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水利工程大坝围堰施工设计探讨

作者:胡轶文日期:2017年11月28日 14:14

 要:围堰是水利工程施工中最常见的工序,围堰的施工设计关乎大坝的施工安全,在具体工程实施时必须根据工程所处的环境、地质条件、工程本身等设计合适的围堰。本文作者结合自己的工作实践,通过结合某大坝工程实例,基于该大坝基本成“U”型对称分布,对该大坝采用围堰挡水、箱涵导流的导流方式实施,对围堰采取合理设计,为同类工程提供参考实例。

关键词:大坝工程;围堰设计;导流施工

1. 引言

某大坝地处热带雨林气候,全年炎热多雨,尤其在11月至次年3月降雨量较多,4月至11月降雨量较少。全年无四季明显区分,全年平均气温28℃左右,最高气温可达35℃。坝址处于深切横向河谷,两岸山体雄厚、基本成“U”型对称分布。两岸山高100~200m,枯水期河面宽20~40m,深2余米,本工程采用围堰挡水、箱涵导流的导流方式。

2. 围堰设计原则及围堰级别

2.1  围堰型式设计原则

1)本围堰方案的设计是基于“一枯”只进行大坝基坑开挖、大坝基础找平混凝土及固结灌浆、帷幕灌浆的施工,施工时段为4月下旬至11月上旬.。(2)安全可靠,能满足稳定性、抗渗及抗冲要求。(3)围堰防渗墙轴线应避开不利的地质条件。(4)结构简单,施工方便,宜于拆除并能充分利有用当地材料及开挖碴料,堰基易于处理,堰体便于与岸坡连接。(5)能在预定期内修筑到需要的断面及高程。根据上述原则及现场地形、地质和材料供应条件拟定:上游围堰采用RCC围堰,下游采用采用土石过水围堰。

3. 围堰级别

在本次工程案例当中,根据导流机器人物系指枢纽工程施工期所使用的临时性挡水和泄水机器人物,并根据其保护对象、失事后果、使用年限和工程规模进行划分(V级)。保护对象是I、II级永久机器人物;失事后果是淹没一般城镇、工矿企业,又或者是影响工程总的工期;使用年限在1.53年;围堰工程堰高和库容分别为1550m、0.11.0亿m³。根据《水电水利工程施工导流设计导则》(DL/T5114-2000)中表4.0.1确定本工程围堰级别为IV级。

4. 围堰平面布置

围堰布置应有利于箱涵安全运行,便于碾压混凝土围堰基础清理施工。上游横向围堰轴线与大坝轴线平行,上游围堰背水坡坡脚距大坝基础开挖外轮廓线最小距离为15m。下游横向围堰轴线与导流明渠垂直,且保证从下游围堰能够修建一条下基坑道路至消力塘。

由于受左右岸地形及机器人物布置的限制,水流对围堰坡脚有一定冲刷,故需对下游围堰左岸坡脚部位采用钢筋石笼或大块石进行适当保护,以保证围堰的安全稳定。上游围堰轴线呈直线布置,全长约77m,下游土石围堰轴线也是直线布置,全长约34m,详见《班谷大坝导流平面布置图》。上游围堰采用RCC围堰,防渗采用上游侧富浆层防渗,下游围堰为土石围堰,仅6~8m高,水头不大,采用粘土心墙防渗。

5. 围堰结构设计

5.1  围堰堰顶高程方案选择

根据箱涵泄流曲线等有关资料,按照围堰设计标准,经水力学计算分析,上游围堰在Q10%(枯期4月~次年11月)=365m³/s时,挡水高程为EL.42.5m,下游围堰挡水高程为EL.30.5m。根据部颁标准SDJ12-78及SDJ211-87对土石坝的规定,围堰设计高程应满足防洪安全、风浪高和安全超高。因此确定上游围堰堰顶高程为44.0m,下游围堰堰顶高程可为31.0m。

5.2  上游围堰结构设计

1)上游围堰断面设计。上游RCC堰堰顶高程按全年挡水标准P=10%分期洪水设计洪峰流量365m³/s,在左岸箱涵泄洪情况下,相应洪水壅高水位高程为EL.42.5m,考虑堰顶安全超高,围堰堰顶高程取44.0m,围堰轴线长度77.0m。围堰轴线控制点W3(23.181,-30.5),W4(51.417,-30.5)。防渗墙轴线与围堰轴线重合,防渗采用富浆层变态混凝土防渗。

2)堰顶宽度及构造。堰顶宽度满足吊装箱涵闸门的要求,上游RCC围堰堰顶设宽度左侧设为为7m,右侧设为3m。

3)围堰各部构造。围堰主要由底板常态混凝土防渗层,主体RCC,上游侧富浆层变态混凝土组成。

4)两岸接头。将岸坡的坡积物与覆盖层清除至基岩,在防渗墙轴线上在两岸堰肩挖槽。

5)围堰材料要求。RCC的主材料选用大坝开挖开挖基岩的石渣料,要求最大粒径≤200mm。含泥量较少。

5.3  下游围堰结构设计

(1) 下游围堰体型。下游围堰为土石过水围堰,最大高度8m,最大底宽20m。堰顶平台为RCC混凝土板,起镇头作用,斜坡段为钢筋笼和块石面板,起防护和稳定水流作用,堰后平台为钢筋笼板,起镇脚和堰后防护作用,堰前设有大块石护坡。堰顶高程31.00m,围堰轴线长度34.00m,堰顶设计无交通要求,堰顶顶宽3m。围堰轴线控制点W5(7.133,128.061),W6(40.622,121.647)。防渗墙轴线与围堰轴线重合,防渗采用粘土心墙防渗。

