水利水电工程施工中过水涵桥设计与施工--有计算书

1 石龙水电站过水涵桥设计与施工石龙水电站过水涵桥设计与施工 单兰亮单兰亮 中国水利水电第二工程局有限公司 摘 要 在中 小型水利水电工程的施工中 为解决两岸跨河临时交通的问题 常采 用过水涵管桥 这类涵桥使用期短 施工简易 造价低 尤其适合有流量小 宽河床的河 流上修建 本文结合石龙水电站厂房工程 对此类过水涵管桥的设计与施工进行了总结 为施工单位在承接类似工程时提供借鉴和参考 关键词 石龙水电站 过水涵桥 设计 施工 1 前言 石龙水电站是松江河梯级电站中的第三级电站 中型水利水电工程 枢纽由砼重力坝 引水系 统 发电系统等主要建筑物组成 电站厂房位于坝址下游 2 7km 处的松江河左岸 引水式地面厂房 两台机组 单机容量 35MW 总装机容量 70MW 厂房区水流走向为自北东 南西向呈 C 形 平水期水面宽 39m 58m 水深 0 5m 3 2m 河流靠近左岸山脚流过 左岸为陡峭岸坡 右岸为漫滩 一级阶地 厂房区导流方式为右岸明渠导流 厂区围堰为高喷芯墙土石围堰 设计标准为枯水期挡水标准 P 20 Q 491m3 s 大汛期在子围堰内侧利用厂区挡墙 尾水挡墙及尾水渠尾形成的围堰挡水 厂区总平面布置见图 1 图图 1 1 厂房区导流平面布置图厂房区导流平面布置图 导流工程施工期为 2006 年 7 月 15 日至 2006 年 9 月 15 日 松江河流域汛期集中在 7 8 月份 主要水文资料见表 1 表表 1 1 石龙水电站坝址处石龙水电站坝址处 5 5 8 8 月份月 旬平均流量月份月 旬平均流量 2 6 月份 m3 s 7 月份 m3 s 8 月份 m3 s 频率5 月份 上旬中旬下旬上旬中旬下旬上旬中旬下旬 P 10 107 6174 7165 1171 5255 7263 6265 3279 5258 2264 7 P 20 98 2163 8158 7162 2245 6248 7254 5256 0247 7240 1 注 表中数据未考虑双沟水库的调节作用 2 过水涵管桥设计 为了进行厂区右岸导流工程施工 需修筑一条过河桥联系两岸交通 因右岸导流工程量较小 施工期短 仅 2 个月 在下游子围堰修筑完成后 可利用堰顶平台作为联系左 右岸的施工道路 在综合流域的气象 水文条件 并充分利用梯级上游电站调洪 发电的优势 决定采用涵管过水桥 解决两岸的临时交通 尽快完成导流工程 提前进行厂房区主体施工 根据现场平面布置 过水桥中心线设置在下游土石围堰中心线外侧 10m 处 可避开导流明渠 回水影响 方便截流 减少堰体填筑量 不影响堰体高喷芯墙施工 2 1 设计参数选择 上游来水主要为上游小山水电站至石龙水电站区间流域汇水及小山水电站发电水量 小山电站 单机发电流量为 80 100m3 s 区间平均汇流量为 15 20m3 s 过河桥桥面为单车道 设计总宽度为 6m 汽车荷载等级为公路 II 级 钢丝石笼桥面 设计总 长 80 0m 设计高程为 445 30m 安全通行时过流高度为 40cm 最大过流高度为 1 0m 底孔采用 20 孔 120 200 10cm 钢筋砼涵管过流 管底安装高程为 443 4m 桥体校核洪水为 7 月中旬 P 20 Q 248 7m3 s 2 2 加固措施设计 为提高桥体泄流能力 涵管布置于主过流区 且平行于河流方向 为防止高速水流对桥基的冲 刷淘蚀 涵管底部设置在碴石回填区 桥体上 