高椅施工导流设计(初稿).doc

5 施工导流5.1 导流建筑物级别和导流标准5.1.1 导流建筑物级别高椅水电站枢纽工程位于巫水中下游河段，是一座以发电为主，兼顾灌溉、航运等综合效益的工程。本工程枢纽建筑物主要包括大坝、厂房和升船机三部分。水库正常蓄水位211.00m，设计洪水位211.00m，总库容0.384亿m3。大坝坝轴线（含厂房段）长215.42m，最大坝高28.5m。混凝土溢流闸坝位于河床中部，共7孔，弧形闸门尺寸1210m，大坝为混凝土重力坝，电站厂房为坝后式，设在大坝左岸，主厂房尺寸长宽59.6216.5m，装212.5MW轴流转桨式水轮发电机，额定流量90.55m3/s，额定水头15.8m。斜面升船机位于右岸，设计吨位50t，年运输能力为50万吨/年。左右岸防洪堤为粘土心墙型式。根据水利水电工程等级划分及设计标准，高椅水电站枢纽为等工程，主要建筑物为3级，根据导流建筑物保护对象、使用年限、失事后果，确定其级别为5级。本工程导流围堰工程采用土石结构，根据水利水电工程施工组织设计规范，5级导流建筑物土石围堰相应的导流标准为105年洪水重现期。考虑巫水为山区河流，洪水来势较猛；但本工程布置土石围堰束窄河床后，上下游水位差小，水库库容不大，围堰失事对下游城镇的威胁有限，因此选定土石围堰洪水标准为5年一遇，即P20。5.1.2 导截流标准束窄的河床泄水标准为全年20%频率流量2220m3/s。一期主河床截流，截流时段为2009年12月下旬，截流设计标准为12月20%频率月平均流量553m3/s，二期河床截流时段为2010年10月，截流标准选用10月20%频率月平均流量814m3/s。5.1.3 导流建筑物的加高及安全系数（1）安全加高1）土石围堰堰顶安全加高堰顶高程不低于设计洪水的静水位与波浪高度及堰顶安全加高值之和，5级围堰其堰顶安全加高不低于0.5m。2）土石围堰防渗体顶部的超高土石围堰防渗体顶部在设计洪水静水位以上的加高值：心墙式防渗体为0.30.6m。（2）抗滑安全系数5级土石围堰堰坡的抗滑稳定安全系数不小于1.05。5.2 导流方式高椅水电站枢纽位于巫水下游，属山区河道，库区地貌为中低山齿脊谷地地貌，区内总的地势为东南西三面高，北面较低，山顶标高一般为400800m，沿河两岸零星分布、级基座阶地，其中级阶地高出河床510m，阶面宽1015m；级阶地高出河床2030m，阶面宽1050m。鉴于上述河道地形特征，有形成分期导流的天然条件，因此，本工程采用分期导流方式。5.3 导流程序枢纽布置方案为：左岸厂房、右岸溢流坝（闸）。一期施工导流采用右岸束窄河床导流，二期施工导流采用预留左侧两孔溢流坝段导流。导流程序如下：自2009年10月开始河床疏浚开挖施工、2009年12月20日前一期围堰合龙，到2010年10月20日二期围堰合龙，期间由主河床过流，对左岸厂房段、非溢流坝段进行施工。第一期导流（2009年12月2010年10月）：自2009年10月开始对主河床及右岸疏浚开挖施工，2009年10月初开始左岸上、下游横向围堰及纵向枯水围堰填筑，12月下旬围堰截流，2010年1月底围堰闭气，在围堰保护下开始进行左岸电站厂房、非溢流坝段等主体建筑物以及纵向混凝土围堰的施工，左侧1#2#溢流坝段完成两侧墩墙及底板部分，2010年10月初左岸非溢流坝段、电站厂房工程完成土建工程施工。第一期导流期间，由主河床泄流。第二期导流（2010年10月2011年3月）：利用一期纵向混凝土围堰作二期纵向围堰，2010年10月中旬主河床截流，枯水期巫水来水由预留的左侧两孔溢流坝段通过，汛期由溢流坝及电站厂房孔口共同宣泄。