棉花滩水电站施工导流方案选择

棉花滩水电站施工导流方案选择

1大坝系统发育型棉滩水库位于福建省永定县。它是汀江流的主要水库，拥有600mw的能源，水库以上的流域面积为79707km2，占汀江流域的67%。大坝采用碾压混凝土重力坝,大坝坝址两岸山体雄厚,河谷狭窄,呈“V”字形。汀江属山区性河流,洪枯洪量相差悬殊,枯水期河面宽仅30m,多年平均流量为232m3/s,工程能否顺利施工,施工导流设计是关键。该工程1996年5月开工,1998年9月截流,2000年12月下闸蓄水,2001年发电,2003年8月竣工。2坝体挡水造坝阶段2000年10月前后根据施工进度安排并考虑到工程特点,本工程施工导流过程可分为:前期、后期、下闸蓄水3个阶段。前期即从1998年9月12日原河床截流至1999年汛后。其中截流后至次年4月为枯水期,采用围堰挡水,隧洞过流方式,期间主要进行基坑开挖、基础处理及88.00m高程以下大坝碾压混凝土浇筑;而汛期高温季节大坝停止施工,该时段采用坝顶过水与导流洞联合泄流方式度汛。1999年10月下旬至2000年12月下闸蓄水前为后期,该阶段由坝体临时断面挡水,导流洞及泄水底孔联合过流和度汛。下闸后至2001年4月底蓄水期间各月各频率的洪水由泄水底孔及溢洪道下泄,该阶段为下闸蓄水期。3挡水施工主要依靠大坝施工围堰挡水根据不同的施工阶段,导流挡水建筑物有所不同,前期从河床截流后至1999年汛后,主要依靠上、下游施工围堰挡水,创造基坑干地施工条件;后期及下闸蓄水期则依靠大坝施工临时断面挡水。下面仅介绍施工围堰的设计情况。3.1大坝的设计工况围堰设计挡水标准为枯水期(10月至次年3月)5年一遇,设计流量为2120m3/s。上游围堰位于坝上游约40m处,顶宽5m,上游面垂直,下游面坡度为1∶0.75,堰顶高程为96.50m,最大堰高27m。围堰基础为弱风化花岗岩,仅有规模较小的断层通过,地质条件较好,除对断层进行挖槽采用插筋混凝土塞处理外,未进行其他基础处理工作。上游围堰为4级建筑物,设计工况分正常挡水工况和汛期过流工况,过流工况复核洪水标准为全年20年一遇,Qmax为6950m3/s,过流时大坝高程已超过堰顶,围堰近于静水淹没状态。各工况设计荷载有:(1)导流挡水工况(一)。水推力+自重+扬压力。(2)导流挡水工况(二)。水推力+浪压力+自重+扬压力。(3)过流工况。近于静水淹没状态,稳定及应力皆可满足要求。据分析计算,各工况应力及稳定安全系数均满足要求。3.2lg3合龙段下、下门型围堰设计工况下游围堰在设计时考虑到将来在运行期将作为二道坝,因此也采用碾压混凝土重力式结构。其设计挡水标准同上游围堰,堰顶高程7.00m,最大堰高9m。围堰布置在坝下游约200m处,堰基为弱风化花岗岩,仅有较小的F8断层及J1节理密集带通过,基础条件较好。对堰基断层采用挖槽浇混凝土塞及固结灌浆加固基础进行处理,不设排水与防渗等其他基础处理措施。下游围堰顶宽6.0m,上游面垂直,下游面坡度1∶0.75。为3级建筑物,设计洪水标准为50年一遇,相应洪峰流量为8400m3/s,校核洪水标准为500年一遇,相应洪峰流量为12000m3/s。因此,下游围堰设计工况分:施工期导流挡水,运行期设计过流、校核过流3种工况。通过计算分析,各工况下的应力及稳定安全系数均能满足要求。4口明渠段、进口段本工程根据不同的施工阶段,其导流泄水建筑物有导流洞、泄水底孔及溢洪道等。下面仅介绍导流洞的设计与施工情况。本工程设置一条导流隧洞,布置在右岸,由进、出口明渠段,进口段及洞身段组成,由进、出口明渠与原河道相接。在进口段桩号导0+000m处设置封堵钢闸门门槽,尺寸为2.75m×0.70m(宽×深),相应洞顶上设有下闸时的启闭机排架。1999年导流洞与坝体共同宣泄全年20年一遇洪水时洞内最大流速为13.00m/s。2000年与泄水底孔共同宣泄全年100年一遇洪水时,洞内流速分别为28.04m/s(双峰)及27.72m/s(单峰);遇全年20年一遇洪水时,洞内流速24.67m/s。4.1该通道的结构4.1.1水平边坡导流洞与正墙连接进口明渠段为开敞式喇叭形引渠,长110m左右。根据水流流速分布与水力试验成果及地质情况,进口明渠两侧开挖边坡1∶0.33,导流洞前20m,明渠边坡高程85.00m以下采用混凝土衬护,导流洞口直墙与梯形明渠采用不对称的垂直喇叭直墙渐变连接。