施工设计.docx
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施工设计
施工导截流
导流标准及导流方案
导流标准
据(SL252-2000)《水利水电工程等级划分及洪水标准》第2.1.1条规定水利水电
工程的等别,应根据其工程规模、效益及在国民经济中的重要性,按表2-1确定。
表2-1水利水电工程分等标准
注:
1、水库总库容指水库最高水位以下的静库容;
2、治涝面积和灌溉面积均指设计面积。
因为该工程水电站的装机容量72MW,根据表2-1工程规模为中型水库。
该工程水库的调洪库容为1.5986×108根据表2-1工程规模为大
(2)型水库。
根据SL252-2000第2.1.2条规定,对综合利用的水利水电工程,当按各综合利用项
目的分等指标确定的等别不同时其工程等别应按其中最高等别确定。
综上可知,威远江水
电工程属于大
(2)型工程,工程等级为Ⅱ级。
根据SL252-2000第2.2.1规定,水利水电工程的永久性水工建筑物的级别,应根据
其所在的工程的等别和建筑物的重要性,按表2-2确定。
表2-2永久性水工建筑物级别
威远江水电站工程等级为Ⅱ级,根据表2-2可知,永久性建筑物中主要建筑物级别为2,
次要建筑物级别为3。
根据SL303—2004规定第3.2.1,导流建筑物应根据其保护对象、失事后果、使用年限
和工程规模划分为3级~5级,具体按,2-3确定。
表2-3导流建筑物级别划分
由于导流建筑保护的对象是1级永久建筑物,无特殊要求,根据保护对象而言,级别
为4级。
根据SL303—2004第3.2.6规定,导流建筑物设计洪水标准应根据建筑物的类型和级
别在表2-4规定幅度内选择。
表2-4导流建筑物洪水标准划分
从上可知,导流建筑物的级别为4级。
该工程估计采用土石围堰,土石围堰来源于当
地,可以充分利用当地的资源。
导流建筑的围堰使用年限、围堰高度、失事后果看,洪水重现期采用20年一遇。
而洪水来临前不能将坝体抢至拦洪高程时,所以采用全年挡水。
相应的设计流量为20年一遇全年流量,导流导流
设计流量为1390m3/s。
2.1.2方案比较
导流方式选择
河谷断面为V型,适合于导流洞导流,所以该工程采用导流洞导流。
其次,从地质条件上讲,该河床覆盖层厚、河床窄,故不适于分期导流,适于采用全段围堰法。
综上本次导流方式采用全段围堰法、隧洞导流。
导流方案比较
(a)导流方案比较
首先考虑是否过水。
过水围堰要进行表面护理,一般采用块石,大坝也要采用相应的
处理方式,同时又耽误几个月的工期,对完成预定的工期有一定的影响,所以采用不过水
围堰。
另外对于不过水围堰,是选择高水围堰还是低水围堰,主要根据工程的工期长短及工
作量大小来确定。
威远江水电站的雨量充沛,围堰填筑完成时,大坝未修建足够的高度,
大坝本身不能挡水,所以适合建高水围堰。
(b)洞径的比较
本工程在安全和技术可行的情况下选择一个经济的洞径需要进行定量计算。
根据导流
洞在过设计流量的洪水时为有压流,由水力学隧洞有压流的公式:
Q=μA
式中:
Q———泄流量,m3/s;
A———隧洞面积;
V———隧洞过水平均流速;
μ———流量系数,一般在0.6~0.9之间,此处取0.7;
表2-5围堰、隧洞价格表
导流洞面积
H
右岸导流洞开挖面积
左岸导流洞开挖面积
左岸导流洞造价
右岸导流洞造价
隧洞方量
隧洞总造价
围堰高度
围堰造价
总造价
流速
350
1.64
175
175
2E+07
2E+07
3E+05
4E+07
4.34
340724
3.6E+07
4.0
330
1.85
165
165
2E+07
2E+07
3E+05
3E+07
4.55
