,要求供水最小流量为400m3/s,计入区间补给后,要求本电站施工期向下游供水流量约250m3/s。
(3)根据国务院关于金沙江中上游水土保持及严禁砍伐森林的有关政策法规,本工程不考虑过木要求。
1.4导流方案的确定
导流方式选择,应当是工程总体设计的一部分。
因为导流方式选择得是否恰当,不仅对于导流费用有重大影响,而且对于整个工程设计,施工总进度和枢纽总造价都有重大影响。
因此导流方式选择不仅应使导流费用最小,而且应使总体效果最优。
一般应遵循以下原则:
(1)根据坝址自然条件(地形、地质、水文等)及水工布置特点,因地制宜地选择导流方法。
(2)选定的导流方式应使整个枢纽施工进度最快、造价最低。
(3)应使整个工程施工有足够的安全度和灵活性。
(4)尽可能满足施工期国民经济各部门的综合要求,如通航、过木、过鱼、供水等。
(5)施工方便,干扰小,符合国情,技术可靠。
由上导流方式可拟定两个导流方案,如下:
方案一:
1.首先在坝址处开挖1号导流隧洞;
2.有1号隧洞导流,进行截流,在坝址处上,下游修筑围堰,同时开挖2号导流隧洞;
3.围堰全年挡水,1号、2号联合导流。
方案二:
1.首先在坝址右岸开挖导流明渠;
2.在一期枯水期先围左岸河床,进行主体工程施工,在坝体下部预留底孔,有明渠导流;
3.拆除一期围堰,在右岸修筑二期围堰,有左坝段底孔泄流,修筑右坝段。
方案三:
1.首先在坝址右岸开挖一条导流隧洞;
2.对河床进行截流,导流隧洞导流,并修筑全段过水围堰;
3.施工期有围堰挡水,隧洞导流,洪水期采用淹没基坑导流。
经综合比较,推荐采用方案一。
2.施工导流设计
2.1导流设计标准的选择
2.1.1导流建筑物等别划分
导流标准,按水利水电工程施工组织设计规范的规定,首先需根据导流建筑物的下列指标,将导流建筑物分为Ⅲ~Ⅴ级。
再根据导流建筑物的级别和类型,在规范规定的幅度内选定相应的洪水重现期作为初期导流标准。
施工导流的标准,是根据导流建筑物的保护对象、失事后果、使用年限和工程规模等指标,划分导流建筑物的级别(Ⅲ~Ⅴ级),再根据导流建筑物的级别和类型,并结合风险度分析,确定相应的洪水标准。
表2-1导流建筑物级别划分
级别
保护对象
失事后果
使用
年限
(年)
围堰工程规模
堰高(m)
库容
(亿m3)
Ⅲ
有特殊要求的Ⅰ级永久建筑物
淹没重要城镇、工矿企业、交通干线或推迟工程总工期及第一批机组发电,造成重大灾害和损失
>3
>50
>1.0
Ⅳ
Ⅰ、Ⅱ级永久建筑物
淹没一般城镇、工矿企业或推迟工程总工期及第一批机组发电而造成较大灾害和损失
1.5~3
15~50
0.1~1.0
Ⅴ
Ⅲ、Ⅳ级永久建筑物
淹没基坑,但对总工期及第一批机组发电影响不大,经济损失较小
<1.5
<15
<0.1
在本工程中,由于大坝为Ⅰ级永久建筑物,失事后果较为严重,且围堰使用年限至少为6年,因此先假定围堰高度大于50米,定下围堰级别为Ⅲ级。
2.1.2导流建筑物设计洪水标准及导流设计流量
设计临时性水工建筑物所采用的洪水标准,应根据其保护对象的结构特点、导流方式、工期长短、使用要求、淹没影响及河流水文特性等不同情况,在表2-2定的幅度内分析确定。
必要时,还应考虑可能遭遇超标准洪水时的紧急措施。
表2-2临时性水工建筑物所采用的洪水标准
临时性建筑物类型
临时性水工建筑物级别
3
4
5
土石结构
50~20
20~10
10~5
混凝土、浆砌石结构
20~10
10~5
5~3
本工程经讨论后决定采用全段围堰法施工导流,开挖导流隧洞,围堰使用土石围堰,查得上表可知,取重现期为20年,即
;则从基本资料可以知道全年最大流量
,为了保证施工安全顺利,导流设计流量采用全年最大流量,即
。
2.1.3导流时段的选择
在工程施工过程中,不同阶段可以采用不同的施工导流方法和挡水、泄水建筑物。
不同导流方法组合的顺序,通常称为导流程序。