5.4 一期导流建筑物设计5.4.1 束窄河床导流设计（1）河床导流设计标准及通航要求河床导流使用期约11个月，担负着一期工程导流及施工期通航任务，设计流量选用5年一遇洪峰流量2220m3/s。一期工程施工期利用主河床维持通航，河道通航的要求参照永久通航建筑物通航水流条件：50t级船通过。（2）束窄河床过流能力计算在坝轴线处，原河床宽度由地形图量得约130m，根据枢纽建筑物的布置及坝体结构形式，厂房及溢流坝段左1#2#坝段位于一期围堰内，一期纵向枯水围堰轴线位置在溢流坝左侧第四孔，束窄度K0.4。束窄后的主河床是一期导流期间巫水河洪水的唯一通道。设计流量（P20%，Q2220 m3/s）时，必须保证河床的泄流能力，同时满足一期工程施工时中小流量的通航要求，使渠内流速分布均匀，流态良好。纵向围堰长度L为170m（基坑长度加上下游围堰轴线至坡脚的水平距离），水深H按照汛期的水深核算河床扩宽宽度：现状河床底部191.00m，设计流量（P20%，Q2220 m3/s）时水位198.42m，水深7.42m。故L/H22.9，根据水利水电工程施工组织设计手册，束窄河床过流按照明渠均匀流计算：Q式中：A过水断面面积，m2；本工程中A=bh=507.42=371.0m2R水力半径，m；R=371.0/(50+27.42)=5.72mC谢才系数，m1/2/s，按照满林公式n糙率，查表取0.030i河道坡降，按照1:200计取计算出Q2797.4 m3/s2220 m3/s，能满足一期围堰施工期过流要求。（3）上下游围堰堰顶高程计算根据水利水电工程施工组织设计手册，通过束窄河床的泄流量：Q=式中：流速系数，查表取0.85；b束窄河床宽度，m；h0上游水头，m；hs下游水头，m；按QAC2220m3/s计算hs6.38m，代入上式计算得h09.8m上游围堰堰顶高程：H上H河h0191.09.80.5201.3m，取上游堰顶高程为201.5m。下游围堰堰顶高程：H下H河hs=190.56.380.5197.38m，取下游堰顶高程为197.5m。（4）枯水土石围堰堰顶高程计算枯水围堰设计挡水标准按照12月份P20%频率月平均流量553m3/s，根据水利水电工程施工组织设计手册，通过束窄河床的泄流量：Q=式中：流速系数，查表取0.85；b束窄河床宽度，m；h0上游水头，m；hs下游水头，m；按QAC553m3/s计算hs2.63m，代入上式计算得h03.88m上游围堰堰顶高程：H上H河h0191.03.88194.88m，取上游堰顶高程为195.0m。下游围堰堰顶高程：H下H河hs190.52.63193.13m，取下游堰顶高程为193.5m。5.4.2 一期围堰断面及尺寸设计（1）围堰布置结合围堰基础围护范围、围堰水力学条件，对围堰进行布置：一期围堰由上游横向围堰、纵向围堰和下游横向围堰组成。上游横向围堰轴线与纵向围堰轴线交角为101度，长度78m。下游横向围堰轴线与纵向围堰轴线交角为103度，长度73m。纵向围堰轴线与坝轴线垂直，连接上下游横向围堰，中间部分利用溢流坝段左一中墩，围堰长度180m，中墩长度32.8m。一期围堰总长：上横78m纵向180m下横73m331 m，基坑面积14720 m2。