施工截流设计.

1 FCD71050 FCD 初步设计阶段水电建设项目 截 流 设 计 大 纲 范 本 水利水电勘测设计标准化信息网 1995 年 2 月 2 初步设计阶段水电建设项目 截 流 设 计 大 纲 主 编 单 位 主编单位总工程师 参 编 单 位 主 要 编 写 人 员 软 件 开 发 单 位 软 件 编 写 人 员 水利水电勘测设计标准化信息网 1995 年 2 月 3 目 次 1 引 言 4 2 设计依据文件和规范 4 3 设计基本资料 4 4 截流时段选择 5 5 截流流量的选择 6 6 截流方式及方案的选择 6 7 截流戗堤和龙口选择 7 8 截流水力计算 8 9 截流材料的选择 尺寸和数量 11 10 截流闭气 12 11 确保顺利截流的常用技术措施 12 12 截流施工 12 13 截流水文观测 13 14 应提供的设计成果 13 附录 A 截流水力计算 15 附录 B 确保顺利截流的常用技术措施 16 4 1 引 言 工程位于 是以 为主 等综合利用的 水利水电枢纽工程 正常蓄水位 m 最大坝高 m 总库容 m3 电 站总装机容量 MW 年发电量 kW h 灌溉面积 km2 通航 t 级 船队 舶 本工程可行性研究报告于 年 月审查通过 选定坝址为 本工程采用 截流方式 2 设计依据文件和规范 2 1 有关工程文件 有关本工程主要文件有 1 工程可行性研究报告 2 工程可行性研究报告审批文件 3 初步设计任务书 4 施工导流和截流模型试验报告 2 2 主要设计规范 有关的设计规范主要有 1 水利水电工程施工组织设计规范 SDJ338 89 试行 2 水利水电工程设计工程量计算规定 修改稿 3 水利水电工程初步设计报告编制规程 DL 5021 93 3 设计基本资料 3 1 工程等级 本工程为 等工程 主要永久建筑物闸 坝 按 级设计 厂房按 级设计 临时导流建筑物按 级设计 3 2 地形地貌 坝址区地形图 1 1000 1 2000 3 3 地 质 河床基础覆盖层 厚度 岩土物理力学性质 钻孔柱状图 基岩等高线 地质纵 横 剖面图 平面图 附地下水位线 5 3 4 水文资料 1 枯水期各月或旬 P 5 10 20 的平均流量 2 河流流速 m s 及水位 m 3 河流水位流量关系曲线 河道沿程水面线 河道糙率资料 3 5 冰 情 1 坝址附近河道开始流水 封冻至解冻时间 2 冰块尺寸 及厚度 m 3 6 施工条件 1 当地材料供应情况 2 本工程施工机械供应情况 3 劳动力供应情况 4 交通条件 3 7 截流时有关通航 灌溉 供水 过木等要求 3 8 导流建筑物 1 导流建筑物布置图 2 导流建筑物过水能力 3 9 工程工期 3 10 提供围堰的布置图 4 截流时段选择 4 1 一般原则 1 分析水文特征 尽量在较小流量时截流 2 对有通航 过木 灌溉供水要求的 应全面兼顾 使截流对河道综合利用影响较 小 3 有冰情河道 尽量避开流冰期截流 4 工程进度要求必须满足 在满足工期要求的前提下选择截流时段 4 2 截流时段选择 4 2 1 枯水期的时段划分 提示 一般河道的枯水期 按水文特征可分为 汛后退水期 稳定平水期和汛前迎水期 4 2 2 截流日期的确定 提示 综合分析枯水期各时段及权衡分流建筑物 合龙及围堰施工难度 以期获得合理的截流 6 日期 1 截流在汛前迎水期时 应充分分析可能出现的问题 以便采取切实可行的措施 2 枯水期长 截流后至汛前围堰填筑量不大时 应尽量利用平水期截流 3 当围堰工程量很大 可在汛后退水期截流 5 截流流量的选择 提示 混凝土坝可选用 5 10 年一遇月或旬的平均流量 土石坝可选用 10 20 年一遇月或 旬的平均流量 5 1 根据河流水文特性及施工条件进行选择 5 2 可根据施工期可靠的水文预报资料 适当地修正截流设计 6 截流方式及方案选择 提示 截流方法 一般有平堵 立堵两种类型和平 立堵组合型 另外还有爆破截流 