江西省永修县柘林水电站设计分析

江西省永修县柘林水电站设计分析

0过洪水计算的数据分析沱林水库位于秀河支流末端的江西省永修县。这是一个集水区主要功能于防洪、灌溉（灌溉农田近2.7万米hm）、交通运输、水产等综合效应的大型（1）水利水电工程。现有安装功率为180mw。枢纽由主坝、3座副坝、2座溢洪道、泄洪放空洞、引水发电系统、船筏道、竹木过坝机及灌溉引水洞等建筑物组成;主要挡水及泄洪建筑物的级别为1级,设计洪水标准为千年一遇(P=0.1%)洪水设计、可能最大洪水(PMF)校核。柘林水库坝址以上流域面积9340km2,总库容79.2亿m3,设计洪水位70.13m,校核洪水位73.01m,正常蓄水位65.0m,汛期限制水位64.0m,死水位50.0m;正常蓄水位以下库容50.17亿m3,防洪库容32亿m3,死库容15.73亿m3。水库在各洪水重现期(频率)下运行的调洪成果如表1。该电站主要承担系统的调频、调峰及事故备用任务。进入90年代以来,江西省经济有了长足的发展,电力供需矛盾日益突出,特别是电网对调峰的需求更为尖锐,为此柘林水电站进行了扩容。扩建工程的装机容量规模为240MW,根据现有的柘林水电站枢纽布置及主要建筑物现状,以及地形、地质条件,扩建的发电引水系统、发电厂房、尾水渠、开关站等,集中布置于原泄洪放空洞北侧鲫鱼山的上、下游。进口引水渠利用北侧库湾扩挖形成,进水口紧靠鲫鱼山脚西侧布置,引水隧洞穿越鲫鱼山底部,厂房布置于鲫鱼山下游的地基山南侧。主要建筑物中进水口、引水隧洞、压力钢管等建筑物级别为1级,其设计、校核洪水标准与挡水及泄洪建筑物相同;扩建的发电厂房为2级建筑物,设计洪水标准为100年一遇(P=1%)设计,500年一遇(P=0.2%)洪水校核。1水隧道施工进水口施工包括引水明渠的开挖、衬砌,以及2条(5号,6号)引水隧洞施工,高程均在水库运行水位以下,围堰的设计要保证以上施工项目的干地施工。根据地形、地质条件,需要布置两道围堰才能满足施工要求,即:引水明渠进口围堰(北围堰)和引水隧洞右岸围堰(南围堰)。1.1围堰设计期确定由于柘林水库下游有重要城镇(包括九江、南昌等重要城市)、大量工矿企业(昌、九工业走廊)和重要的交通干线,若围堰失事产生的后果将是无法弥补的。为了降低围堰的设计风险,设计先对施工程序等作了明确的规定,主要有:a.在引水隧洞贯通前,引水明渠和进水口在南、北围堰的保护下施工,如果发生超标洪水或者围堰失事,只是淹没进水口基坑,不会产生太大的经济损失;b.引水隧洞开挖施工时要预留岩石堵头段,待进水口完工、进水口闸门能够挡水工作后,才挖除预留岩石堵头段贯通整个引水隧洞;c.当根据水情、水文预报可能发生超标洪水时,要迅速放下进水口闸门,使洪水不能沿引水隧洞下泄。因此,进水口围堰只需承担引水明渠及进水口基坑的保护作用。根据部颁《水利水电工程施工组织设计规范(SDJ338-89)》,基坑施工、围堰挡水期间进水口围堰级别为Ⅳ级,设计洪水标准的洪水重现期为20～10年;再结合本工程的特点和重要性,最后确定围堰设计为不过水土石围堰,设计洪水标准为20年一遇,相应的围堰挡水水位根据水库运行调洪成果(见表1)为66.82m;考虑超高后,确定进水口围堰(南、北围堰)堰顶高程为67.5m。为了方便围堰施工、减少水下抛投量、降低施工难度,同时要求尽可能降低水库运行水位,并在枯水期能维护连续3个月的施工期。但从1984～1994年历年最低库水位统计值中知;1987年最低水位50.07m,近3～5年内水库运行正常,水库水位很难降到死水位50m的水平。因此,确定水下堰体施工平台高程为56.0m,在此施工期间要求水库水位不高于55.0m。1.2大坝结构设计1.2.1小样本南围堰南围堰布置在扩建工程6号引水隧洞进口与原大坝泄洪洞进口之间,围堰轴线长140m,围堰轴线北距引水明渠中心线75.53m,南距原泄洪放空洞80m。