水利水电工程施工导流设计与规划

黄河水利职业技术学院前言在国家基本建设路线、方针和政策指导下，从施工的全局出发，根据本工程的技术经济特点，确定施工方法、劳动组织、技术组织措施等，安排施工进度和劳动力、材料、机械、构件的供应，以便预计施工中的各种需要及其变化，协调施工中各部门之间的关系，使施工建立在科学合理的基础上，从而做到优质、低耗、高效地取得最好的经济效益和社会效益。目录前言1目录2水利水电工程施工导流设计与规划任务书4一、工程概况4二、施工条件4（一）施工工期4（二）坝址地形、地质及当地材料4（三）气象水文5项目一 工程量计算7项目二 施工导流计划8任务一 导流设计洪水标准8一、导流建筑物级别8二、 洪水标准9任务二 导流方案拟定10一、 导流方案与施工分期10二、导流时段划分11任务三 导流工程规划与设计13一、导流隧洞规划布置13二、汛期大坝拦洪校核16三、围堰主要尺寸、型式及布置21项目三 土石坝施工23任务一 机械化施工方案拟订23一、挖运强度计算23二、拟订机械化施工方案23三、配套设备需要量计算25一、 施工强度26二、 土石方施工机械配备26三、 土石方施工机械的选择及数量计算26任务二 坝面运输布置28一、坝区运输道路28二、运输道路技术标准29任务三 坝体填筑30一土料防渗体施工30二、 反滤料施工33三、 坝壳料施工34四、 护坡施工36任务四 坝体施工质量控制37一、 填筑质量控制37项目四 施工进度计划40任务一 施工进度计划概述40一、水利水电建设阶段的划分40二、施工进度计划分类40三、施工总进度计划的编制原则41四、施工进度计划的编制内容41任务二 施工总进度计划编制41一、收集资料41二、编制轮廓性施工进度42三、编制控制性施工进度42四、施工进度方案比较47五、编制施工总进度计划表47任务三 土石坝施工进度计划编制48一、施工进度计划编制原则48二、坝体填筑进度安排48项目五施工总布置49任务一施工总布置概述49一、施工总布置作用49二、施工总布置的内容49三、施工总布置原则及依据49任务二 施工总平面布置50一、收集基本资料50二、编制临时建筑物的项目清单51三、场地区域规划51四、交通规则51五、分区布置52六、施工总布置的优化设计成果52总结54水利水电工程施工导流设计与规划任务书一、 工程概况工程地处我国华东钱塘江的支流上，为一发电为主兼顾灌溉，防洪的水利枢纽工程，在坝型比较阶段，比较了砼重力坝和粘土心墙砂壳坝两个方案，后者的枢纽布置如图1-1所示，坝高81m。坝顶长度370m，设计正常高水位为100m，校核洪水位为102m，大坝典型断面见-。大坝属于二级建筑物。溢洪道布置在坝址一公里的左岸凹口出（图中未示），为开敞正槽式，堰顶搞成为，总宽度为64m，出口采用差动式鼻坎挑流消能。饮水式水电站布置在右岸，引水洞长525m，直径7m，厂房安装50MW机组两台。二、 施工条件（一） 施工工期主体工程工期暂定为4年，2002年准备，2003年开工，2006年年底发电（初始发电水位80m）。（二） 坝址地形、地质及当地材料坝址处流域面积2160km2,坝址以上河流全长104km;其中50km为通航河道，常年有载重量为5至10吨的木船和竹筏过坝。坝址两岸系高山，山坡较陡。坝址河谷宽度200m，河底高程25m。两岸覆盖层较薄，基岩为石英砂岩（X级）；河床岩基较好，两岸岩石节理发育，风化较深。河床砂砾盖厚度0-3m，平均1.5m。坝址上下游均为宽阔冲积台地，在上下游3-7km的台地和河滩上，又满足筑坝要求的大量砂砾料（类土）。采用水上砂砾平均运距5.5km；如就近采用水下砂砾，平均运距3.5km。粘土料（类土）在左岸下游7km的王家村，高程40-50m,储量丰富，质量满足设计要求。（三） 气象水文该工程位于华东地区，气温温和，雨量充沛，每年5-10月降雨较多，属温带多雨气候，按照水位规律分为枯水期和洪水期（包括梅雨期和台风期），其界限不明显。