342167
3.4E+07
4.2
310
2.09
155
155
2E+07
2E+07
2E+05
3E+07
4.79
344036
3.2E+07
4.5
290
2.39
145
145
2E+07
1E+07
2E+05
3E+07
5.09
346512
3E+07
4.8
270
2.76
135
135
1E+07
1E+07
2E+05
3E+07
5.46
349885
2.8E+07
5.1
250
3.22
125
125
1E+07
1E+07
2E+05
3E+07
5.92
354633
2.6E+07
5.6
230
3.80
115
115
1E+07
1E+07
2E+05
2E+07
6.50
361582
2.4E+07
6.0
210
4.56
105
105
1E+07
1E+07
2E+05
2E+07
7.26
372245
2.2E+07
6.6
190
5.57
95
95
1E+07
9E+06
1E+05
2E+07
8.27
389586
2E+07
7.3
170
6.96
85
85
9E+06
8E+06
1E+05
2E+07
9.66
419897
1.8E+07
8.2
150
8.94
75
75
8E+06
7E+06
1E+05
2E+07
11.64
477954
1.6E+07
9.3
130
11.90
65
65
7E+06
6E+06
99645
1E+07
14.60
603180
1.4E+07
10.7
110
16.63
55
55
6E+06
5E+06
84315
1E+07
19.33
919745
1.2E+07
12.6
90
24.84
45
45
5E+06
4E+06
68985
9E+06
28.24
1917889
1.1E+07
15.4
70
41.06
35
35
4E+06
3E+06
53655
7E+06
43.76
6282600
1.3E+07
19.9
由表可知,总价格最低是隧洞面积为90m2,此时的隧洞水流速度为15.4m/s,而规范要求隧洞水流速度最大为20m/s,不超过最大流速,满足要求,在保证安全和经济的前提下,选择隧洞面积为90m2。
隧洞型式为城门洞形,虽然圆形受力好,但施工不方便,采用两条条隧洞,左岸右岸各一条。
断面的高宽比宜为1.0~1.5,圆拱中心角为90°~180°,本隧洞型式采用高宽比为1.43,圆拱中心角为120°。
由于考虑到右岸导流动洞对洪水的分担,经计算,最终确定两条导流洞高为5.7m,宽为4m,此时的隧洞面积为21.5m2,隧洞过流流速为15.4m/s。
图2-2隧洞断面(单位m)
2.1.5围堰高程
天然
G
822.0
824.9
825.3
826.1
826.5
827.5
828.6
829.5
830.4
Q
0
15
50
154
220
400
600
800
1000
天然
G
831.2
832.6
833.8
834.8
835.7
836.6
837.4
Q
1200
1600
2000
2400
2800
3200
3600
淤后
G
822.6
825.7
826.1
826.9
827.3
828.0
829.4
830.0
831.5
Q
0
15
50
154
220
353
619
750
1090
淤后
G
831.9
832.0
832.7
833.6
834.7
835.1
836.2
837.2
838.2
Q
1180
1200
1420
1670
2050
2220
2660
3140
3620
查表可知,最终的上游水位为831.9m
堰顶的超高:
取0.7m,上游围堰围堰高27.54+0.7=28.24m,下游围堰高832.6-822=10.6m。
2.2导流建筑的设计
围堰的结构与布置设计
(1)围堰的结构形式
围堰有多种形式,包括土石围堰、混凝土围堰等。
不过水土石围堰在工程中应用广泛。
它能充分利用当地材料或废弃的土石方,结构简
单,施工方便,造价低廉,可以在动水中、深水中、岩基上或有覆盖层的河床上修建,且
易拆除。
但其工程量大,堰身沉陷变形较大,此外,除非采取特殊措施,土石围堰一般不
允许堰顶过水,所以汛期应有防护措施。
土石围堰按防渗体结构可分为斜墙围堰和心墙围
堰,若当地有足够数量的渗透系数小于10-4cm/s的防渗料(如沙壤土)时,土石围堰可采用斜墙和斜墙带水平铺盖式两种型式。
其中前者适用于基岩河床;后者适用于覆盖层厚度不
大的场合。
斜墙和水平铺盖在大多数情况下均需水下抛填,一般坡度很缓,这与水深和抛填土料性质有关。
若当地没有足够数量的防渗料或覆盖层较厚时,土石围堰可采用垂直防
渗墙式和帷幕灌浆式两种型式,用混凝土防渗墙、高喷墙或帷幕灌浆来解决基础和堰身的
防渗问题。
碾压混凝土围堰在岩基河床上,特别是坚硬岩基,摩擦系数较大的河床,或河床岩石
虽然较差,但河谷狭窄,两岸基岩坚硬完整时,常选用混凝土重力式围堰。
选用混凝土围
堰的一个重要原因是它的设计挡水水头不受限制,底宽小,在相同水头的情况下,它的断
面最紧凑,工程量最小。
同时,它的抗冲能力强,不仅可做横向围堰,亦可做纵向围堰;
不仅可做不过水围堰,亦可做过水围堰。
它的防渗效果好,施工比较方便,易于与永久建
筑物相连接。
但最大的缺点是造价较高。
综上混凝土围堰上升强度工期较长,而土石围堰施工速度快,能缩短工期,保证主体
工程施工的顺利进行。
节约水泥用量,地基处理比较经济,因此选择土石围堰。
并选用斜墙带水平铺盖式,再斜墙表面设置砂砾料覆盖层。
2)围堰的布置
威远江工程基坑是由上、下游围堰和河床两岸围成,根据《水利工程施工》要求基坑
坡址离主体工程轮廓的距离不应小于20~30m。
考虑到基坑开挖边坡则与地质条件有关,
为防止围堰堰体与堰脚处的基础不受到水流冲刷,应使围堰与导流洞进口保持足够距离,
一般要求50m以上,距离较小时,应加强对堰坡的防护。
(3)方案的选定
根据《水利工程施工组织设计手册》,级配不很好的砂砾石斜墙围堰上游边坡为1:
2.5~1:
2.75,下游边坡是1:
2.0,本工程采用围堰上游边坡1:
2.0,下游围堰边坡为1:
2.0。
底部高程822m,顶部高程850.24m,上游围堰长88.2m。
下游围堰边坡1:
2.5,底部高程822m,顶部高程832.6m,下游围堰长58.5m,上下游围堰
断面均呈梯形。
护坡:
上游围堰主要防风浪冲刷,下游围堰护坡除防风浪外还需要考虑防涌浪冲刷,采用堆石护坡,用汽车抛石,推土机整平,斜墙表面覆盖层不小于1.5m,取2m。
围堰的接头:
是指围堰与围堰、围堰与其它建筑物及围堰与岸坡等的连接而言。
围堰
的接头处理与其它接头处理与其它水工建筑物接头处理的要求并无多大区别,所不同的仅
在于围堰是临时建筑物,使用期不长,因此接头处理措施可适当简便。
土石围堰与基岩和
岸坡的接头,土石围堰的防渗体无论是心墙还是斜墙均应与基岩和岸坡接触良好,其接触
宽度应满足规范对渗径的要求。
土石围堰与岸坡连接,应将岸坡处渗透性很大、稳定性很
差的堆积物全部清除,但不得清理成台阶式,也不允许有反坡。
图2-4上游围堰断面尺寸
图2-5下游围堰断面断面尺寸
(4)工程量计算
上游围堰:
高28.24m,面积为2077m2,围堰长88.2m;
下游围堰:
高10.6m,面积为359m2,围堰长58.5m;
故围堰工程量估算为2077×88.2+359×58.5=20.4万m3。