下闸截流等 目前已有 大吨位自卸及装载设计的情况下应优先使用立堵截流方法 1 平堵截流法 1 平堵截流龙口较宽 单宽泄量小 流速小 2 戗堤不作交通运输 戗堤窄 工程量小 3 对龙口河床要求相对不高 适于软基河床截流 4 平堵需要架桥 随着自卸卡车吨位和抛投块体增大 对桥的承载力要求不断提高 使桥 结构复杂 成本提高 5 架桥也受水位 流速及气象等影响 一般架桥流速低于 3m s 6 需要设备较多 使施工准备工作困难 2 立堵截流方法 1 立堵是从龙口一端向对岸或两端向河中心进占 使之龙口宽度随着进占愈来愈束窄 水 流因急剧约束 流速及落差也急剧增长 2 龙口单宽流量较大 且分布很不均匀 需要单个重量较大的截流材料 3 立堵不需架桥 准备工作简单 造价较低 施工较灵活 对航运影响较小 4 立堵龙口单宽流量大 合龙最困难区段 高落差 流速大 且分布不均匀 一般适用于 岩基河床 但在软基河床上应用也有成功 随着大型施工设备的广泛使用 立堵方法由于施工准备时间少 工效快 它得到普遍应用 一般情况下优先使用立堵方法截流 只有在极特殊情况下 才考虑平堵方法截流 3 爆破法截流 除对爆破技术的论证外 还需着重论证大量料物突然入水 所激起的波浪传播及突然断流对 下游的影响 4 下闸截流 应论证闸门下沉条件和方法可靠性 6 1 截流方案选择 7 6 1 1 根据水文 地质特征 施工机械设备和截流材料供应情况 及导流建筑布置泄流能 力 综合考虑拟定各种不同截流方案 6 1 2 对拟定方案 进行全面分析 比较参照国内 外类似工程的截流实践经验 选择最 优截流方案 6 1 3 截流水力大模型试验 提示 截流过程中水力条件是非常复杂 所有计算只能作为参数 对大中型水利水电工程 水力模型试验是必须 7 截流戗堤和龙口选择 7 1 截流戗堤位置选择 提示 1 根据工程地形 地质条件 枢纽布置 围堰布置 堰型 截流方式 料场布置 交 通条件等进行综合比较选择 2 当截流戗堤作为永久土坝的一部分 而且使用大块石较多时 通常布置在背水坡脚 坝址排水棱体 3 当截流戗堤是临时困难的一部分 戗堤布置在上游围堰或下游围堰中非防渗体的位 置 7 1 1 选择戗堤位置时 应与龙口位置选择相结合 全面考虑各种因素 通过综合比较而 定 7 1 2 截流 闭气和修筑围堰互相关联 其选择应利于迅速闭气并进行基坑抽水 还应权 衡截流前后的围堰施工强度 一般单戗堤布置在上游围堰内是有利的 7 1 3 平堵截流戗堤轴线的选择 主要根据地形条件考虑 便于架桥 使之工作量小 如 采用栈桥 还要研究地质条件和水流条件等 7 1 4 截流戗堤位置与围堰结构型式有关 其位置布置不合适 造成闭气和围堰施工问题 复杂性 甚至可能留有隐患 7 1 5 要考虑与防渗体的关系 防止合龙时的流失料进入防渗体部位 在戗堤与防渗体之 间要留足够闭气料或过渡带厚度 7 1 6 双戗堤或多戗堤截流 戗堤间距需满足一定要求 提示 1 当围堰底宽不太大 上下游围堰间距不太大时 可将两个戗堤分别布置在两个围 堰内 2 当围堰底宽比较大 上下游围堰间距也很大 可将双戗 布置在一个围堰内 若 采用多戗堤时 一个围堰内需布置两条戗堤 两戗堤间距应有适当间距 3 当戗堤不与围堰相结合 必须经过专门论证 方可布置 4 采用双戗或多戗 因围堰底宽和间距不能满足布置要求 也可将戗堤布置在基坑 内 7 2 龙口位置选择 8 7 2 1 龙口尽量选在抗冲刷能力的河床基岩裸露或覆盖层薄之处 避免冲刷 防止戗堤突 然坍方 7 2 2 龙口选在基岩石粗糙河底 不宜有顺水流陡坡和深坑的地方 有利于抛投料物的稳 定 7 2 3 龙口周围应有比较宽阔的场地 距各地料场近 便于布置交通道路 7 2 4 龙口的水流条件应顺直流畅 使之戗堤前缘抛投料的稳定 避免水流冲刷河床河岸 5 2 5 通过模型试验另以充分论证 提示 有通航要求的河流 预留龙口一般布置在深槽主航道外 7 3 预留龙口宽度 提示 主要取决河床缩窄后造成的水力条件 