一般11月至次年4月底为枯水期，5月至10月为洪水期，其中5、6月的降雨量最大，占全年雨量的30%，该河流量属于山区性河流，洪水暴涨暴落，最大流量高达8290m3/s，最小流量7-8m3/s，相差上千倍。根据设计需要，给出下列各种水文、气象资料：1、 各月最大瞬时流量表1 单位m3/s频率1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年1%18601670244037805530829050607550484023953065207082902%16801330219033004920746043506350384020202500178074603%15001140192028003250615033804740335015401770119561504%9309401250200027004990266033902710116012308234990频率标准：所谓百年一遇，指工程由于洪水的原因失败的概率是1/100。为了适应工程需要，一般将某一典型洪水过程线加以放大，使其洪水特征等于频率计算解得的设计值，所得的过程线即是待求的设计洪水过程线。放大方法主要是：同倍比同频率2、 各时段设计流量表2 单位m3/s时段1%2%5%10%20%9.1-3.31474041903450287022609.1-4.305000446037403160251010.1-4.304620355029502460195011.1-3.313020266021801810141011.1-4.30402035602940245019208.15-5.15515045703880332027403、 典型年逐月平均流量表2 单位m3/s频率1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年平50%19.88071.886.3122.5277134.892.873.791.723.927.689.8丰1%2875.489.913448952927610318291.840.732.7172.6枯80%11.513.96181.7114163102.488.972.971.81715.367.84、设计洪水过程线见图A5、坝址水位线见图B6、水库水位与库容关系曲线见图C7、坝区各种日平均降雨统计表表4-11 大坝施工工日数统计表月份天数123456789101112日历天数312831303130313130313031法定假日1311113因雨停工6.55.57.58.51310868.552.52.5因气候停工000000000000其他原因停工000000000000有效工日23.519.523.520.51719232520.52327.528.5项目一 工程量计算1、 根据大坝分期按式（5-1）计算各工期工程量，即式中V计算部分坝体工程量，m3；A1、A2-计算部分坝体下底，上底面积，m2；根据坝体设计断面和地形计算，A1、A2一般间隔5m计算一个断面，间隔越小计算越精确，在坝体变坡和马道部位应增加计算截面；h-计算部分坝体高度，m；即A1和A2间隔的距离。上述公式可转化为表5-9进行工程量计算。表5-9 坝壳工程量计算坝体高程（m）高差（m）坝面面积(m2)平均面积（m2）体积（m3）累计体积（m3)240026237711.233218855.6237711.2337711.2330469097.27253404.25.2401073545.57271321.42.2.550下1064804.472869175.02.250上63328.344475下2531902.181247615.2675上30282.7748104298671.638819477.2110513594.23846132.9