导流时段就是按导流程序所划分的各施工阶段的延续时间,即围堰挡水而保证基坑干地施工的时间,所以也称挡水时段。
由上述可知,此围堰为全年挡水,因此导流时段为全年。
由于导流隧洞有两条,分配导流任务,靠近河面的为1号隧洞,另一条为2号隧洞。
本工程选择在枯水期的时候进行截流,预先开挖1号隧洞,负责承担枯水期的泄流任务。
围堰和2号隧洞同步施工,应在洪水期前修好,洪水期时两条隧洞共同泄水,承担防洪任务。
为保证泄水效率,2号隧洞在枯水期的时候不过水。
因为枯水期为11月至5月,期间只有1号隧洞承担防洪任务,根据保护对象及失事后果对比,设计洪水标准可以适当降低,洪水重现期为5—10年,经讨论采用10年标准,通过表1-2可以得出,P=10%频率下,枯水期从12月份开始截流的3个月内,最大流量为990m3/s。
2.2导流建筑物平面布设及初步尺寸设计
围堰的平面布置一般应按导流方案、主体工程轮廓和对围堰提出的要求而定。
本工程采用全段围堰法导流,施工期间河流来水通过导流隧洞排泄至下游,布置都取决于主体工程的轮廓。
通常,基坑坡趾与主体工程轮廓之间的距离,不应小于20—30m,以便布置排水设施、交通运输道路及堆放材料和模板等;至于基坑开挖边坡的大小,则与地质条件有关,工程区主要以坚硬的玄武岩为主,岩层单一,因此选取坡度为1:
2.5,基坑深度为5.5m(挖除冲积层,让主体工程接触到基岩);另外,围堰坝址到基坑边界距离应该不小于2—3m,如图所示。
此外,布置围堰时,应尽量利用有利地形,减少围堰的高度与长度,从而减少围堰的工程量。
图2.2.1围堰布置规定图
图2.2.2围堰工程布置图
本工程中基坑坡趾与主体工程轮廓之间的距离取30m,围堰坝址与基坑边界的距离取2.5m,经过测量可知主体工程轮廓线沿江跨度大约为780m。
两条导流隧洞布设在坝体右岸的山体内,分期开挖,承担不同的导流任务。
因此,上下游围堰离主体工程最小距离为46.3m。
2.3导流建筑物的具体设计
2.3.1导流隧洞设计
施工导流隧洞选线应根据地形、地质及水力条件,保证隧洞施工和运行安全。
相邻隧洞间净距、隧洞与永久建筑物之间间距、洞脸和洞顶岩层厚度均应满足围岩稳定及安全运行的要求。
有条件时宜与永久隧洞相结合,其结合部分的洞轴线、断面型式与衬砌结构等应同时满足永久运行与施工导流要求。
施工导流隧洞的布置,取决与地形、地质、枢纽布置以及水流条件等因素。
为了提高隧洞单位面积的泄流能力,减小洞径,应注意改善隧洞的过流条件。
隧洞进口应与上下游水流平顺衔接,与河道主流的交角以30°左右为宜;有条件时,隧洞最好布置成直线,若为弯道,其转弯半径以大于5
(
为洞宽)为宜,否则,因离心作用会产生横波,或因流线折段而产生局部真空,影响隧洞泄流,严重时还会危及隧洞安全。
隧洞进出口与上下游围堰之间要有适当距离,应视导流泄水建筑物泄流的流态及流速情况而定一般距进口10—50m,距出口30—100m,或在导流泄水建筑物进出口修筑一定长度的导墙以防止导流泄水建筑物泄流对围堰坡脚造成危害性冲刷,本工程设计中采用了两条施工导流隧洞,先后开挖修建。
隧洞断面采用城门洞形。
前期修建的1号隧洞,洞底开挖高程选取在12月份上旬水位高程以下1.5m处,出口底部高程则按坡度i=0.001放坡计算得出;2号隧洞的洞底高程选取在截流成功后的雍水水面高程上方,以保证干地施工。
2.3.2导流隧洞断面尺寸
隧洞断面型式主要取决于地质条件及洞内水流流态。
常用的断面有方圆形,有时也采用圆形或马蹄形。
方圆形断面放工方便,且底部矩形部分过水面积大,和圆形断面相比,可在同一高程、同一洞径的条件下增大过水面积,减小截流落差,有利于截流施工。
但在地质条件差或地下水位高的情况下,方圆形断面衬砌的边墙及底板将承受较大的应力,这时宜采用圆形或马蹄形断面。
一般临时导流隧洞可以根据地质条件全部衬砌、部分衬砌或不衬砌。
当洞内流速高于20m/s以内,可作锚喷支护。