宜以一般石渣能够顺利进占且有利于减少合 龙工程量控制 7 4 戗堤设计 7 4 1 戗堤顶高 戗堤顶高一般由合龙后戗堤挡水时段的挡水流量 一般比截流流量大得 多 及防渗墙施工时的超高确定 7 4 2 戗堤顶宽 应综合权衡合龙工程量及施工强度 7 4 3 戗堤边坡 一般由抛投料场的特性以及戗堤与水流关系确定 8 截流水力计算 提示 1 截流水力计算是不稳定流 因来流变化较小 可近似按稳定流计算 在截流过程 中 分流量 龙口流量 龙口宽度和形状是变化的 2 截流水力计算内容 包括截流过程中立堵预进占的龙口水力特性 流速 水位变化 合龙过程中随着龙口宽度及戗堤高度的变化 上 下游水位落差 泄水建筑物的分流量 龙 口泄流量 龙口单宽流量 单宽功率及龙口流速的变化 8 1 河道来流量 截流设计流量 截流过程中 河道来流量分配按下式计算 1 QQQQQ riacs 式中 Qr 河道来流量 截流设计流量 Q 龙口流量 Qi 分流建筑物中通过的流量 分流量 9 Qac 上游河床中的调蓄流量 Qs 戗堤渗流量 通常当Qac和Qs可以不计时 则有Qr Q Qi 联合泄流 宜用图解法 8 2 分流建筑物的泄流计算 提示 通常分流建筑物有明渠 隧洞 永久泄水闸孔及附属消能设施 混凝土坝坝体缺口和底 孔 未完全拆除的前期围堰处的缺口和遗留堰坝等 水流为压力流或堰流 多为联合泄流 对于截流计算一般不要沿程的详细水面线 只按一些特征点 计算出分段落差 8 3 几种典型水流计算 提示 1 明渠流 通常明渠是缓流 已知下游断面水深 渠长及断面形状 底宽 底坡和水力要求 求其上游断面的水 深和落差 2 堰 流 泄水闸孔与消力坎 明渠或底孔 未完全拆除的前期围堰等处按堰流计算 1 淹没堰流计算 一般按堰流公式考虑淹没系数 用试算法由下游水位推求上游水位 2 非淹没堰流 其流量系数的值可按水力学手册中的资料取用 只因堰上水头较小 未完全拆除围 堰缺口的堰流 m 值可按实用堰流取用 消力坎等处可按折线型实用堰流取用 见下表 3 压力流 可按水力学手册有关压力计算 8 4 截流过程中上游河槽调蓄流量计算 提示 截流过程中调蓄流量是变化的 如果它很大 需要认真研究 一般情况下可以不考 虑 1 立堵截流 按下式计算 1 Qs u WdHdB ac 式中 上游水库平均面积 m2s 戗体的平均横断面 m2 W 10 Qac 调蓄流量 u 戗堤的抛投强度 一般合拢过程中的 H f B 曲线较近于直线 故可将 dH dB 近似当作常数 并取 dH dB Zmax B B0为起始龙口宽度 和 u 均可当作常数 则 Qac也可近似当作常数 SW 2 平堵截流按下式计算 2 QS Um pdH dP ack 21 同样 将 dH dP 视为常数 并取 dH dP Zmax hr Zmax 可得 3 QS UmmhZP ackr max12 式中 Qac 调蓄流量 上游水库平均面积 m2 S Uk 戗堤单宽抛石强度 hr 天然河道水深 m Zmax 截流最大落差 m m1与 m2 平堵抛石戗堤的上 下游坡度 一般可取 m1 1 25m2 2 0 P 合龙过程中的抛石戗堤高度 m 8 5 截流戗堤的渗流量估算 提示 1 对于平堵截流 如抛投材料粒径较大 渗流量一般不能忽略 2 对于立堵截流 戗堤顶宽一般较大 需要大量石渣堆筑戗堤 渗流量一般较小 对于合龙的非困难段流流量可以不计 对于临近最终合龙的困难段 渗流量与来量比虽然显 得很小 但它与龙口流量相比 还是不容忽视的 此时应当予以考虑 3 一般通过截流戗堤渗透属于紊流渗透 但因立堵截流过程中的大部分区段 使用大 量混合石渣 渗透比降较小 其流态可能为过渡流态 按均匀粒径料的紊流渗透的公式估算 渗流量常偏大 可参考已建工程实测渗流资料初估渗流量 8 6 戗堤预进占阶段水力计算和预留龙口宽度确定 8 6 1 戗堤预进占阶段水力计算 提示 戗堤预进占阶段是指形成龙口前的进占阶段 