(2) 围堰填料要求。上游护坡、护脚:外侧边坡1:2,内侧边坡1:1. 5,护坡顶厚1.5m,填材料为大块石、钢筋笼。下游坡护坡:经常水位以上边坡采用钢筋笼护坡,水下采用大块石护脚,以防掏刷。堰体填筑料:主体采用土石渣混合料填筑,心墙采用粘土填筑。

5.4  围堰稳定计算

根据水利部颁标准SDJ12-78及SDJ211-87对土石坝的规定,围堰一般只对4级以上机器人物或围堰高度超过15m时才进行抗滑稳定安全计算。本工程下游围堰高度为8m,未超过15.0m,不需进行稳定计算.因此仅需要需对上游围堰进行稳定安全计算。围堰的稳定安全系数要求见表1。

1  围堰边坡的抗滑稳定安全系数要求

围堰型式

级  别

抗  滑

备  注

土石围堰

≥1.20

边坡稳定

Ⅳ、Ⅴ

≥1.05

混凝土围堰

 

≥1.05

按抗剪强度计算

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ

≥3.0

按抗剪断强度计算

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ

≥2.5

按抗剪断强度计算,考虑排水失效

5.5  上游围堰稳定设计

混凝土重力式围堰建基面和岩体垂直正应力可用《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范 P18》进行计算,要求上游垂直应力不出现拉应力(计扬压力),坝体任何截面的主压应力小于混凝土的允许压应力值。混凝土重力式围堰在设计洪水位时,迎水面允许有主拉应力0.1~0.15Mpa,堰体允许有主拉应力0.2Mpa。围堰的抗滑稳定安全计算采用“抗剪强度计算”进行。坝基截面的垂直正应力计算参照《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》P18  6.3.3公式进行计算。上游RCC围堰稳定计算结果。根据地质资料分析,上游围堰河床覆盖层厚度较薄,物理力学指标均较高,经计算成果见表2。

2 上游RCC围堰稳定计算成果

围堰

运行工况

最小安全系数

最大应力值

RCC围堰

挡设计洪水水位42.5m,基坑有水

1.14

0.16

RCC围堰

挡设计洪水水位42.5m,基坑无水

1.07

0.18

5.6  围堰度汛保护设计

上游围堰为RCC围堰,过水后防冲要求较高,为减少水的流速,增加抗冲刷能力,下游面采用台阶形式。下游土石围堰过水时采用钢筋笼护坡配合大块石防冲。

5.7  围堰工程量表

本工程围堰工程量见表3所示。

3    围 堰 工 程 量 表

围     堰

项     目

单位

工 程 量

备       注

RCC

土石方开挖

1000

 

RCC混凝土

9100

 

C15常态混凝土

367

 

500*500预制块

500

500*500*1500

截流戗堤

石渣

1000

 

中石

150

 

大石

20

 

粘土心墙

505.8

 

RCC面板

170

 

土石混合料

1687.2

 

护坡块石

843.6

 

钢筋笼填石

120

 

围堰的拆除

3326.6

 

 

5.8  土石围堰材料及主要工程量

1)石渣料。石渣料要求石质坚硬、不易破碎和水解。粒径400~700mm的含量30%左右,粒径50~400mm的含量40%左右,粒径10~20mm的含量10%~20%左右,粒径小于20mm的含量不超过10%左右,含泥量小于5%(按重量计),控制块体干容重26.00~27.00kN/m³,可利用左右岸上游渣场的石渣料。

2)块石。截流所需中块石料(0.5~0.7m)和大块石料(0.7~1.2m)存放在右岸上游渣场备用。护坡块石在堰顶用自卸汽车直接抛填。

3)填石钢筋石笼。下游围堰钢筋石笼采用商品钢筋笼(2×1×1m),钢筋石笼串联在一起,以形成钢筋块石笼串。钢筋石笼采用人工配合挖掘机现场填筑,选用粒径不小于20cm的坚硬块石装填,密实度须大于75%。

4)土料。土料宜满足表4中的要求,围堰所需防渗土料从左岸取土,土料储量约1000m³,满足下游围堰粘土心墙用量。

4  土料特性表

项    目

指     标

备       注

宜用土料

砂质粘土或砂壤土

 

粘粒含量

15%~50%

粘粒含量大于50%的粘土,浸水后不易崩解,不宜采用

渗透系数

≤1×10-8cm/s

 

崩解性能

良好

30min崩解50%~70%,24h完全崩解

6. 结语

在本文中对水利工程大坝围堰施工设计进行探讨,主要是通过工程案例开展。基于该项工程大坝围堰呈U”型对称分布,在实际施工时主要是运用围堰挡水、箱涵导流的围堰设计理念,并根据《水电水利工程施工导流设计导则》确定本工程围堰级别。通过上游围堰采用RCC围堰,下游采用土石过水围堰的方式,上游横向围堰轴线与大坝轴线平行,下游横向围堰轴线与导流明渠垂直,由于水流对围堰坡脚有一定冲刷,因此需要对下游围堰左岸坡脚部位采用钢筋石笼或大块石进行适当保护,以保证围堰的安全稳定,同时还需要注重土石围堰的材料以及工程量,从而更好的发挥防渗、抗洪功能,并为同类水利工程提供参考和借鉴。

参考文献:

[1] 黄远泽; 郑希娟; 其其格; 张雨豪盖下坝水电站大坝上下游围堰设计与施工  [J].东北水利水电2013,(11):38-41.

[2] 王锦峰; 杨鑫平下坂地水库大坝上游围堰设[J].西北水电2009,(04):80-82.

[3] 陈媛媛; 苏颖梅山水库大坝加固工程下游围堰设计与施工  [J].民营科技2009,(11):115-118. 

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