396132.939心墙工程量计算坝体高程（m）高差（m）坝面面积(m2)平均面积（m2）体积（m3）累计体积（m3)24002622907.08961453.5452907.092907.093043707.17523307.13213228.5316135.6240103686.78243696.97936969.7953105.4150103778.50123732.64237326.4290431.8375253779.12323778.81294470.31.1104292756.17443267.64994761.82.9 关系曲线见附图项目二 施工导流计划任务一 导流设计洪水标准导流建筑物级别即设计洪水标准，简称导流标准，是施工导流首先要确定的问题。它不但与工程所在地的水文气象特征、水文系列长短、导流工程运用时间长短直接相关，也取决于导流建筑物和主体工程，以及遭遇超设计标准洪水时可能对工程本身和下游地区带来损失的大小。导流标准还受地形、地质条件以及各种施工条件的制约。需要结合工程实际，全面综合分析其技术上的可行性和经济上的合理性，然后作出抉择。导流标准是进行施工导流计算，确定导流建筑物尺寸和建筑物结构设计的依据。导流标准的高低，关系到工程和下游人民生命财产及工农业生产的安全，也关系到工程造价和工期。导流标准包括围堰挡水、坝体施工期临时挡水、导流泄水建筑物封堵和水库蓄水等三个基本阶段。围堰挡水称初期导流，坝体挡水和封堵蓄水成为后期导流。一般初期导流失事只是影响围堰和基坑工程施工，而后期导流失事，则危及大坝及下游城镇安全，造成的损失比导流初期大得多。一、 导流建筑物级别导流建筑物的级别是确定洪水标准和建筑物结构设计的依据。根据我国的实际情况，规范规定导流建筑物划分35级，一般为4级和5级。具体划分按表5-1所列各项指标确定，其中4、5级导流建筑物应按表列的四项指标中的最高级别确定，而3级导流建筑物要求有两项以上的指标满足该级要求。表5-1 导流建筑物级别的划分项目级别保护对象失事后果导流建筑物规模使用年限（年）围堰高度（m）库容（1亿m3)3有特殊要求的1级永久水工建筑物淹没重要城镇、工矿企业、交通干线或推迟工程总工期及第一台（批）机组发电，造成重大灾害和损失3501.041、2级永久水工建筑物淹没一般城镇、工矿企业或影响工程总工期及第一台（批）机组发电，造成较大经济损失1.5-315-500.1-1.053、4级永久水工建筑物淹没基坑，但对总工程及第一台（批）机组发电影响不大，经济损失较小1.515h下=4m,为自由出流，所以h2= hk=11.8m。h2的计算表如下表h下h坝址处水位Q泄qhk出流状态h2227104.13 20.83 3.54 自由出流3.5328332.97 66.59 7.68 自由出流7.7429634.77 126.95 11.80 自由出流11.85301086.54 217.31 16.89 自由出流16.9确定h2后可再设h1然后代入公式用试算法求出h1。通过试算可得出结果，具体结果见下表表5-12 进口洞内水深计算h1h2V1V2h6.30 3.50 3.31 5.95 4.63 1.62 77.38 0.56 1.81 0.0022 6.29 12.76 7.70 5.22 8.65 6.93 1.99 80.09 1.39 3.82 0.0038 12.76 19.20 11.80 6.61 10.76 8.69 2.14 81.06 2.23 5.91 0.0054 19.23 由上表可得出h1=11m。进口落差近似按下式计算，即 （5-8） 式中 -流速系数，取0.80.9，此处取0.9 V0上游行进流速，当V01m/s时，流速水头很小，式中第二项可略去。由表5-12可得Z的计算结果，见下表。ZV10.69 3.311.72 5.222.75 6.61 计算水库水位即 =隧洞进口底坎高程+ h1+Z与Q泄的关系见下表。