围堰轴线附近的地形、地质情况为:东侧为大坝坝肩80m高程山包,西侧为库湾山脊(俗称阴阳山),堰基底部地面高程约43.0m,表层有厚度为3m左右的淤泥分布,靠东侧有3m厚的人工堆积块石;地层由西向东分别为Zbp(冰碛岩)、Zad6(砂岩)、Zad5(粗砂砾岩);堰基力学参数为:淤泥f′=0.09,C′=0.01MPa,K=0.09m/d;粘土夹碎石f′=0.27,C′=0.01MPa,K=0.09m/d;Zbp全～强风化冰碛岩f′=0.35,C′=0.05MPa;Zad6强风化砂岩f′=0.45,C′=0.1MPa;Zad5强风化砾岩f′=0.40,C′=0.05MPa。可以看出,堰基淤泥层抗剪指标很低,对堰体的抗滑稳定很不利,需要采取处理措施。设计要求在围堰进占施工前,采用射流式挖泥船或其他清淤设备清除堰体位置的淤泥层。南围堰堰顶宽8m,迎水、背水面边坡都分为2级,坡比均为1∶1.75,最大堰高32.5m,最大底宽104.5m。筑堰材料为:水下抛投部分为块石和普通石渣,块石用于施工前期的水下进占以增强堰体稳定性,要求85%以上填料粒径大于20cm,软化系数大于0.8;普通石渣用于防渗高喷板墙造孔区,为减小钻孔难度,加快施工进度,要求粒径小于20cm,含泥量小于30%。水上填筑部分为普通石渣、堆石:普通石渣要求粒径小于30cm,含泥量小于30%;护坡块石要求粒径大于30cm,软化系数大于0.8。水上部分堰体在填筑时要求采用振动碾等碾压设备进行分层碾压,使其碾压后的最大干容重、孔隙率达到设计指标。南围堰的防渗型式采用高喷板墙接土工膜。高喷板墙防渗范围从56.0m高程直至堰基覆盖层底部,并伸入基岩50cm,防渗面积1290m2。高喷板墙型式为摆喷,摆喷角25°,折线型搭接;钻孔68个,孔距1.6m,最大孔深16m,平均孔深12.25m,要求板墙最小厚度40cm,结石强度大于C8,渗透系数K≤10-7cm/s。高喷施工分Ⅰ,Ⅱ序进行,施工结束后要采用围井法进行检查和验收。南围堰的断面结构详见图1。土工膜防渗范围从堰顶至56.0m高程高喷平台,防渗面积1370m2,通过盖帽混凝土条带和高喷板墙结合。土工膜型式采用两布一膜复合式,主膜厚0.8mm,两侧粘有无纺布,设计抗拉强度为5.07kN/m2,断裂延伸率为30%。土工膜施工时采用“之”字形铺设,折皱高度75cm,与堰体碾压层厚度相适应,其连接采用粘合剂连接方式施工,土工膜两侧采用砂壤土作过渡保护。土工膜和岸坡结合方式为:在土工膜与岸坡的结合部位挖槽,清除岸坡覆盖层直至基岩相对不透水层,在槽内预埋土工膜,并浇筑混凝土形成刺墙。1.2.2土石围堰边坡稳定验算按照《水利水电工程围堰设计导则(DL/T5087-1999)》的有关规定,围堰背水坡坡脚距水久建筑物基础开挖边坡开口线不宜小于10m;对永久建筑物基础开挖较深时,应对围堰基础岩层中的软弱层面的稳定进行核算。由于南围堰背水坡坡脚将在引水明渠开挖时被部分挖除,并形成10m左右高度的直立边坡(引水明渠右边墙),有可能产生向引水明渠基坑的深层滑动破坏,因此需要对背水坡基础进行支护处理,以保证南围堰的抗滑稳定安全。按照《水利水电工程施工组织设计规范(SDJ338-89)》,Ⅳ级建筑物土石围堰的边坡稳定安全系数要求大于或等于1.05。南围堰的抗滑稳定安全计算的设计参数取值如表2,采用水科院编写的《土石坝边坡稳定分析程度(STAB)》按施工进度分阶段进行计算。第一阶段:围堰施工完成后进行基坑抽水,此时尚未进行引水明渠开挖施工,按照最不利工况(水库水位66.82m,基坑水位抽水至最低高程)计算,背水坡稳定安全系数为1.21,满足规范要求。第二阶段:引水明渠开挖至底板高程35.0m,围堰背水坡不考虑支护措施,按照最不利工况(水库水位66.82m,基坑水位抽水至最低高程)计算,背水坡稳定安全系数为0.9,达不规范要求,即会产生围堰背水坡连同引水明渠边坡的滑动,因此必须对围堰背水坡以及引水明渠边坡进行支护处理。背水坡支护计算方法为:先用STAB程序计算,找出最危险滑弧,再运用“极限平衡—传递推力法”程序由滑坡体后部逐渐向前计算,直至算出滑出口的下滑力,再据此对堰脚不同基岩情况分段采取治理措施。