下游侧采用开挖的碴石护底 岸坡无涵管的桥体部 分采用钢丝石笼堆砌至桥顶设计高程 上 下游侧采用抗冲能力强的大块径 50cm 碴石护坡 为提高桥体的抗冲稳定及抵御超标准洪水的冲击 减小桥前雍水高度 增强桥体稳定性 桥体 设计时尽量降低阻水面积 加大过流面积 为了提高桥体的整体性 所有钢丝石笼均互相用同直径 的钢丝连接 桥面满铺一道由 12 的 20cm 20cm 的钢筋网 间隔一格与下部钢丝石笼连接 钢筋 网上 下游边与每孔涵管内壁的通长 12 钢筋焊接 为提高桥体承载力 将涵管设置在较平整的碴石基础上 管底设置四层草帘垫层 两涵管中间 及管顶均采用中粗过度料填实 以保证管壁受力均匀 过水桥具体设计图如下 3 图图 2 2 过水桥平面布置图过水桥平面布置图 图图 3 3 过水桥纵剖图过水桥纵剖图 图图 4 4 过水桥横剖图过水桥横剖图 图图 5 5 桥体典型断面图桥体典型断面图 3 过水桥水力学及稳定验算 过水桥水力学计算模型见下图 4 图图 6 6 过水桥水利学计算模型图过水桥水利学计算模型图 3 1 桥面不淹没时涵管过流能力验算 涵管按短洞有压流计算 桥面不过流 上游管口淹没深度按 0 8m 计算 涵管过流能力采用下 式 1 3 进行验算 1 1 zgAnQ cd 2 式中 n 涵管数 c 管道流量系数 按下式计算 1 1 1 L c 1 其中 为沿程阻力系数 计算时取 0 025 L 为涵管总长 m 计算时取 6m 为涵管中各局部水头损失系数的总和 只考虑进口及出口处局 部 水头损失系数 e 0 5 及 0 1 A 单孔涵管过水断面面积 m2 z 上 下游水头差 m 此时 c 0 7785 A 0 7854 z 1 1m 代入上式得 Qd 56 78m3 s 20m3 s 可确保上游 不发电时 桥面不淹没 当流量取 Qd 20m3 s 利用上式反算可知桥前洞口水深约 0 7m 此时水面距桥面高度为 1 1m 3 2 安全通行状态下过流能力验算 底孔仍按短洞有压流计算 计算公式采用式 1 1 桥面按宽顶堰流考虑 计算采用下式 1 2 1 2 2 3 2 HgmbQ cm 式中 b 堰顶宽度 即桥面总长 m H 包括行近流速水头的堰前水头 m 0 行近流速 m s m 自由溢流的流量系数 与堰型 堰高等有关 按下式计算 1 2 1 HP HP m 75 0 46 0 3 01 032 0 5 其中 P 上游堰高 m H 堰前水头 m c 侧收缩系数 按下式计算 1 2 2 1 2 0 1 4 3 Bb B b HP c 其中 B 上游河道宽度 m 系数 此处计算时可取 0 10 此时桥面漫水深度取 h 0 4m 上 下游水头差 z 1 6m 河道宽度 B 72m 桥面实际过流宽 度取 b 64m H 取 1 5h 0 6m P 1 8m 代入式 1 2 1 及式 1 2 2 得 m 0 32 c 0 993 上 述参数代入式 1 1 及式 1 2 得 Qd 68 48m3 s Qm 41 84m3 s 则总过流能力 smQQQ dmZ 32 110 3 施工期小山水电站单机发电流量按 90m3 s 计 区间汇入流量按 18m3 s 计 则发电期间过水桥 前通过的流量为 108m3 s 110 32m3 s 满足总过流能力要求 3 3 最大过流能力验算 最大过流能力按 248 7m3 s 进行校核 桥面淹没深度按 1 0m 计 上 下游水头差 z 1 8m 河道宽度 B 80m 桥面实际过流宽度取 