h1ZQ泄31.99 6.30.69 104.13 39.48 12.761.72 332.97 46.95 19.22.75 634.77 2.有压流水力计算当隧洞上游水位较高，洞口封闭，洞内充满水流，此时隧洞内为有压流，隧洞进口底坎水深可按下式计算，即 （58）式中 H0隧洞进口底坎以上水深，m； h2出口计算水深，m；自由出流时，h2=0.85D；淹没出流时，h2= h下； V洞内流速，m/s； 局部损失系数之和，进口采用喇叭口时，; L隧洞长度，m； C谢才系数 R水力半径； n糙率，混凝土衬砌时，n=0.014;不衬砌时时n=0.035。由以上得到是自由出流，h2=0.85D=0.855=4.25m。则上游水位 =进口底坎高程+ H0计算时假定几个隧洞下泄流量，分别计算出相应的上游水位。计算就结果见下表表5-12 有压流水力计算表H0h2QAVRCL33.55 4.2550034.81 14.36 22.851.52 76.62 0.02 70039.70 4.2555034.81 15.80 22.851.52 76.62 0.03 70046.44 4.2560034.81 17.24 22.851.52 76.62 0.03 70053.77 4.2565034.81 18.67 22.851.52 76.62 0.04 70061.68 4.2570034.81 20.11 22.851.52 76.62 0.05 70070.18 4.2575034.81 21.54 22.851.52 76.62 0.05 70079.26 4.2580034.81 22.98 22.851.52 76.62 0.06 7003.绘制隧洞流量曲线根据上述成果，画出无压和有压部分的泄流量与水位关系曲线，见附图（二） 拦洪水位的确定依据水库水位库容曲线，洪峰流量过程线、坝址水位流量关系曲线、隧洞泄流能力曲线，通过调洪运算，确定汛期拦洪水位。1.水库调洪计算的基本原理水库调洪计算的基本原理是水库水量平衡。即在某一时段t內，入库水量与出库水量只差，应等于该时段内水库蓄水量的变化，用公式表示，即水库的水量平衡方程为 （512）式中 Q1、Q2时段t始末的入库流量，m3/s； q1、q2时段t始末的出库流量，m3/s； V1、V2时段t始末的水库蓄水量，m3/s； t计算时段，其长度视入库流量的变幅而定。陡涨陡落的小河，t可取短些，流量变化平稳的大河，t可适当取长些。有时为了满足设计和运用精度的要求，在洪水过程线的洪峰附近取短些，其余时间取长些。水量平衡方程式（512）的求解：Q1和Q2由洪峰过程线查出，q1、V1根据水库调洪计算的起始条件确定。q2、V2两个都是未知数，故式（512）不能独立求解，还必须建立第二个方程式，即水库下泄流量q与水库蓄水量V的关系方程式。 q=f(V) (513)列出联立方程组为 （514）调洪计算工作，实际上就是求解这个方程组。已知Q1、Q2和时段（t）初的q1、V1，求时段末的q2、V2。由于水库形状极不规则，很难列出q=f(V)的函数式。而水库蓄水量V反应出水库水位H,H又直接关系到下泄量q的水头h。因此，可以通过水库库容曲线和泄量建筑物的流量曲线计算，具体方法有列表试算法和半图解法。2.列表试算法较为准确，并适合于计算时段改变、泄流规律变化的情况，但计算工作量较大，也非常繁琐。半图解法较为简便，同时半图解法的辅助线又可以用计算机绘制，但半图解法不适合用于计算时段不同或泄流规律变化的情况。半图解法又可分为双辅助线法和单辅助线法等。它要求将式（512）改写为 (515) 式中和均可与水库水位建立函数关系。因此，根据书库水位库容曲线及隧道水位泄量曲线可绘制上游水位及两条辅助曲线，故这一方法在半图解法中亦称双辅助曲线法。然后按设计洪水过程线，依照式（514）的原理列表计算，即可求得调蓄后水位变化和相应的泄流量变化过程。