（2）围堰地形地质条件区内属新华夏系雪峰山隆起带的南段，地貌依其基本形态和海拔标高可划分为侵蚀构造低山齿脊骨地貌，主要以板溪群拉榄组、震旦系江口组组成，岩性以板岩为主；一般标高500800m，相对切深200m450m，山顶多为尖棱或次棱角状，相互连接成不明显的齿脊状山脊；山坡坡度多在2540之间；谷地狭窄，谷底一般1030m，常有乱石和砂土堆积，厚度015m。库区范围内主要出露震旦系下统口组第三段（Zaj3）地层和第四系（Q）地层。未见有大的区域性断层存在。水库地质条件简单，成库条件好，不存在渗漏、浸没及较严重淤积问题。坝址水文工程地质条件简单，河床出露有弱风化基岩，开挖工作量小；岩体较完整，其地基强度满足低闸坝应力要求。两岸地下水出露高，相对不透水层浅，防渗帷幕接头短，且深度相对小。（3）围堰断面设计上、下游横向围堰断面及尺寸：上游横向围堰为土石混合围堰，堰顶高程201.5m，顶宽6m；下游横向围堰为土石混合围堰，堰顶高程197.5m，顶宽4m。上下游坡比均采用1：1.5，围堰防渗采用粘土防渗心墙，宽度2m。断面尺寸见附图。纵向围堰断面及尺寸：纵向围堰一、二期施工导流共用，采用重力式混凝土围堰，分上游和下游两部分，上、下游顶部高程分别与上、下游横向围堰同高，顶宽1m，与溢流段中墩同宽，上下游坡比采用1:0.1。上游纵向围堰底宽3m，下游纵向围堰底宽2.5m。断面尺寸见附图。枯水围堰断面及尺寸：枯水围堰为土石混合围堰，上游堰顶高程195.0m，顶宽3m；下游堰顶高程193.5m，顶宽3m。上下游坡比均采用1：1.5，围堰防渗采用粘土防渗心墙，宽度2m。断面尺寸见附图。5.4.3 一期围堰防渗鉴于坝区覆盖层浅，透水性弱，围堰基础防渗工程规模不大，一期土石围堰底部防渗采用挖掘机掏挖12m坑槽（砂卵石覆盖层厚度）后回填粘性土，碾压形成心墙基础。堰体上部采用2m宽防渗心墙防渗，上部心墙与围堰同步回填上升。纵向混凝土围堰基础清理至基岩面后直接浇筑混凝土。5.4.4 一期围堰边坡稳定分析根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001，围堰稳定计算选用瑞典圆弧滑动法，基本公式如下：式中：Wi各土条块重（kN）；b土条宽度（m）；i条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（度）；i土条滑裂面的内摩擦角（度）；ci土条滑裂面上的凝聚力（kPa、度）；在不同的工况中，稳定渗流期按有效应力法计算，水位降落期按总应力法计算。根据本工程围堰的地形地质条件及基坑情况，选取上游横向围堰断面作为主河槽部位的验算断面，主要计算成果见表5-1。表5-1 主要计算成果表部位工况迎水坡水位（m）背水坡水位（m）安全系数K迎水坡背水坡上游横向围堰稳定渗流期200.80191.01.361.25水位降落200.80191.01.23由上面的计算结果看出，一期上游横向围堰断面设计满足规范规定的5级临时建筑物安全系数不小于1.05的边坡稳定要求。5.5 二期导流建筑物设计5.5.1 二期导流设计（1）导流设计标准二期导流围堰使用期为2010年10月2011年3月，担负着溢流坝段施工期间分流任务，导流按照坝址分期洪水104月流量为814 m3/s。（2）导流水力学计算二期导流通过未完建左侧两孔溢流坝段孔口泄流。海漫段底部高程190.5m，设计流量（P20%，Q814 m3/s）时水位195.5m，水深5.0 m。按照明渠过流计算：Q式中：A过水断面面积，m2，AbhR水力半径，m，RA/(b+2h)C谢才系数，m1/2/s，按照满林公式n糙率，查表取0.013i坡降，按照1:200计取计算出Q870 m3/s814 m3/s，能满足二期围堰施工期过流要求。