4.1.2启闭机排架设计方案进口段(0-016.375～0+006.00m)长22.375m,前部0-016.375～001.375m为1/4椭圆进口渐变段,洞高从前到后为22.5m渐变到正常高度15m,洞宽不变,0-001.375～0+001.375m为开敞式门槽,0+001.375～006.00m段为工作平台段与排架基础段。进口段为钢筋混凝土结构。启闭机排架位于桩号0+000m门槽上部,底部高程86.50m(洞顶),顶部高程109.00m,与抚石公路恢复段齐平,排架柱尺寸120cm×120cm,柱基落在进口段衬砌边墙及回填的大体积混凝土上部。采用框架结构。启闭机上部高程109.00m工作平台宽8.70m,长16.00m。棉花滩导流洞封堵钢闸门,采用分节制造现场组装沉放,分节最大单重28t,考虑到闸门运输、就位、组装施工方便,排架设计单节闸门由设在排架左侧下游与高程109.00m抚石公路相连的施工便桥滚动移至排架顶后,由设在排架上的起吊设备起吊就位组装。排架设计主要荷载有:活载5kPa,工作桥牛腿荷载120t/个,下闸启门荷载(下闸后在2h内还可以提起),自重。4.1.3锚杆支护—洞身段桩号0+006.00～351.30m为洞身段,其结构设计根据洞身沿线地质条件、坝轴线位置、堵头布置、受力情况等,采用不同支护方式。(1)0+006.00～066.00m段。该段中0+006.00～045.00m范围为新鲜岩石,属Ⅰ、Ⅱ类围岩,0+045.00～067.00m范围内受断层f6、f1-1、及F1影响,尤其是F1断层较宽(达1～3m),为弱风化岩石,该段下闸蓄水后承受外水头近100m(未乘折减系数),采用钢筋混凝土受力衬砌,衬砌厚度为1.5m和1.2m,对断层破碎带在开挖后采用锚杆挂网喷混凝土加强支护。(2)0+066.00～275.00m段。该段地质较好,地质判断为基本稳定,即Ⅱ类围岩,岩石大部为微风化和新鲜岩石,该段通过的主要断层为F44,宽0.7m,此外该段0+215.00～235.00m范围右边墙及0+270.00～275.00m范围内右边墙发育有数条节理,相互切割,分别采用锚筋桩、锚杆加固处理。该段采用系统锚杆支护,同时考虑到洞内流速较大,为了加大过流能力,0+066.00～275.00m段均采用锚杆支护和40cm厚钢筋混凝土薄层衬砌。(3)0+275.00～351.30m段。根据地质资料,该段围岩属基本稳定围岩,设计仅对0+331.3～351.30m洞口段进行钢筋混凝土受力锁口衬砌,其余0+275.00～331.30m段为锚杆支护混凝土薄层衬砌。锚杆支护设计以工程类比为主,并采用规范推荐的经验参数及极限平衡理论进行计算复核,同时结合施工临时支护,选定系统支护锚杆参数如下:锚杆直径25mm,锚杆长度300cm,锚杆间距200cm。4.1.4地下边坡岩石开挖长约110m,底高程为68.00m。根据地质资料,岩石为微风化或新鲜岩石,开挖边坡1∶0.33。为减少水流对出口及对岸公路与尾水渠的冲刷,导流洞出口明渠采用圆弧扩散并将水流逼向下游,同时对洞口外30m范围的明渠边坡底板采用混凝土衬砌,以避免高速水流冲刷破坏。4.1.5回填灌浆及排水孔(1)根据计算和试验成果,导流洞过流流速较大,最大达28.00m/s,故洞身混凝土均采用R28250,进出口、排架、明渠护砌采用R28200混凝土。(2)对洞身段(0+006.00～551.30m)进行回填灌浆,灌浆孔孔径55mm,环距2.5m,排距3.0m,孔深入岩15cm。(3)根据计算分析受力衬砌混凝土结构主要受下闸蓄水工况外水压力控制,并考虑到薄衬结构安全,要求对全隧洞围岩进行固结灌浆后打排水孔的处理,以减少作用在衬砌混凝土上的外水压力。固结灌浆孔孔径55mm,环距4.0m,排距3.0m,入岩深度6.0m,灌浆压力1序孔为0.6MPa,2序孔为0.8MPa。排水孔孔径、孔距、排距同固结灌浆孔,深度为入岩3.0m。回填灌浆孔、固结灌浆孔及排水孔均按梅花形布置。4.2施工期间的设计调整导流洞于1996年5月1日开工,分2层从进出口两端掘进,1998年9月12日汀江截流,导流洞过水。4.2.1围岩地质情况(1)进口明渠段。