小工程中也可采用更为简便的简易图解法，计算原理及思路同隧道最大下泄量计算步骤如下：简易图解法 假定三条隧洞泄水过程线AB1、AB2、AB3三点B1、B2、B3三点的坐标分别为B1（28，0.19）、B2（30，0.15）、B3（32，0.12）的坐标对应的面积为B1：1554.741mm2 B3：1653.199mm2 B3：1728.805mm2 求出相应的库容V1、V2、V3； 和下泄量Q1、Q2、Q3。 Q1=555.52m3/s Q2=443.96m3/s Q3=361.20m3/s根据库容V1、V2、V3在库容曲线上得出相应的上游水位H1、H2、H3； H1=35.0m H1=34.4m H1=33.9m在绘有隧洞泄流能力曲线L1的HQ坐标图上，绘出相应的点 P1（555.52,35.0）、P1（443.96,34.4）、P1（361.20,33.9）。 过P1、P2、P3点绘曲线L2交L1于P，对应于P点的泄流量Q必为拦洪时隧洞最大下泄流量，相应的水位H即使所求拦洪水位，即将入库洪水的HQ曲线和隧洞泄水的Hq曲线点绘在一张HQ图纸上，两者的交点即为所求的下泄洪水流量最大值qmax。见附图。 （三） 大坝安全校核根据大坝施工控制进度所确定的汛期前的大坝高程与拦洪水位H进行比较；若-,则安全；反之不安全。其中，为安全超高。如果校核结果为不安全，可改变进度或采用局部加高坝体拦洪等措施。H拦=46.78m所以安全三、围堰主要尺寸、型式及布置1、围堰坝顶高程，在围堰挡水时段内，围堰应挡住可能发生的最大洪水，以该时段内一定频率的最大洪峰为围堰的设计流量。围堰坝顶高程由该设计流量时的上游水位（由库水位与泄水建筑物的下泄流量曲线查的）和安全超高确定。发生设计洪水时的上游水位即是围堰拦洪水位。下游围堰的顶高程为下游水位与超高之和。下游水位是发生设计洪峰流量时，泄水建筑物下泄最大流量时的下游水位，根据坝址处流量水位关系曲线得出。2、 围堰的型式围堰的型式参看教材水利工程施工，设计建议上下游都采用沙砾石粘土斜墙围堰，且上游围堰作为坝体的一部分。3、 围堰的断面尺寸（1） 堰顶宽。围堰顶宽视围堰高度、结构型式及其材料组合等而定。高于10m的围堰，其最小宽度不小于3m，堰高超过2030m时，宽度一般为46m。如果需要通行汽车等大型车辆，其宽度应视交通要求确定。（2） 边坡。土石围堰的边坡取决于土石料的性质，压实程度及地基的承压能力等。一般地基承压都无问题，主要取决于填筑材料的抗剪强度。干填碾压边坡，水利设计手册对土石坝拟定的粗估值，可供围堰设计参考（表5-15）。几个已建工程水中抛填土料的稳定边坡值见表5-16.（3） 防渗结构。河床覆盖层较薄，水深不大，应以防渗体与岩基直接连接较好。另外，围堰的水下部分尺寸应加大。上游围堰粘土斜墙防渗体应在坝体以外，下游围堰在施工后期应予以拆除。4、 围堰的平面尺寸围堰尺寸拟定好后，按比例在地形图上正确画出围堰的平面布置图，在大坝断面图上画出围堰的剖面，以反映大坝与围堰的相互位置。1、上游围堰为保证枯水期基坑施工，上游围堰应尽快达到枯水期度汛高程，根据5频率洪水放大的过程线，通过调洪演算并绘制QH曲线L2。根据隧洞泄洪曲线L1，利用图解法查得围堰拦洪高程为40.2m，考虑1.8m的安全超高，上游围堰顶高程42.0m。上游围堰作为坝体的一部分，围堰最终顶高程55.0m，采用砂砾石黏土斜墙围堰，填筑质量要求同大坝。上游坡比1:3，下游坡比1:2.0，采用黏土斜墙防渗。2、下游围堰下游围堰同样采用砂砾料黏土斜墙围堰，根据1频率洪水最大下泄流量1253 m3/s，下游河床水位为30.5m，安全超高1.5m，围堰顶设计高程32.0m。上游设计坡比1:2，下游设计坡比1:2.5，围堰顶宽10m，完成度汛后拆除。3、围堰布置上下游围堰充分考虑与隧洞进出口距离、冲刷等因素，见布置图。