2.2.2导流隧洞的结构设计
(1)围隧洞的支护形式
隧洞衬砌主要从工程整体的经济上考虑,来减小洞壁的糙率,提高隧洞导流的过水条
件。
在一般情况下,不衬砌隧洞应该是经济的。
但有时,由于衬砌与不衬砌的糙率相差较
大,致使衬砌隧洞反而比不衬砌隧洞更经济。
而且,在洞长范围内,岩层不可能全部新鲜
完整,尤其是进、出口段,常是薄弱部位,一般在离洞口1~3倍洞径长度范围内,采用全
断面衬砌。
在局部地段也有只衬砌顶拱,而不衬砌侧墙和底部的,如在整条隧洞的中间部
分,侧墙岩体稳定,仅顶部稳定性较差时。
根据《施工手册》混凝土及钢筋混凝土衬砌厚度一般为隧洞宽度的1/8~1/12。
顶拱厚度d0确定后,其他截面厚度一般为:
拱端厚度dn=(1~1.5)d0;边墙厚度dB=(1~1.6)d0;底部厚度dR=(0.6~0.8)d0。
对于隧洞的进出口处,进口处为了稳定流态,提高泄流能力,常常需要衬砌,出口处由于在工程完工后导流洞的一部分将成为尾水洞的一部分,属于永久建筑物,为了安全稳定,也需要支护。
采用其所长100~200mm厚钢筋网喷射混凝土。
局部衬砌厚度可以减少,对于软弱地段则视具体情况衬砌,在施工过程中需要时刻关注地下围岩的应力情况,及时做出相应的反应,争取使隧洞的开挖经济合理安全。
由于岩层经爆破开挖后破坏了原来的应力状态,为了防止开挖后由于山岩压力的变化而发生坍塌现象或避免施工过程中由于个别石块掉落而产生安全事故,必须对开挖出来的洞室进行必要的支撑,以保证施工安全。
根据工程实例,采用喷锚支护,选用材料为金属锚杆。
钢锚杆的长度应超出围岩松动软弱带,超出的长度约为松动软弱带的1/4,灌浆锚杆超出的长度不少于0.5m。
锚杆应尽量与岩体结构面垂直,当结构面部垂直时,可与周边轮廓垂直布置在岩面上。
锚杆宜城梅花形排列,锚杆间距不宜大于杆体长度的1/2。
(2)进出口的结构形式
隧洞进口建筑物采用岸塔式,可结合进口明渠开挖设置进水塔,并可有效控制闸门尺
寸,也避免了封堵期出现明洞承受高水头的问题。
进水塔由下到上分为三部分:
即门槽段、
筒体和上部排架。
门槽段布置门槽,门槽宽度与深度根据闸门结构要求确定,门槽埋件设
在二期混凝土内。
进口边坡设计采用明渠边坡设计。
受地形、地质及进水口布置条件限制,
进口形成高边坡,支护措施采用坡面喷锚支护。
为了解决后期导流遂洞的封堵在其进口处
设置封堵闸门门槽和启闭平台故其断面形状设计为城门洞形以便闸门启闭,为了保持水流
平顺须设渐变段。
进口布置圆滑,避免在进口前产生强漩涡和回流。
结构型形式为自上游
起由斜卧渐变为直立的扭曲墙式。
为改善进流条件,进口设置喇叭口,喇叭口为三向收缩
具有椭圆曲线的型式。
出口型式布置,应保持水流的良好衔接,达到消能防冲得目的。
(3)隧洞工程量
由前面计算隧洞断面积90m2,隧洞长由右岸隧洞782m和左岸863m组成,总共1645m,则其开挖量估算为14.81万m3。
2.3导流工程施工
2.3.1围堰施工
(1)围堰的施工程序及控制方法
就围堰修筑的时间而言,围堰的前期进占,通常应设在枯水期前的平水期进行,留下龙口,待枯水期到来后伺机合龙,迅速形成基坑,进行排水施工,在次年洪水到来之前,将围堰修到拦洪设计高程,并为完成相当数量的基坑工程创造条件。
就围堰施工的高程而言,不是将围堰修到顶再下基坑施工,通常从高程上分两期进行。
第一期先进行截流戗堤顶部高程以下的围堰断面的施工,包括戗堤进占、合龙、闭气、堰体培厚等。
围堰的第一期工程为主体工程河槽内的施工创造了条件。
随着主体工程基础开挖的进行,充分利用开挖出渣的废料对堰进行加高、培厚,并达到围堰的设计高程,这是围堰的第二期工程。
围堰的平面施工程序,对加快施工进度具有十分重要的意义。