（3）上下游围堰堰顶高程计算根据水利水电工程施工组织设计手册，通过束窄河床的泄流量：Q=式中：流速系数，查表0.85b束窄河床宽度，b12224mh0上游水头，m；hs下游水头，hs5.0m计算得h08.25m上游围堰堰顶高程：H上H河h0191.08.250.5199.75m，取上游堰顶高程为200.0m。下游围堰堰顶高程：H下H河hs=190.55.00.5196.0m，取下游堰顶高程为196.0m。5.5.2 二期围堰断面及尺寸设计（1）围堰布置二期期围堰由上游横向围堰、纵向围堰和下游横向围堰组成。二期上游横向围堰轴线与坝轴线平行，长度75m。二期下游横向围堰轴线与坝轴线平行，长度74m。二期纵向围堰利用一期纵向围堰，长度180m。二期围堰总长：上横75m纵向180m下横74m329 m，基坑面积9270 m2。（2）围堰断面设计上、下游横向围堰断面及尺寸：上游横向围堰为土石混合围堰，堰顶高程200.0m，顶宽4m；下游横向围堰为土石混合围堰，堰顶高程196.0m，顶宽4m。上下游坡比均采用1：1.5，围堰防渗采用粘土防渗心墙，宽度2m。断面尺寸见附图。纵向围堰断面及尺寸：纵向围堰一、二期施工导流共用，采用重力式混凝土围堰，上、下游顶部高程分别与上、下游横向围堰同高，比较一、二期上下游横向围堰高程，取定上游纵向围堰顶部高程为201.5m，下游纵向围堰顶部高程为198.0m。断面尺寸见附图。5.5.3 二期围堰防渗鉴于坝区覆盖层浅，透水性弱，围堰基础防渗工程规模不大，二期上下游横向土石围堰底部防渗采用挖掘机掏挖12m坑槽（砂卵石覆盖层厚度）后回填粘性土，碾压形成心墙基础。堰体上部采用2m宽防渗心墙防渗，上部心墙与围堰同步回填上升。纵向混凝土围堰基础清理至基岩面后直接浇筑混凝土。5.5.4 二期围堰边坡稳定分析根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001，围堰稳定计算选用瑞典圆弧滑动法，基本公式如下：式中：Wi各土条块重（kN）；b土条宽度（m）；i条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（度）；i土条滑裂面的内摩擦角（度）；ci土条滑裂面上的凝聚力（kPa、度）；根据本工程围堰的地形地质条件及基坑情况，选取上游横向围堰断面作为验算断面，计算其稳定渗流期边坡安全系数，主要计算成果见表5-1。表5-2 主要计算成果表部位工况迎水坡水位（m）背水坡水位（m）安全系数K迎水坡背水坡二期上游横向围堰稳定渗流期199.25191.01.331.24水位降落199.25191.01.22由上面的计算结果看出，二期上游横向围堰断面设计满足规范规定的5级临时建筑物安全系数不小于1.05的边坡稳定要求。5.6 导流建筑物施工5.6.1 河床土石方疏挖河床疏挖按照疏挖长度180m，平均深度1.5m计，河床宽100m，疏挖方量27000m3。枯水季节采用挖掘机直接下河疏挖，集堆后用10t自卸汽车运输至弃料场。5.6.2 围堰填筑（1）一期围堰施工一期围堰布置在河床左岸，施工时段是在枯水期，计划先做枯水期低水围堰，合龙后抽排基坑积水，保证纵向混凝土围堰在干地进行施工。枯水围堰采用土石混合围堰，堰顶高程195.0m，施工时，先采用干地掏挖1.5m深（见基岩为准）2.5m宽防渗槽后回填粘土，做基层防渗体。