项目三 土石坝施工任务一 机械化施工方案拟订土石坝填筑施工的机械设备，一般均有多种方案可供选择，应拟订出各种可能的施工方案进行技术经济比较，已选出经济合理的最优方案。在拟订施工方案时，首先应研究完成基本作业的主要机械，按照施工条件好工作面参数选择主要机械，然后根据主要机械的生产能力和性能参数再选用与其配套的机械。一、 挖运强度计算分期施工的土石坝，应根据坝体分期施工的填筑强度和开挖强度来确定相应的机械设备容量和数量。（1） 坝体分期填筑强度Qd（m3/s），可按下式计算，即 （61）式中 Vd坝体分期填筑方量，m3/s； K施工不均匀系数，可取1.21.3； K1考虑沉陷、削坡损失等影响系数，可取1.151.2； T分期时段的有效工作日数，d。（2） 坝体分期施工的运输强度Qt（m3/s），可按下式计算，即 （62）式中 K2土料运输损失系数，取1.051.10； d设计干表观密度，t/m3 n土料的天然干表观密度，t/m3（3） 坝体分期施工的运输强度Qc（m3/s），可按下式计算，即 （62）式中 K3土料运输损失系数，取1.051.10；二、 拟订机械化施工方案（一） 综合机械化施工的基本原则从料场的开挖、运输，到坝面铺料和压实等各工序采用相互配套的机械施工，组成“一条龙”的施工流程，称为土石坝的综合机械化施工。组织综合机械化施工应遵循以下原则。（1）充分发挥主要机械的作用。主要机械师指在机械化施工流程中起主导作用的机械。充分发挥它的生产效率，有利于加快施工进度，降低工程成本。譬如土方工程机械化施工中，采用挖掘机挖装、自卸汽车运输、推土机铺平土、振动碾碾压，其中挖掘机为主要机械，其他未配套机械。挖掘机出现故障或工作效率降低，将会导致停工待料或施工强度降低。（2）根据机械工作特点进行配套组合，连续式开挖机械和连续式运输机械配合，循环式开挖机械和循环式运输机械配合，形成连续生产线。否则，需要增加中间过渡设备。（3）充分发挥配套机械的生产能力。在选择配套机械，确定配套机械的型号、规格和数量时，其生产能力要略大于主要机械的生产能力，以保证主要机械生产能力的充分发挥。（4）配套机械应便于使用、维修和管理。选用适用性广泛、类型比较单一、通用性好的机械，便于维修管理。（5）合理布置工作面，加强机械保养。合理布置工作面和运输道路，以减少机械的运转时间，避免窝工。严格执行机械保养制度，使机械处于最佳状态，以提高工效。总之，选择机械应使生产效率高、操作灵活、机动性高、安全可靠、结构简单、防护设备齐全、废气噪音宜控制、环保性号。并且，机械的购置和运转费用要少，劳动量和能源消耗应低，通过技术经济比较，选出单位土石方成本较低的机械化施工方案。（二） 拟订机械化施工方案选择开挖运输方案时，应根据工程量大小、土料上坝强度、料场位置与储量、土质分布、机械供应条件等因素，进行技术和经济比较后确定经济合理的挖运方案。在拟订施工方案时，首先按照施工条件和工作面参数选定主要机械，然后依据主要机械的生产能力和性能参数再选择与其配套的机械。（1） 根据作业内容选择挖、运、压施工方案。土石坝类型较多，填料性质差别较大，为能充分发挥挖掘机机械效率。应根据不同的坝料。选择适宜的机械。（2） 根据运距和道路条件选择运输机械。各种运输机械和铲运机械的经济运距和对道路的要求如下：1） 履带式推土机的推运距离为1530m时可以获得最大的生产率。2） 轮胎是装卸机用作挖掘好做短距离运输时，其经济距离不超过100150m；履带式装卸机不超过100m。3） 拖式铲运机的经济距离为200400m；自行式铲运机的经济距离为200-1000m；链板式铲运机在运距短时，比其他形式的铲运机经济。当运距达1000m，道路总阻力（滚动阻力与坡度阻力之和）未超过车重的10%时，双发动机的自行式铲运机较为经济。4） 自卸汽车在运距方面适应性较大，1005000m均可使用。如果道路的总阻力超过车重的6%时，铲运机不如自卸汽车经济。采用