某混凝土重力坝施工导流设计(1).doc

一、工程概况某混凝土重力坝施工导流设计本水库是该流域水利水电建设规划中的主体工程之一。坝址位于某乡上游 3km处，控制流域面积 317km2，坝址处多年平均流量 11.1m3/s，年径流总量 3.5108m3。本工程是一座兼有防洪、灌溉、发电、水产养殖效益的综合开发的水利枢纽工程。工程总库容为 1.6108m3，正常高水位 130.0m，死水位 112.0m，设计洪水位 130.74m，校核洪水位 132.4m，水库有效库容达 1.0108m3，为年调节性水库。该工程拦河坝的坝型为砼重力坝，电站布置在河床右侧的非溢流坝段的后面，为坝后式布置，坝顶全长 315m，坝顶高程 135m，其中左非溢流坝坝段长度为 100m，溢流坝段长度为48m，右非溢流坝段长度 167m，溢流坝段布置在河床中部偏左岸，设有 3 孔 6m12m 的弧形工作闸门，堰顶高程 124m，坝底最大宽度为 54m，消能方式为挑流消能，在坝后式厂房处，非溢流坝段的最大底度为 46.6m，厂房最大宽度为 13.7m，厂坝联结段为 4m。电站装机容量为 23200KW。引水压力钢管设在非溢流坝段内，进水口底板高程为 95.0m，管径 1.75m，采用单机供水的布置方式。水轮机安装高程 85.0m，设计工作水头 36.0m，最大工作水头 45.0m，最小工作水头 27.0m。工程枢纽处地形及工程布置见图 1。二、基本资料1.工程水文资料该水库库容在 1108m3以上，主坝工程为二级建筑物，坝址设计洪水过程线，是根据上游 3km处水文观测站实测某年最大一次洪水典型加以修正，以洪峰、洪量控制进行放大而得。现将各设计频率洪水过程线、施工设计洪水等水文资料列于表 1表 5。表 1 坝址设计洪水过程线 单位：m3/s时间频率1%2%5%10%20%时间频率1%2%5%10%20%01010105560138107106815961217866015260018443814636811227666728750724461425730412818116013409967235047835272618172430364292348267534278041558840663434052930847430942325336624034320884909610225201071914101510125115485420921127618021816317511813388洪量（亿m3）1.26 1.09 0.87 0.69 0.53频率（%）表 2 施工设计洪水成果单位：m3/s分期全年施工21340599610732205047 月次年 4 月9 月次年 3 月10 月次年 3 月10 月次年 4 月1150316263319860235186252600175133206400119861571年月123表 3 水文站实测历年月平均流量4567891011单位：m3/s12合计年平均19625.788.4220.219634.735.8718.811.411.63.381.8715.18.8124.611.28.5716.46.7612.37.513.092.97142.2511.812.519.48.02154.4812.9196417.512.210.815.945.874.251.320.96.134.153.203.97266.0522.219653.054.198.4016.821.659.311.111.25.793.303.072.72150.4912.519662.923.7610.513.635.517.58.425.993.353.052.522.30107.418.9519674.305.627.2819683.124.208.6819.230.823.347.910.38.1221.411.514.83.925.054.275.153.713.46114.669.554.773.152.71140.0511.719693.0716.36.917.5512.027.78.425.212.582.304.683.40100.28.3419705.053.118.4012.122.028.07.226.805.643.554.163.38109.389.1119713.369.0515.919723.852.955.2515.212.814.630.427.08.3244.815.910.816.05.204.524.986.264.30131.9711.06.695.903.58143.3712.019732.752.622.6819746.396.777.6119752.243.264.354.2121.314.210.915.68.7912.811.022.88.6013.38.117.083.629.273.016.916.423.275.363.3380.023.822.892.6296.885.785.846.3986.896.678.077.2419765.137.948.0519772.524.7510.326.613.513.850.025.132.736.216.87.453.1313.05.104.363.453.07140.4811.74.065.193.37165.0913.819782.813.029.0612.314.87.887.445.354.043.972.984.5078.156.5119796.906.7010.817.826.529.631.922.19.257.635.593.86178.6314.919803.244.2013.518.529.726.436.611.119.68.857.717.99187.3915.719814.616.567.5019821.988.624.649.7121.95.5615.238.28.5917.77.597.624.6018.110.93.342.352.33115.799.657.0613.66.98117.939.83合计 