对一次围堰,当施工机械设备数量不足,施工队伍组织欠佳时,国内多采用的是集中力量进占合龙,再对戗堤加高培厚形成围堰。
当施工机械化程度很高,施工队伍训练有素,可采取戗堤超前,堰体填筑随后,全断面推进的施工方案。
(2)施工方法
围堰下部在水位以下部分,采用平抛垫底;水位以上部分采用机械送料入仓,推土机
整平,洒水压土机压实,然后质量检查,循环作业。
围堰心墙的施工采用高压旋喷法施工,
围堰堰脚其基础的局部冲刷采用抛石护底的方法。
(3)围堰闭气施工、地基处理及围堰拆除措施
围堰的闭气施工及防渗主要是粘土斜墙的施工。
围堰地基处理主要解决的是堰基覆盖
层的防渗处理。
采用粘土铺盖。
目前随着施工机械化水平的提高,应用较多的是混凝土防渗墙。
混凝土防渗墙系沿堰基防
渗线开挖一道狭窄的深槽,槽内注入泥浆护壁,当单元槽段开挖完毕后,可在泥浆下浇筑
混凝土,筑成一道连续墙。
混凝土防渗墙应具有足够的抗渗性,满足各项强度要求,防止
开裂影响防渗效果。
防渗墙与基岩、岸坡、堰体及其他防渗设施应良好地连接。
围堰是临时建筑物,导流任务完成以后,应按设计要求进行拆除,以免影响永久建筑物的施工及运行。
如果在导流任务完成后不及时拆除,会使大坝上下游水位差减小,从而减少发电量,影响其经济效益。
本工程土石围堰断面较大,因此可以在施工期最后一次汛期之后,上游水位开始下降时,从围堰的背水坡部分分层拆除,必须保证依次拆除后所残留的断面能继续挡水和维持稳定,以免发生安全事故,影响施工。
一般采用挖土机械或爆破等方法拆除。
2.3.2导流洞的施工
(1)进出口的开挖
威远江工程坝址开挖方大多为石方开挖。
进出口的开挖为明挖,采取自上而下的开挖
方式,具体安排步骤应为:
先开挖边坡,后开挖底板。
开挖程序确定以后,根据岩石条件,
开挖尺寸,工程量和施工技术要求,通过方案比较拟定合理的开挖方式。
该导流隧洞高
5.71m,岩石状态较稳定,宜采用钻爆分层开挖的方法进行开挖,由外向内进洞。
(2)洞身的开挖
在工程施工中,为了加快工程进度,如果洞线较长,工期紧迫,所以采用进出口同时施工。
隧洞开挖宜采用断面分部开挖的平行作业方式。
分部开挖将整个断面分成若干层和块,分层分块开挖推进,可不采用大型设备,比较机动灵活,能适应地质条件的变化,但施工组织会比较复杂,施工进度可能受到影响。
开挖时采用自上而下的正台阶法,其上层开挖高度一般为2-3m,如图2-6,下部台阶的开挖可采用露天深孔梯段爆破方法,以提高施工效率。
平行作业的工作面现行开挖,衬砌滞后一段施工,分部开挖,分部衬砌施工。
1,2,—台阶序号
图2-6正台阶法
用钻孔爆破法开挖该隧洞,这种方法对岩层地质条件适应性强,开挖成本低,是开挖
该地区大量石方的较好的方法。
爆破后的残渣采用小型的挖掘机械并结合运输机将石渣运出洞外。
(3)混凝土的浇筑
隧洞混凝土的机械化施工按混凝土运输分为有轨运输和无轨运输两种,选用有轨运
输,运输设备选最适合长洞的搅拌罐。
按一定配比的混合料经拌和机搅拌均匀后得到的混
凝土,用混凝土泵输送入仓,采用普遍用于隧洞的液压活塞泵,浇注时先浇底板后浇边墙。
运输过程中混凝土拌和物受周围环境因素的影响小,运输浇筑的辅助设施及劳力消耗较
小,具有相当的优越性。
(4)施工工期
隧洞的施工进度直接影响河床截流时期的选择,间接影响水利枢纽工程的工期严重则
将截流时间往后推迟一年,造成极大的损失。
隧洞施工速度:
月进尺100m/月,衬砌平均
100m/月;故综合各方面因素,初步拟定隧洞开挖衬砌总时间4个月,隧洞边开挖边衬砌边浇
筑。
2.4截流
2.4.1截流时段以及流量选择
截流年份内截流时段的选择,既要把握截流时期,选择在枯水流量,风险较小的时段