按计算结果采取的具体措施是:桩号0-45～0-24m采用2根钢筋混凝土抗滑桩;桩号0-24～0-15.136m采用15m长3Φ32锚杆束;在桩号0-48.5,0-53.5,0-58.5m处采用3根1200kN预应力锚索;对整个背水面堰基作15m长Φ32系统锚杆,并进行挂钢筋网喷混凝土,最后再浇筑引水明渠混凝土边墙。加上支护后,经计算南围堰背水坡的最小安全系数为1.28(不考虑引水明渠混凝土边墙的支挡作用)。钢筋混凝土抗滑桩横断面为2.5m×3m,长度19m,计算滑面以下桩体埋深8m,采用单侧配筋(其余为构造配筋),混凝土标号为C20。两桩净距6m,每根桩可提供抗滑力600t。1.2.3堰体及地质条件北围堰布置在扩建工程引水明渠进口,围堰轴线长137m。由于右岸堰头附近地形较低,需要利用粘土草袋填筑至堰顶高程。北围堰轴线附近的地形、地质情况为:西侧(引水明渠右岸)为高程67.0m单薄的山脊,东侧为鲫鱼山西坡,堰基高程约为40.0m。围堰挡水方向下伏地基分布有2～8m厚的黄色粘土夹碎石,表层为3m左右厚度的淤泥层,基岩为Zbd(硅质泥灰岩夹页岩)。堰体西侧岩体为Zbde(硅质页岩夹泥岩)、Zbd(硅质泥灰岩夹页岩),堰体东侧岩体为Zbp(冰碛岩)、Zad6(砂岩)。堰基力学参数为:淤泥f′=0.09,C′=0.01MPa,K=0.001m/d;粘土夹碎石f′=0.27,C′=0.01MPa,K=0.09m/d;Zbp及Zbd全风化、强风化基岩f′=0.35,C′=0.05MPa。和南围堰一样,施工前需要对堰基淤泥进行清除。北围堰堰顶宽8m,迎水、背水面边坡都分为2级,坡比均为1∶1.75,1∶1.5,最大堰高27.5m。围堰堰体及防渗型式均与南围堰设计相同,断面结构详见图2。2进水口大坝的施工和运营2.1高喷支护施工南、北围堰均于1998年12月下旬开工,先进行水下基础清淤,然后开始填筑56m高程以下堰体。1999年1月11日开始施工北围堰高喷板墙,1月13日试喷第一个孔,1月31日高喷板墙施工结束,完成钻孔51个,总进尺869.55m(其中Ⅰ序孔26个,进尺436.24m;Ⅱ序孔25个,进尺433.31m),高喷板墙面积1391.28m2,总耗用水泥量314.02t。高喷施工参数为:摆角30°,水压32MPa,气压0.5MPa,提升速度控制在10cm/min以内;1999年2月3日开始施工南围堰高喷板墙,2月4日开喷,3月4日高喷板墙施工结束,完成钻孔85个,总进尺1199.55m,总耗用水泥量763.94t。高喷施工参数为:摆角40°,水压32MPa,气压0.5MPa,提升速度控制在10cm/min以内。围堰高喷板墙施工结束后,由于工期较紧,没有按原设计要求作围井压水试验,只作了渗水试验。3月中旬开始施工南、北围堰56m高程以上堰体,包括与岸坡接头的混凝土刺墙、堰体填筑和铺设土工膜,4月10日南、北围堰达到堰顶设计高程。南围堰填筑完工以后,由于没有时间对背水坡坡脚作处理,因此决定1999年汛期不开挖堰脚基坑,并用土石渣填塘反压,增加渡汛安全。汛后开始开挖引水明渠,对南围堰堰脚部分,做到边开挖边按设计进行支护。支护施工的难点在于抗滑桩的开挖,采用的方法是人工钻孔,爆破开挖,卷扬机配小车出渣,潜水泵抽取孔内涌水。由于抗滑桩的施工就在堰脚进行,为了减小爆破振动对围堰高喷板墙的影响,采取了多循环、小进尺的开挖措施,并对开挖中的爆破振动速度进行控制。主要爆破参数为:循环进尺1.5m,钻孔深度1.8～2.0m,光面孔装药量150～200g/m,孔距0.8m;爆破孔装药量400～450g/m,孔距1m,爆破振动速度(围堰轴线处)不大于0.3cm/s。2.2堰体渗流情况围堰完建以后,已安全度过1999年和2000年2个汛期,围堰挡水水位最高达65m高程,最低为51m高程,堰体渗流情况为:北围堰为3L/s,主要发生在堰体与西端山脊结合部,渗流稳定;南围堰为15L/s,渗流出水点有3处,主要为沿覆盖层与基岩的交界面渗漏和围