95.0 130.11 200.06 299.53 523.89 579.88 309.54 209.29 150.57 110.09 114.07 85.25 2807.28 234.12平均 4.526.209.5214.324.9427.6114.749.597.175.245.444.06133.6811.14表 4 坝址水位流量关系曲线水位（m）84.384.685.086.087.088.089.090.091.092.093.0流量（m3/s）055022050085512801730237029903630高程（m）9095表 5 水库容积曲线100105110115120125130135面积（km2）0.1460.9551.7682.6323.4404.3505.2816.2877.2068.088容积（万m3）027595620603574552279351083014200180202.坝址地形地质条件（1）左岸：地形自然坡度为 1：1.52.0，覆盖层 23m，全风化带厚 35m，强风化加弱风化带厚 5m，微风化厚 4m。（2）河床：岩面较平整。冲积沙砾层厚约01.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚36m。河床纵剖面地形中，迎水面坝踵处岩面高程约在 86m 左右，背水面坝趾处岩面高程约在 83.5m 左右。距坝趾下游 15m 处有一深潭。高程约 81m，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。（3）左岸：地形自然坡度为 1：2 左右，覆盖层 46m，全风化带厚 68m，强风化带厚24m，弱风化带厚 24m，微风化厚 112m。2（4）坝基开挖：强风化层要全部挖除。坝基的开挖范围应与建筑物的底部轮廓尺寸相适应，开挖的深度按坝底应力和坝基强度而定。（5）坝后式厂房基础：厂房设于坝后靠右岸的河床处，设计最低开挖高程为 7983m 之间，全部处于微风化新鲜基岩内。3.主要施工条件（1）对外交通：目前已有两条三级公路分别从两岸经过坝首和坝区。（2）施工电源：目前已有 35KV 输电线路有县城架至G 镇，距坝址仅 3km，施工用电可利用本县电网中的水电，电源充足，质量可靠。（3）主要建筑材料：本枢纽主坝为砼重力坝，坝体砼所需的卵石，在坝址上下游 12km均可开采，河砂在距坝址10km处的下游采集。库内盛产竹木，自给有余。仅水泥、钢筋、机电设备等需要外购。5.施工年限本工程主体部分的大坝和电站厂房，施工工期为两年左右，准备工程在第一施工年度的47 月份完成，水库在第三施工年度的汛后开始蓄水，并在 10 月 1 日并网发电。三、施工导流设计过程（一）施工导流设计标准选择1.施工导流建筑物级别的选定本工程根据水利水电工程施工组织设计规范（SDJ33889），以及本工程的级别和围堰工程规模，选定施工导流建筑物为级。2.施工导流设计洪水标准的选择根据水利水电工程施工组织设计规范（SDJ33889），以及导流建筑物的级别，选定导流建筑物的洪水标准为：20 年一遇（P=5%）。（二）施工导流时段选择根据本工程的特征条件采用分段围堰法导流，中后期用临时底孔泄流来修建混凝土坝。划分为三个时段：第一时段，河水由束窄河床通过，进行第一期基坑内施工；第二时段，河水由导流底孔下泄，进行第二期基坑内施工；第三时段，坝体全面升高，可先由导流底孔下泄河水，底孔封堵以后，则河水由永久泄水建筑物下泄，也可部分或完全拦蓄在水库中，直到工程完建。（三）施工导流设计流量及坝址处河床水位的选择根据导流设计洪水标准和围堰施工分期，选定施工导流设计流量为Q=235 m3/s。根据坝址水位流量关系曲线，采用内插法得到Q=235 m3/s时的水位为 86.09m，由于观测点距坝址有300m远，考虑到坡降，选择坝址处水位为 86.39m。（四）施工导流方案的选择根据枢纽的自然条件及坝体的结构特点及工程的导流施工标准，选择采用分段围堰法施工，分为两段两期。第一期先围左岸，包括左岸非溢流坝段和溢流坝段，进行一期基坑内施工；第二期围河床右岸部分，包括右非溢流坝段（含厂房坝段），进行二期基坑内施工。本工程所在地，河流流量小，河床滩地宽，两岸坡度缓，采用两段两期的施工导流方式完全可以满足要求。（五）第一期导流设计1.河床水面宽度及束窄度河床水面宽度由图 2 所示确定为 64m，束窄度取 K=60%。32.水利计算左岸纵向围堰轴线右岸图 2 单位（m）束窄度取 K=60%，抗冲流速 v = 4m / s 。（1）一期束窄段河床过流能力设计Q=235=2则过水断面面积： wv458.75m（2）过水断面为梯形：假设边坡为 1:1， i = 4 ， n = 0.03 ，出口处渠底高程 83.5m。