上部回填粘土心墙围堰，心强墙宽2m；河床部分先采用土石混合料进占合龙，再开槽作粘土心墙防渗。上下游坡比均为1:1.5。一期围堰总长331m，分上下游横向土石围堰151m与纵向混凝土围堰180m。上下游土石围堰在干地开挖1.5m深（见基岩为准）2.5m宽防渗槽后回填粘土，做基层防渗体。上部回填粘土心墙围堰，心墙宽2m，粘土料、堰体土石料取自指定料场和利用基坑开挖料，心墙与坝体同步填筑。上下游坡比均为1:1.5。纵向围堰为混凝土围堰，为一、二期导流共用，利用左一溢流坝段中墩及消力池与海曼段底板，分为上下游两部分，与中墩之间设置伸缩缝及止水，防止渗漏。纵向围堰采用混凝土结构，结构尺寸见附图，在基础开挖至新鲜基岩面后浇筑围堰混凝土。（2）二期围堰施工二期围堰为主河床截流围堰，上下游横向围堰采用粘土心墙土石混合围堰，纵向围堰利用一期纵向混凝土围堰。5.6.3 围堰拆除一期上下游围堰在2010年10月二期围堰合龙后进行拆除，利用一期围堰料填筑二期围堰。2m3挖掘机配合1520t自卸汽车挖装运输。二期上下游围堰及纵向围堰在2011年3月进行拆除。5.6.4 二期施工交通桥二期截流后利用预留的左侧1#、2#溢流坝段孔口导流，左1#、2#溢流坝段在一期施工时不作堰体只浇筑底板砼。在上游纵向围堰至左岸间需架设临时交通桥，便于二期建筑物施工交通。交通桥采用钢架结构，共两跨，单跨跨度15米，右桥墩利用纵向混凝土围堰，中墩正对左1#2#溢流坝中墩上游，左桥墩在对应的一期上游围堰处，采用现浇钢筋混凝土桥墩结构。交通桥施工在二期围堰施工前完成。5.6.5 导流建筑物工程量导流建筑物工程量汇总见下表。表5-3 导流建筑物工程量汇总表项目名称河道疏挖（m3）土石填筑（m3）粘土心墙（m3）砼(m2)围堰拆除（m3）备注河道疏挖27000一期上游围堰16916.13628.920545.0一期下游围堰6772.42422.59194.9一期纵向围堰3466.71260.64727.3枯水围堰二期上游围堰10766.32227.512993.8二期下游围堰4141.21343.15484.3一、二期纵向围堰2660.02660.0砼围堰小计2700042062.610882.62660.055605.25.7 截流5.7.1 截流时段及截流流量二期围堰工程将截断巫水主河道，江水改由预留的溢流坝段左1#、2#孔流道下泄。根据施工总进度，截流拟定于2010年10月中旬进行。截流设计流量标准采用10月月平均流量51.3m3/s。5.7.2 截流设计（1）一期截流从一期围堰施工时段及施工平面布置上可知，枯水期左岸河滩基本无水，上游横向围堰沿左岸向河床填筑，纵向围堰顺水流向下填筑，下游横向围堰可在静水中填筑，本工程一期施工截流可不作考虑。（2）二期截流二期施工截流时，戗堤轴线选择在上游横向围堰的背水面坡脚处，龙口段设在主河槽偏右侧，河床基岩完整，抗冲性能好，根据坝址水文地质及地形条件，结合本工程特点，截流施工采用单戗立堵方式。（3）立堵截流水力计算河道来流量可分为四部分：QQgQdQsQr式中 Qg龙口泄流量Qd分流建筑物泄流量Qr上游河槽调蓄流量Qs戗堤渗流量不考虑上游河槽调蓄流量Qr和戗堤渗流量Qs，计为0；利用分流建筑物泄流量Qd在前期很小，后期较大；计算Qg51.3 m3/s。5.7.3 截流施工利用Qg=vBH，根据流速与粒径稳定性之间的关系，进行截流备料粒径计算：vK其中 d石块化引为球体的当量直径；g重力加速度，9.8m/s2；s、分别为块石容重和水的容重，t/m3；v计算流速，m/s；K稳定系数，取0.9。