70m H 取 1 5h 1 5m P 1 8m 代入式 1 2 1 及式 1 2 2 得 m 0 333 c 0 989 上述参数代入式 1 1 及式 1 2 得 Qd 72 63m3 s Qm 187 49m3 s 则总流量为 满足设计最大过流能力要求 smsmQQQ dmZ 70 248 12 260 33 3 4 桥体抗水流冲击稳定验算 按最不利的平桥面时的工况进行验算 此处仅验算涵管所处的主过流断面上的桥体整体稳定性 桥体受到的水压力分两部分计算 作用在涵管中间填充物上的动水压 可视为桥墩 及作用在涵管 上部桥面系上的动水压力 3 4 1 作用在桥墩上动水压力计算 1 3 g KP 2 2 1 式中 P1 作用在门架的单位面积流水压力 kg m2 着力点在水位线下 2 3 水深处 水的密度 1000kg m3 设计水流速 m s 本工程取 4m s g 重力加速度 9 81m s2 K 形状系数 此处取 1 5 将上述参数代入式 1 3 得 22 22 1 12 2 1223 81 92 41000 5 1 2 mkNmkg g kP 3 4 2 作用在桥面系上动水压力计算 6 1 4 h g KP 2 2 12 式中 P2 作用在桥面系上的水压力 kg m 系数 为安全计取不小于 2 0 作为计算中考虑不到的因素 如桥面不平及漂浮物 等不利因素 此处取 2 5 K1 上部结构阻水截面的形状系数 取 1 5 h 上部结构总高度 m 此处取 0 7m 将上述参数代入式 1 3 得 mkNmkgh g KP 21 7 21407 0 81 9 2 41000 5 25 1 2 22 2 则桥体受到的总动水压力为 NmmkNmmkNLPSPPZ8794 32 2157 16 12 22 21 上式中 S 为两孔之间的面积 L 为涵管所在区域的桥长 3 4 3 桥体所受的摩阻力计算 桥体所受的力主要为上述动水推力 桥体自重 浮力 摩阻力 渗透力等 水的密度 w按 1000kg m3计 桥体材的平均堆积密度 S按 1800kg m3计 桥体与下部碴石的 综合摩擦系数 取 0 6 计 渗透坡降按 9 计 则桥体自重及所受的上浮力合力计算如下 kNmkgNmkgmkggVF ws 2159 1 275 81 9 1000 1800 333 则摩擦力kNkNFf12946 02159 3 4 4 桥体所受的渗透力计算 桥体内渗透坡降 J 按 8 计 渗透力按下式计算 kNmkgNmkggJVG w 2161 275 8 81 9 1000 33 桥体所受的水平向下游的总推力为 kNFkNkNkNGPP z 12941095216 879 所以桥体在水位与桥面平齐状态下是安全的 3 5 桥体承载力验算 涵管承载力验算可参见 公路桥涵设计手册 附录三中 钢筋砼圆管涵验算方法 一节 本 工程所选用的圆管涵均按交通部技术标准制造 完全满足要求 此处不再赘述 根据公路桥涵通用设计规范规定 该桥可通过总重 55 吨以下 轴重不超过 28 吨的载重汽车 本工程均采用 25 吨自卸车 反铲挖掘机总重 25 吨 含料 装载机总重为 21 吨 含料 均不超 过桥体设计标准 故桥体承载力完全满足规范要求 7 4 过水桥施工 1 施工流程 施工准备 测量放线 左岸引路修筑 管底堆石体进占 涵管安装 管间填充 钢丝石笼安装 钢筋网片安装及桥体加固 岸坡段路面石笼安装及抛厂护坡 砂砾石桥面铺设 桥体承载力试验 