对于地质条件较好、流速不大的隧洞可不作衬砌,但应在开挖时采用光面爆破技术来减少糙率,提高隧洞的泄水能力。
本次设计根据基本资料断面采用城门洞形,洞内采用钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度为初定为500mm。
初定断面如图2.3.1:
图2.3.1
根据要求,采用右侧断面尺寸,进行水力学计算。
2.4导流隧洞的水力学计算
2.4.1水位流量关系曲线
从基本资料可得,水位流量对应关系可由表1-3内插得到,如图2.4.1:
图2.4.1
通过水位流量关系曲线可以知道,当流量为990m3/s时,下游不受雍水影响,对应水位高程为1295.5m,则1号洞洞底开挖高程为1294m,根据隧洞长度和坡度计算得出口洞底高程为1292.6m。
2.4.2基本要素计算
湿周:
断面面积:
水利半径:
糙率:
粗糙系数由水力学课本(上册)附表一可知,混凝土管及钢管混凝土管在没有抹灰面层时,又光滑木模板,施工质量良好,接缝平滑的情况下,
坡率:
根据工程采用
谢才系数:
2.4.3流态判断
半有压流下限泄流量:
式中τpc——半有压流的下限临界壅高比,为管道进口底槛以上水深与管身高度之比;本工程选取具有翼墙的圆形或接近圆形的进口,根据规范要求,τpc=1.10;
——流量系数,随进口型式不同为0.576~0.670,本设计采取衣领式进口,
取0.591;
——进口竖向收缩系数,为0.715~0.740,粗略计算时可采用0.70;衣领式取为0.726;
Ad——管道断面面积,经计算为282.19m2;
d——管身高度,为19m
代入以上数据,得出Qpc=1969.2m3/s
有压流下限泄流量:
式中,
——管道的谢才系数。
——局部损失系数,为进口、转弯处、出口处三者之和,经计算淹没出流为1.06,自由出流为0.76
——有压流出口水头比,
;
——上游临界壅高比,
。
代入以上数据,得QFc=3296.8m3/s
由以上结果可知,当遇到10年一遇的设计洪水时,枯水期选定最大截流流量为990m3/s,此时1号隧洞中的流态为明流。
2.4.4枯水期上游水位计算
图2.4.2
2.4.4.1判定缓陡坡
先假定枯水期来水水深都没有漫过城门洞型隧道的直壁段,则:
临界水深:
利用迭代法计算正常水深:
因此,
,渠道属于缓流,洞内水面线呈降水曲线。
而且洞内正常水深h0<14.4m,因此过水断面为矩形。
上述试算符合假定。
2.4.4.2进口水深
出口水深用7.30m开始推算,向上游推算进口水深,计算如表2-1和表2-2:
表2-1
h/m
A/m2
χ/m
R/m
1/n*R2/3
v/(m/s)
J
J平均
7.30
116.80
30.600
3.817
187.88
8.48
0.00204
7.50
120.00
31.000
3.871
189.64
8.25
0.00189
0.00196
7.70
123.20
31.400
3.924
191.36
8.04
0.00176
0.00183
7.90
126.40
31.800
3.975
193.02
7.83
0.00165
0.00170
8.10
129.60
32.200
4.025
194.64
7.64
0.00154
0.00159
8.30
132.80
32.600
4.074
196.21
7.45
0.00144
0.00149
8.50
136.00
33.000
4.121
197.73
7.28
0.00136
0.00140
8.70
139.20
33.400
4.168
199.21
7.11
0.00127
0.00131
8.90
142.40
33.800
4.213
200.66
6.95
0.00120
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