进行;又要为后续的基坑工作和主体建筑物的施工留有余地,不致影响整个工程的施工进
度。
确定截流时段须考虑以下要求:
(1)截流以后,需要继续加高围堰,完成排水、清基、基础处理等大量基坑工作,并
应把围堰或永久建筑物在汛期前抢修到一定高程以上,为了保证这些工作的完成,截流时
段应尽量提前。
(2)对于有通航、过木、灌溉、供水等要求的河道,截流时段的确定应全面兼顾,使
截流对流道综合利用的影响最小。
(3)在有冰凌的河流上,截流不应在流冰期进行。
该河流径流来源主要是降水,根据工程的洪水流量表1.2-1可知,枯水期在11月~次年5月,综上考虑,截流时段应选在枯水期初,流量已有明显下降的时候,而不一定选在流量最小的时刻。
综合考虑水文条件和工期制约等因素,确定其截流时段为11月。
一旦确定了截流时间,就可根据工程所在地的河道的水文、气象特征选择设计流量,通常取5~10%的月或旬平均流量或瞬时最大截流量。
选用截流期5~10年一遇的月或旬平均流量。
本工程截流时间选在枯水期稳定退水期,设计流量的重现取5年一遇的旬平均流量,即82.8m3/s。
2.4.2截流方式
截流的基本方法有立堵法和平堵法。
但一般老说由于平堵法需架栈桥或浮桥,在通航
河道上会碍航,而且技术复杂,费用较高,而立堵法被广发采用,施工经验丰富且准备工
作简单,造价较低,故本工程采用立堵法截流。
双戗进占要求两戗堤间有远大于3.5m的间距,且在实际操作中不能很好地控制进占速度以分摊水头,不能发挥预期作用,本工程采用单戗截流,从左岸向右岸进占。
2.4.3截流水力计算
由截流设计流量Q0=82.8m3/s,由前面导流水力计算知为无压,根据流量曲线可以查到
Q0=82.8m3/s对应的上游水位为825.6m,根据工程经验,截流戗堤的高程等于上游水深加
上1m~1.5m的安全超高即可。
所以戗堤高程取829m。
其相应的下游水位为825.6m采用单
戗立堵进占,河床底部高程为822m,上、下游边坡为1:
1.5。
立堵截流进占过程中,龙口水流呈淹没或非淹没堰流的形式,通常是由前者过渡到后者直至合龙。
戗堤进占划分为两个阶段:
①第1阶段——戗堤进占直至坡脚接触龙口对岸
形成三角形断面为止,即b≥2nHB;②第2阶段——戗堤坡脚已接触龙口对岸而形成三
角形断面后直至最后合龙,即b<2nHB。
一般情况下,截流设计流量Q0由四部分组成
Q0=Q+Qd+Qs+Qac
式中Q——龙口流量;
Qd——分流量(分流建筑物中通过的流量);
Qs——戗堤渗透流量;
Qac——上游河槽中的调蓄流量。
如QacQs不计算,则有:
Q0=Q+Qd-
龙口泄水能力计算按照宽顶堰公式计算:
式中
——流量系数
当
,为淹没流,
当
,为非淹没流,
——龙口平均过水宽度
梯形断面:
三角形断面:
其中淹没流时:
h=hs,hs----龙口底板以上的下游水深
非淹没流时:
h=hc,hc----龙口断面的临界水深
H0——龙口上游水头
梯形断面:
H0=Z上–Z底
三角形断面:
H0=Z上–Z底-(nHB-0.5B)/n
其中Z——龙口上下游水位差
H——戗堤高度
n——戗堤端部边坡系数,取1.0
Z上——龙口上游水位
Z底——河道底板高程
由连续方程可得龙口流速计算公式为:
淹没出流时:
对于梯形断面:
对于三角形断面
非淹没流时:
对于梯形断面:
对于三角形断面:
图解计算表
B=32m梯形断面
上游水位
Z
H0
Z/H0
(Z/H0)^(1/2)
m
h
H0^(3/2)
Q
Qd
流态
825.60
0.00
3.60
0.00
0.00
0.00
3.
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