2 主要分技术准备及资源准备 做好方案筹划 相关力学计算 并完成方案报批 按方案 准备过水桥修筑相关材料 如采购涵管 钢丝石笼 草帘 编织袋 钢筋 进行砂子 砾石料 块 石料收集 准备 3 辆 25 吨自卸车 2 台 1m3反铲挖掘机和 1 台 ZL 50 装载机 对施工人员做好交 底 规划好场地 因受上游不定时发电的影响 加强与小山电站的即时沟通 计算来水到达时间 3 按设计要求放出桥体定位轴线 将左岸引路修至左桥头 自卸车运料到左桥头开始管底 堆石体填筑 尽量采用大块径的石料填筑并及时整平 以减少施工期间过流裹带损失 提高堆石体 抗冲能力 堆石体上表面高程按低于涵管安装高程 20cm 控制 并按不小于 1 5 的坡度向涵管上 下游侧河床摊铺 以提高堆石体的抗冲能力 4 涵管安装随堆石体进占同时进行 以降低堆石阻水导致上游过度雍水 提高上游发电时 河床的过流能力 减少填筑料冲刷损失 涵管安装前 采用反铲整平管底 取上 下游河床里的砾 石料作为管底过渡料 用反铲斗配合人工水下整平 涵管吊运至水面后 将准备好的草帘放置于管 底 随管沉入水中 人工配合机械进行管体定位 对接 安装时从上游向下游进行 每孔定位后 在管顶处采用预制好的 12 的钢筋套子将三节管临时固定 并作为后期桥体加固用 5 每孔安装完成后 在上 下游孔口侧及接缝处采用多层砂袋填砌两管间的空隙 待完成 4 孔到 6 孔后再采用原河道的粗砾料填充管道中间 砂袋及粗砾料 粒径 5 20cm 采用人工压实 挤紧至管顶 20cm 边孔采用钢丝石笼砌成的边墙 与管间采用上述方法填充 每天收工后或上游 来水前将最前一孔的侧面用大块径石料或钢丝石笼打眼固定 并在前面堆筑堆石体 防止过水期间 将边孔冲毁 进而影响其它桥孔 如图 7 所示 图图 7 7 桥体施工期照片 上游发电时 桥体施工期照片 上游发电时 6 管间填充完成后 即进行桥面钢丝石笼的安装 钢丝石笼石料的块径应按 50cm 控制 吊运就位后人工整平 钢丝连接 石笼长向顺水流方向布置 以提高整体稳定性 减小桥面水阻 7 涵管桥段铺设完成后 及时完成两岸岸坡段路基块石填筑 路面石笼安装 石笼宜延至 8 上 下游坡面不小于 2m 岸坡路段护坡坡比应不大于 1 4 并采用大块石抛筑 8 整个桥面石笼安装完成后 即进行桥面钢筋网片安装 钢筋网片上 下游端应卷下 70cm 与桥面厚度同 但不能影响底孔过流 并与穿桥孔的钢筋套子进行焊接 间隔一网孔用钢 丝与下部石笼连接 9 桥体加固完成后 采用装载机进行桥面细砂砾料的铺设 通车前应进行桥体承载力试验 试验时采用从小吨位开始 逐渐加载到设计荷载 首次吨位不超过 15 吨 以 5 吨级加载至 25 吨 并检查桥体变形情况 验收合格后方可投入正常使用 严格控制车辆的装载量 不得在桥面超载行 驶 车速不得超过 10km h 行驶时不得急停或猛然加速 5 过水桥运行维护 1 过水桥施工期及运行期应加强桥体两侧引路及其上 下游侧的防护的巡查 尽量采用大 块石钢丝石笼进行防护 防止水流冲毁岸坡 并波及岸坡段及涵管段的安全 2 运行期在桥头设置安全标识 桥面过流水深超过 40cm 时 机动车或行人严禁过河 桥 面在安全通行前 应及时清除漂浮物 以免影响桥孔及桥面系的泄流 每次过水后加强桥体的维护 使用期加强天气预报及水情测报 密切关注上游水情和发电情况 合理安排施工时间及出渣时间 保证机械设备和人员的通行安全 6 运行效果 过水桥修筑时间历时 7 天 期