假定水深为 2.5m 则：w = (b + mh)h =+ 21 +2=+(24.612.5) 2.5=67.75m2+=x = bhwm24.6 + 2 2.5 11231.67m= 6731.6775= 2.14Rxm11111=cnR6=0.032.146=/37.84m2sQ = wcRi=67.75 37.84 2.144=3/假定水深为 2.48m 时， Q =束窄段河床平均流速：235m3/ s 。237.2msvc=Q+( AA)=2350.9567.75=/3.65m / s 4ms12（3）束窄河床段上游水位壅高：vcv3.652(235)2Z = 0=22g2g0.85229.81147 9629.81=0.81m（4）上、下游一期横向围堰堰顶高程：H 下=H z+d + = 83.5 + 2.48 + 0.70 =86.68mH 上=H zz+ = 85.98 + 0.81 + 0.75 =87.54m3.纵向围堰长度的拟定及围堰轴线布置根据施工要求及场地条件，拟定纵向围堰长度为 150m。纵向围堰轴线位置在河床中部偏右岸约 29m 处，如图 2。4.围堰断面设计（1）纵向围堰断面构造及尺寸4 1: 1. 5 1: 2堆石体反滤层图 3 单位：mm块石护面粘土斜墙围堰主体采用块石、砂砾土料堆石体，防渗层为粘土斜墙，在粘土斜墙迎水位采用浆砌石护面。（2）上、下游横向围堰断面尺寸上游横向围堰断面构造及尺寸块石护面粘土斜墙反滤层堆石体图 4 单位：mm 堆石体采用块石、砂砾土石料堆砌，防渗层为粘土斜墙，防冲采用浆砌石护面。下游横向围堰断面构造及尺寸块石护面粘土斜墙堆石体反滤层图 5 单位：mm5.围堰工程量的估算上游横向围堰长度：36m1V上=+=m32(318.75) 3.5361370.25下游横向围堰长度：68m13V下=+=m2(316.5) 3 681989纵向围堰方量：长 150m13V纵=+=m2V一期=(317) 3.5 1505250+=1370.25 + 198952508609.25m35（六）第二期导流水力计算HT断面尺寸WRDChp(m)T hpQ2Q(m) (m) (mm) (m2)(m) (m) (m)(m) (m3/S)(m3/S)44.516.2815.281.0654.55472.180.1820.8483.8712.22991.297185.59906.14414.2814.281.04.26571.430.2070.8403.6252.47583.586167.1834.512.5313.710.9143.99570.370.2180.8353.39633.59.5311.710.8143.48469.020.2600.8702.96144.516.2815.281.0654.55472.180.1820.8483.8712.70476.206152.413.13961.327122.655.229139.833279.67939.14414.2814.281.04.26571.430.2070.8403.6255.475124.322248.6434.512.5313.710.9143.99570.370.2180.8353.39633.59.5311.710.8143.48469.020.2600.8702.96144.516.2815.281.0654.55472.180.1820.8483.8715.704110.682221.366.13985.764171.538.229175.418350.8369612.14414.2814.281.04.26571.430.2070.8403.6258.475154.677309.3534.512.5313.710.9143.99570.370.2180.8353.39633.59.5311.710.8143.48469.020.2600.8702.96144.516.2815.281.0654.55472.180.1820.8483.8718.704136.725273.459.139104.642209.2811.229204.913409.839915.14414.2814.281.04.26571.430.2070.8403.62511.475179.984359.9734.512.5313.710.9143.99570.370.2180.8353.39633.59.5311.710.8143.48469.020.2600.8702.96111.704158.546317.0912.139120.600241.20本工程二期采用底孔导流，为了确保泄流能力，拟定采用 2 个底孔。1.底孔的布置及断面尺寸的选择根据水利水电工程设计规范选定：底孔布置在主河床的溢流坝段中，底孔底板距基岩面的距离为 2m。底孔进口高程选定 84.0m，出口高程 83.9m，底孔全长 57m。由 水 利 学 原 理 ， 判 定 底 孔 出 流 为 有 压 自 由 出 流 。 其 泄 流 能 力 计 算 公 式 为 ：2()h p=0.85Q = wg T h p，式中D ，（D为引化直径）。底孔进水口水头损失系数为进=0.1，闸门槽水头损失 槽=0.1 ，沿程水头损失 沿=(8g / c2) (L / D)出口处下游水位高程为 86.39m，糙率取 n = 0.014。则底孔泄流量曲线如图 6（两个底孔）。图 6 底孔泄流能力曲线图Q =。3/235ms 时，考虑到施工强度及防洪要求，选定采用两个 34.5 的导流底孔。这样既可以满足施工期6间导流的要求，又适当减小混凝土的浇筑强度。2.