该段强风化带下限的平均深度约15m,无较大断层通过,但节理发育,岩体完整性差。(2)洞身段。桩号0+024.00～054.00m段有F27、F1、F1-1、F6等断层交汇,倾角较陡,属基本稳定围岩;桩号0+214.00m附近有F42、F44断层通过,桩号0+280.00m附近有F4、F4-1等断层通过。洞身大部分穿越新鲜岩石。(3)出口明渠段岩石风化不深,有F5-1、F17断层通过。(4)导流洞地下水为裂隙水,沿着主要断层、节理密集带渗出或滴出,如f6、F1-1、F1、F44、F4-1及多条节理等,水量不大,其余地段均较干燥或干燥。(5)导流洞洞身开挖后地质情况与原地质资料比较,进口段与洞身上游段略好,但洞身下游段略差。4.2.2锚杆改建工程措施(1)施工阶段根据开挖揭露的地质情况,对锚杆支护进行了调整,具体如下:①桩号0+230.00m前,除0+045.00～066.00m段、0+090.00～128.00m段及0+180.00～200.00m段外,洞壁高程77.0m以下因地质条件较好,将锚杆改成插筋,插筋入岩1.0m。②桩号0+230.00m到出口锚杆加长至4.0m,排距改为1.5m。(2)对固结灌浆与排水孔进行了调整,具体如下:①0+006.00～026.00m、0+066.00～076.00m要求按图进行固结灌浆施工。0+026.00～066.00m根据节理、断层分布选定35孔进行固结灌浆。0+090.00～128.00m右侧顶拱及右边墙固结灌浆,其他不灌。②0+275.00～351.3.00m边墙不设排水孔,顶拱排水孔排距扩大至6.0m。(3)衬砌支护。导流洞0+275.00～331.30m段开挖后定为Ⅳ类围岩,地质条件较差,支护形式由原设计的锚杆加40cm混凝土薄衬改为锚杆加100cm厚钢筋混凝土受力衬砌。衬砌厚度及配筋与0+331.30～351.30m段相同,经复核除底板与侧墙转角处有一点配筋略少外(少3.5%),断面其他部位配筋满足要求。4.3小区内堵头混凝土浇筑导流洞堵头作为水库挡水建筑物的重要组成部分,设计与校核洪水标准同拦河大坝,即设计标准为P=0.2%,校核标准为P=0.02%,相应库水位分别为174.76m及177.80m。堵头设置在坝基下部,桩号0+090.00～128.00m,位于坝基防渗帷幕下面。堵头段洞身开挖成双侧齿形,即前段大、后端小的喇叭形结构,对提高堵头受力、抗滑稳定能力和减少缝隙均较有利。堵头衬砌表面共设置24个梯形键槽,下闸后仅对混凝土表面凿毛后即浇筑堵头混凝土。因堵头段原衬砌混凝土的两侧岩石开成小喇叭形,其抗剪断稳定有保证。堵头的长度由原衬砌混凝土与堵头混凝土间的抗剪(断)来决定。经计算,堵头长度为36m,实际施工时为38m。堵头实体长度按冲切强度与防渗厚度的要求并考虑一定安全余度,确定为8m,下游30m长设灌浆廊道,廊道尺寸为4.0m×5.0m。堵头内预埋冷却水管,混凝土浇筑后经通水冷却达稳定温度后进行接缝灌浆。此外,对堵头段要进行必要的回填、固结与帷幕灌浆工作。4.4进一步开展导水整体高重建筑节能研究为验证导流建筑物布置的合理性以及为优化导流建筑物设计提供依据,1993年2月委托福州大学土建系进行了导流建筑物整体水工模型试验,于1993年11月提出了验研究报告,1994年3月又进行了补充试验,并提出了补充试验报告。4.4.1挡水、隧道联合泄水(1)验证天然河道受青溪电站回水顶托时的泄流状态。(2)围堰挡水、隧洞单独泄水。(3)围堰堰顶、隧洞联合泄水。(4)坝体高程116.00m溢流与隧洞联合泄水。(5)坝体挡水、隧洞单独泄水。(6)坝体挡水、隧洞与坝体泄水底孔联合泄水。4.4.2部门值内流体与出口冲刷改善措施(1)隧洞泄流能力。(2)进出口水流流态,重点研究进口涡流与出口冲刷,并提出改善措施和建议。(3)隧洞水流流态与沿线压力分布。(4)测定坝体(顶)过流、堰顶过流流态、流速、压力分布及最不利流量。4.4.3联合泄流试验(1)青溪水库回水顶托对天然河道泄流影响不大。但当导流隧洞单独泄流,流量小于500m3/s时,会影响洞内水流流态。(2)经过多方案试验比较,进水口上唇曲线采用x2/152+y2/7.52=1,进口与明渠连接采用α左=45°,α右=60°的不对称直墙喇叭口。(3)