根据上式计算不同龙口宽度状态下，截流抛投石料粒径见下表。表5-4 演算龙口宽度与龙口最大流速表龙口宽度B（m）计算流速v（m/s）抛投粒径d（m）500.4100.011300.6840.029250.8210.042181.1400.082102.0520.26582.5650.41454.1041.061施工中备料以粒径2cm15cm石渣填料为主，辅助30100cm块石抛填合龙。为了争取施工工期，减少正式截流时的龙口抛投量，戗堤非龙口段于2010年10月初即开始抛填进占施工，直至形成30m的截流龙口。非龙口段戗堤施工时，束窄的河床流速与落差增长不明显，水流平缓，无冲刷发生。此时抛投料为石渣料。在明渠具备泄流条件之前，龙口两端堤头以大于0.3m的块石保护，形成防冲裹头。当进占进入龙口段时，随着龙口断面的逐步缩小，流速和落差逐渐增加。5.7.4 截流机械设备计划根据进度计划、戗堤前沿的卸车数量及机械设备的生产效率等，并考虑一定数量的备用机械，初拟截流施工的机械设备计划数量见表5-5。表5-5 截流施工机械设备计划表名 称规 格数 量左岸右岸合计自卸汽车30t641020t8614挖掘机1m3224推土机D80 180马力213D9H 410马力112装载机斗容56.9 m32135.8 基坑排水5.8.1 设计依据和标准（1）一、二期全封闭基坑围堰面积：围堰轴线内基坑面积即降雨汇水面积，一、二期分别为14720m2，9270m2。（2）降雨：截流时段在枯水期，初期排水可不考虑降雨；经常性排水时段，根据最大日降雨资料考虑最大排水强度。绥宁1991年8月7日最大日降雨强度为182.7mm。（4）围堰渗水：根据经验，渗流系数取0.25m3/d/m。（5）施工用水：基坑内砼施工用水按砼最大月浇筑强度13000 m3，每m3砼耗水量按1.3m3计算。5.8.2 初期排水围堰合龙闭气后，为使主体工程能在干地施工，首先进行初期排水，包括基坑积水、围堰堰身和地基及岸坡渗水、围堰接头渗水、降雨汇水等。围堰堰身和地基的渗水量随基坑水位的下降而增大，根据以往工程实践经验表明，基坑渗水因素有时难以预料，渗流计算不易符合实际，初期排水总量采用经验估算法，采用23倍基坑积水估算。一期围堰初期排水：2009年12月一期围堰合龙，按103月P20%频率洪峰流量553 m3/s相应的坝址水位194.7 m，计算基坑积水量：Q积4.21472061824 m3基坑排水总量按2倍基坑积水计算得：Q2Q积123648 m3。控制基坑水位下降速度0.5m/d，基坑积水计划8天排完，得排水强度1.55万m3/天，即645 m3/h。二期围堰初期排水：2010年10月二期围堰合龙，按104月P=20%频率洪峰流量814 m3/s相应的坝址水位195.5m，计算基坑积水量：Q积5.0927046350 m3基坑排水总量按2倍基坑积水计算得：Q2Q积92700 m3。控制基坑水位下降速度0.6m/d，基坑积水计划8天排完，得排水强度1.16万m3/天，即483 m3/h。由于基坑水深在5m以内，基坑抽水拟采用固定式抽水站，布置在基坑下游围堰的内坡附近。5.8.3 经常性排水经常性排水主要排基坑渗水、降雨汇水、施工弃水等，以保持基坑内的主体工程在干地施工。一期围堰经常性排水强度：Q排0.25153/24+0.182714720/24+110001.3/30/24134 m3/h。二期围堰经常性排水强度：Q排0.25149/24+0.18279270/24+1