即对应于分流建筑物过水前的进占阶段 其水力计算按河床窄束计算 8 6 2 预留龙口宽度的确定 提示 1 一般要求龙口流速不大于 2 5 3 5m s 水面比降不大于 3 水深不小于 2 3m 初步设计可估算龙口流速 当龙口宽度交小时 小于 50m 时 龙口最大流速可取 1 2 1 3 倍龙口 平均流速 流态应通过模型试验进行研究 2 若有通航要求 会同航运部门 考虑通航条件预留龙口宽度 3 对于无通航要求的河道 龙口宽度按预进占时使用材料的抗冲能力考虑预进占时使用 材料应给予限定 一般应为混合石渣 d 40cm 8 7 截流水力计算 11 提示 截流方式不同 水力计算的方法 要求亦不同 根据具体情况按附录 A 的要求进行 9 截流材料的选择 尺寸和数量 9 1 龙口预抛护底用散料材料的稳定计算 9 1 1 预抛护底工作 是在龙口形成后的截流初期进行 但它常在龙口形成前的汛期前后 进行 9 1 2 护底材料在河底的堆积过程取决于大面积定点抛设的顺序 通常只需按平底抗滑或 抗倾校核 9 1 3 表层材料粒径应按渡汛 汛前护底 和合龙两种水力条件选择 9 2 截流材料的尺寸 截流材料的尺寸取决于龙口的流速 抛投材料的抗冲流速 其计算公式为 2 dVKgrrr s 2 2 式中 d 石块化引为球状的当量粒径 m rs 石块容重 一般石块 rs 2 65 2 7t m3 r 水的容重 取 r 1 0t m3 g 重力加速度 9 81m s2 k 稳定系数 光滑河底 K 0 86 一般 K 1 2 V 计算流速 通常计算流速可取龙口平均流速 m s 公式中求出 d 应乘以 1 2 1 5 安全系数 提示 立堵截流 平底抗滑 K 0 9 边坡上 K 1 02 混凝土立方体 平底 K 0 57 0 59 当河床 n 0 03 时 平底 K 0 76 0 8 当河床 n 0 035 时 边坡上 K 1 08 混凝土四面体 平底 K 0 53 当河床 n 0 03 时 K 0 68 0 71 当河床 n0 035 时 边坡上 K 1 05 平堵截流 平底抗滑 K 0 9 边坡上 K 1 2 9 3 截流材料数量 提示 按合龙过程中不同高程或宽度时的各区段水力参数计算相应的材料粒径及数量 12 1 平堵截流时 最大粒径材料数量可按实际使用区段 Z 0 4 0 6 Zmax考虑 也可 按最大流速出现时起 到戗堤出水时所用材料总量的 70 80 计算 2 立堵截流时 最大粒径材料数量 按困难区段抛投总量的 1 3 计算 在实际工程 使用特殊材料数量 约占合龙段总工程量的 10 30 一般 15 20 不利条件可达 30 若按最终合龙段统计 特殊材料所占比例约为 60 3 备用量除按戗堤设计用量的 1 2 1 3 倍计算外 还应考虑回采损失和运输损耗 以及安全储备 10 截流闭气 10 1 截流闭气 提示 截流抛石戗堤合龙后 有一部分水流穿过戗堤孔隙下泄 必须进行闭气工作 堵塞 渗透的通道 在非多发性河流中 截流后的闭气比合龙所花时间还要长 据实测资料统计 采用混凝土块体截流时 平堵中透过截流戗堤的渗流量 可达到总来量的 25 30 立堵 中透过截流戗堤的渗流量可达 20 左右 闭气有时也不是容易的事 10 2 闭气施工 10 2 1 一般采用反滤层的铺设方法 在戗堤迎水面抛投碎石 然后再在碎石层上面抛填 砂 粘土 直至基本堵死渗透为止 在抛投料物时 使之各抛填物稳定 均匀 提示 有的工程采用铺油布 帆布 近期多采用土工细布 再抛填土闭气 效果较好 闭气快 10 2 2 抛填料物要求同反滤层料 10 2 3 多砂性河流截流后的闭气 如黄河上工程 可采用人工造淤或放淤办法闭气 11 确保顺利截流的常用技术措施 提示 为了确保顺利截流 可根据工程不同条件采用相应措施 见附录 B 12 截流施工 12 1 控制性进度 1 准备工程 截流两岸施工道路 块石料场开采 堆场及混凝土预制场平整 及料 物的储存 截流施工试验等 均在截流之前完成 