二期导流水力计算（1）上游水位壅高值=ZHfc= fcD= 1.5 3.995 = 5.99m（2）上下游堰顶高程H 下=Hz+ d + = 83.5 + 2.48 + 0.70 =86.68mH 上=Hzz+ = 85.98 + 5.99 + 0.75 =92.70m3.二期纵向围堰的上、下纵段长度及围堰的轴线平面布置根据施工布置要求，定出纵向围堰上纵段长 54m。纵向围堰下纵段主要靠一期工程时在溢流坝段右边导墙来承担，右导墙长 38m，再在右导墙上接 24m 的土石围堰。纵向围堰上纵段轴线布置在一期纵向围堰轴线左边 14m 处，纵向围堰下纵段轴线布置与右导墙轴线重合。4.围堰断面的结构及尺寸（1）纵向围堰上纵段剖面块石护面粘土斜墙反滤层堆石体结构材料与一期一致。（2）纵向围堰下纵段剖面块石护面粘土斜墙结构材料与一期一致。（3）上游横向围堰剖面图 7 单位（mm）反滤层堆石体图 8 单位（mm）7笼钢筋石护面粘土斜墙反滤层图 9 单位（mm）堆石体二期上游横向围堰采用钢筋石笼护面，粘土斜墙铺盖防渗，围堰长 62m。（4）下游横向围堰剖面笼钢筋石护面粘土斜墙反滤层图 10 单位（mm）堆石体二期下游横向围堰结构材料与一期下游围堰相同，围堰长 28m。5.围堰工程量计算纵向围堰上纵段：1V上纵=+=m32(335.4) 9.0549331.2纵向围堰上纵段：1V下纵=+=m32(315.6) 3.524781.2上游横向围堰：1V上横= (3 +3m43.5) 9.0 62 = 12973.52下游横向围堰：1V下横=+=m32(318.75) 3.5281065.7二期围堰总方量：V二期=9331.2四、截流设计1.截流时间的选择+781.2+12973.5+1065.7=24151.6m3根据表 3 的水文资料及工程施工条件的要求，选定截流时间在第二施工年度的 9 月初。此时河流水量逐渐变小，进入枯水期。2.截流流量的确定根据表 3 的水文资料，选取 9 月份的流量作多年经验频率曲线。8年份流量序号表 7 截流经验频率计算表由大到小排列模比系数KiKi11)2P =nm+1100%Qi (m3/S)（1）（2）（3）Qi (m3/S)（4）（5）（6）(Ki （7）（8）196219631964196516.412.36.135.79123419.616.416.012.32.7342.2872.2321.7151.7343.0067561.2871.6563691.2321.5178240.7150.5112254.59.113.618.2196619673.353.925610.99.251.5201.2900.5200.2900.27040.084122.727.31968196919701971197219734.272.585.6416.04.523.627891011126.426.135.795.645.104.600.8950.8550.8080.7870.7110.642-0.1050.011025-0.1450.021025-0.1920.036864-.02130.045369-0.2890.083521-0.3580.12816431.836.440.945.55054.519743.01134.520.630-0.3700.136959.11975197619771978197919806.423.135.104.049.2519.61415161718194.274.043.923.623.353.130.5960.5630.5470.5050.4670.437-0.4090.163216-0.4370.190969-0.4530.205209-0.4950.245025-0.5330.284089-0.5630.31696963.668.272.777.381.886.4198119824.6010.920213.012.580.4200.360-0.580-0.640+5.7280.33640.409690.995.5总计150.57150.5721.473-5.7719.661019根据表 7 数据绘制经验频率曲线。图 11 截流流量经验频率曲线图频率 (%)从频率曲线上看出，曲线与大部分经验点配合较好，所以不用再进矩法配线计算。从曲9 流量 (线上查得P=10%时， Qp= 15.1m3/S，即为截流设计流量。3.截流过程设计本工程一期施工截流可不做考虑，从一期围堰的平面布置图上可知，上游横向围堰工程量较小，且紧靠左岸的滩地，枯水期滩地处基本无水，纵向围堰在滩地上顺水流方向填筑，而下游横向围堰可在静水中填筑。二期施工截流时，戗堤轴线选在一期上游横向围堰与纵向围堰相交的背水面坡脚处，龙口段设在主河槽偏右侧。该处河床基岩出露，抗冲能力强，截留施工采用立堵法进行。河床右岸有一条三级公路，所以截流时从河床右岸向龙口进占，逐步束窄龙口，直至龙口合龙、闭气。然后再进行加固，填筑二期上游横向围堰，最后填筑二期下游横向围堰。五、施工渡汛为了确保工程能够如期完成，并保证工程在施工期间能安全渡汛，须进行施工调洪计算。求出一、二期坝体施工时渡汛高程，以便在施工中对坝体工程和施工进度及施工强度实行严格控制。1.坝体施工期临时渡汛洪水标准根据水利水电工程施工组织设计规范（SDJ33889）规定，选择渡汛洪水标准为20年一遇，即 P=5%。2.施工调洪计算调洪计算方法采用单辅助线图解法，设计洪水过程线的频率P=5%,t = 6h ,起调水位为导流设计流量Q = 235 m3/S时的水位。从表 1 中选出P=5%，t = 6h ，作设计洪水过程线图。图 12 设计洪水位过程线（P=5%）（