2 上 下游戗堤开始进占 龙口形成日期 甚至断航时间 3 泄水建筑物形成和泄水闸分流时间 13 4 龙口合龙起止时间等 5 闭气抽水 12 2 截流施工布置 提示 根据截流所需要块石料 混凝土预制块数量及其料源 确定料场位置 使用部位 流 向及混凝土预制块施工方法 块石 混凝土预制块堆场选择及通往截流围堰施工所需道路的 布置 13 截流水文观测 提示 为了保证顺利截流 在截流过程中 水流不断变化 必须及时了解水流流态 流量 流速 水位变化 水下地形 块体流失 河床冲淤变化等情况 作为截流进占依据 13 1 截流前期各阶段水文观测内容 1 截流前的观测 主要观测截流河段的水力要素 水下地形 河床冲淤 地层组成 变化 2 上游龙口辅助措施 如拦石栅 坝 护底等 施工时及完工后 观测作业区水流流 态 流速 水面比降 在施工前后及汛期后龙口范围的水下地形河床冲淤情况等 3 非龙口进占时的观测 主要观测进占时的水位 流速 水流流态及河床冲淤变化 情况 4 龙口合龙段的观测 主要观测水流流态 水位 流量 流速 比降等变化情况 及抛投块体的冲动情况 14 应提供的设计成果 14 1 图 纸 1 截流工程施工总平面布置图 2 截流工程平面布置图 3 截流戗体剖面图 4 各期截流戗堤非龙口段进占平面图 5 上 下游截流戗堤施工程序图 6 截流辅助措施结构平面布置图 7 上 下游龙口段进占分区纵横断面图 8 上 下游龙口段进占水力特性曲线 9 截流流速 块石粒径 重量关系曲线 14 10 截流流速 混凝土块体重量关系曲线 11 上游龙口段不同口门宽度与上游导流量关系曲线 12 导流分流量 流速关系曲线 14 2 报告与计算书 1 截流设计报告 2 截流水力计算书 3 截流水力模型试验报告 4 截流水文观测报告 15 附录 A 截 流 水 力 计 算 A1 立堵截流水力计算 A1 1 龙口泄流水力计算 按堰流计算 A1 2 合龙过程中的水力计算 1 不考虑调蓄流量和渗流量的计算 绘制分流曲线 龙口泄流曲线 求出几组相应的宽度 水位 来量和分流量 计算合 龙过程中的水力参数 并绘制合龙过程中各水力参数的变化图 2 考虑调蓄流量和渗流量的计算 求出调蓄流量和渗流量 二者迭加绘制二者迭加及水位曲线 求出不同底宽的流量和 水位值 即可进行各项水力计算 A2 平堵截流水力计算 A2 1 龙口过水水力计算 仍按堰流试算 A2 2 合龙过程中的水力参数计算 考虑调蓄流量和渗透量的情况进行计算 原则同立堵水力计算 A3 双戗堤立堵截流水力参数估算 A3 1 计算方法 提示 双戗堤截流实际上是比较复杂 两个戗堤上的落差分配可按两个单戗堤计算 1 双戗堤间距较大的情况 上戗龙口下泄水流已经扩散完毕 或接近扩散完毕 才遇到下戗 此时龙口的泄 流 能力和落差均可用单戗立堵计算 若河床比降糙度不太大时 下戗上游水位可近似视上戗 的下游水位 河床比降很大 应推算区间水面曲线 计算相应能量损失 这种情况少见 2 双戗间距较小情况 上戗龙口下泄水流未充分扩散就流过下戗龙口 计算下游龙口的泄水能力仍按上述方 法 但应计算行进流速水头影响 A3 2 几种常见双戗立堵问题 1 双戗平分落差 河床经降不大 可视为平分落差 两个龙口流速相等 上 下戗 都可使用同样的粒径材料 可计算出两个龙口宽度 2 两个龙口的流速大致相等而落差不等 两个龙口的水流流态均为淹没流 计算 V 上 上游龙口流速 和 V下 下游龙口流速 其 V下取决于戗堤间距和上戗堤的束窄度 所以 应试算 16 3 双戗轮流进占 提示 采用此法是充分利用当地一般石料 只有在两戗总落差较小的条件下 按材料极限抗冲流速 控制 4 上戗为主 下戗为辅 提示 这方案较常见 下戗只起辅助壅水作用 上戗截流 难度能否降低 主要取决于下戗所承担 的落差大小以及下戗壅水是否影响到上龙口水流的淹没度 一般已知下戗要求承担的落差大小或双 戗的落差分配比例 其计算方法平分落差情况类似 A4 混合式截流计算 A4