一级建造师水利水电案例分析题及答案一

一级建造师水利水电案例分析题及答案[一]一、背景资料与工程概况某省北江干流中游拟建一座以供水、灌溉为主，兼顾防洪、发电的大型综合利用水利枢纽，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电系统及灌区渠首等组成。挡水建筑物采用混凝土面板堆石坝，最大坝高78.5m，坝顶长度368m，正常蓄水位132.00m，相应库容2.42亿m³。泄水建筑物为岸边溢洪道，共5孔，单孔净宽12m，堰顶高程124.00m，设计泄量6850m³/s；底孔泄洪洞1条，断面尺寸7m×9m（宽×高），进口底坎高程86.00m，设计泄量1820m³/s。引水发电系统采用右岸地下厂房，装机3台，单机容量45MW，总装机135MW，设计引用流量3×60m³/s。灌区渠首设计流量45m³/s，灌溉面积38万亩。工程区地震基本烈度Ⅵ度，坝址区河谷呈不对称“V”形，左岸陡峻，右岸相对平缓，坝基为弱风化中粗粒花岗岩，岩体完整性较好，但存在三条规模较大的缓倾角裂隙带，产状N30°～45°E/SE∠15°～25°，裂隙带内充填绿泥石、方解石，局部夹泥，宽度0.2～0.8m。坝址下游1.2km处为北江一级支流南溪河汇入口，南溪河两岸分布有南溪镇，常住人口1.8万人。工程于2018年10月开工，计划2023年10月首台机组发电。2019年4月，在坝肩开挖过程中，右岸高程110～110m平台揭露一条与前期地勘报告不符的断层F15，产状N50°W/SW∠35°，断层带宽度3.5～5.2m，由碎裂岩、断层泥及角砾组成，渗透系数达8.7×10⁻³cm/s，连通性好，与库水存在直接水力联系。该断层斜切溢洪道引渠右侧边坡及发电引水隧洞进口段，对建筑物稳定及渗漏影响显著。2020年7月，受北江流域罕见“7·9”暴雨影响，坝址以上流域面平均雨量达328mm，最大24h雨量421mm，为1956年有记录以来最大值。10日4:20，导流洞封堵闸门突发异常振动，门槽附近混凝土出现裂缝并伴有射水；5:10，导流洞进口检修门井水位骤升4.7m，井壁混凝土剥落；6:30，基坑水位上涨至96.80m，距坝体填筑最低高程仅1.2m，直接威胁基坑安全。经紧急调度，开启底孔泄洪洞及临时抽排系统，至11日2:00，基坑水位降至92.30m，险情得到控制。事后检查发现，导流洞封堵段（桩号0+178～0+205）顶部存在一条纵向贯穿裂缝，长27m，最大缝宽7mm，渗水呈线状分布；裂缝两侧混凝土局部酥松，芯样抗压强度仅18.4MPa（设计C25）。2021年3月，在面板堆石坝填筑至高程122.00m时，为提前发挥发电效益，建设单位提出将2022年汛前坝体临时度汛高程由原设计的130.00m调整为128.00m，并拟采用黏土斜墙+土工膜组合防渗子堰挡水，度汛标准采用50年一遇洪水（相应流量6200m³/s）。监理单位认为该方案对右岸F15断层渗漏及下游南溪镇防洪安全评估不足，予以否决。2022年8月，溢洪道闸室段混凝土浇筑完成，在采用三级配C18040混凝土（极限拉伸值≥110×10⁻⁶）进行堰体大体积混凝土温控施工时，施工单位将原设计的“双掺”粉煤灰+矿渣粉方案擅自变更为单掺粉煤灰，掺量由25%降至18%，并取消表面流水养护，仅采用蓄水养护。8月25日，堰体上游面高程118.00～120.00m范围出现3条贯穿性裂缝，最长一条水平延伸28.5m，缝宽0.25～0.45mm，深度经超声波检测达0.9～1.3m，贯穿钢筋保护层。2023年5月，在首台机组启动验收前，电力质监站对地下厂房岩壁吊车梁进行静载试验，设计荷载为2×320kN/m，当加载至1.6倍设计荷载时，岩壁与混凝土衬砌接触面出现0.35mm连续裂缝，局部有岩块弹出，判定为Ⅲ类围岩稳定性不足。经查，施工单位在锚杆施工中擅自将系统砂浆锚杆（Φ25，L=4.5m，间排距1.5m×1.5m）改为Φ22，长度缩至4.0m，间排距扩大至1.8m×1.8m，且注浆饱满度抽检合格率仅78%（规范要求≥90%）。二、问题1.根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL2522017），确定本工程主要建筑物洪水标准，并说明溢洪道、底孔泄洪洞设计洪水与校核洪水流量。2.针对右岸F15断层对枢纽建筑物的不利影响，提出一套系统的工程处理方案，并说明关键施工工序及质量控制要点。3.对“7·9”暴雨导致的导流洞封堵段裂缝险情，分析其成因，并给出加固处理设计（含材料参数、结构计算简图及施工工艺流程）。4.建设单位提出的“128.00m度汛方案”被监理否决，请从水文、地质、施工、经济四方面论证监理决定的合理性，并给出科学合理的2022年汛前度汛优化方案（含坝体断面、防渗结构、临时泄洪设施布置及度汛洪水复核计算）。5.溢洪道堰体大体积混凝土裂缝事故中，施工单位擅自变更配合比及养护方式，请依据《水工混凝土施工规范》（SL6772014）判定其违规行为，并计算裂缝产生的温度应力（给出公式、参数取值及结果），提出修复与防裂综合措施。6.针对地下厂房岩壁吊车梁静载试验不合格事件，按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB/T500862015）进行锚杆承载力复核计算，给出补强加固设计（含新增锚杆参数、布置图及施工顺序），并说明如何组织质量责任追溯。7.结合本工程实际，编制“2023年北江枢纽首台机组启动验收阶段蓄水计划”，内容需包括蓄水时段、水位升幅、库容曲线、下游供水及生态流量保障、监测项目与频次、应急预案及审批程序，并附蓄水日程表。三、答案1.工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别2级。依据SL2522017表3.0.2及5.2.1，混凝土面板堆石坝、溢洪道、底孔泄洪洞设计洪水重现期100年，校核洪水重现期2000年。查北江流域水文图集，坝址100年一遇洪峰流量7850m³/s，2000年一遇洪峰流量11200m³/s。溢洪道设计泄量6850m³/s对应堰上水头7.35m；底孔泄洪洞设计泄量1820m³/s对应上游水位132.00m、下游水位88.50m时流态为无压明流；校核工况下，溢洪道+底孔联合泄量需≥11200m³/s，经调洪演算，溢洪道需泄9050m³/s，底孔泄2150m³/s，相应堰上水头9.82m，底孔为有压—半有压过渡流，洞内最大流速23.4m/s，需做防空蚀处理。2.F15断层处理方案：（1）防渗封闭：在溢洪道引渠右侧及引水隧洞进口段，沿断层带轴线布置混凝土防渗墙，墙厚1.2m，嵌入弱风化岩体≥1.5m，墙底高程82.00m，顶部与混凝土喷锚支护及面板堆石坝趾板连接，形成完整防渗帷幕；防渗墙采用C35W8F100混凝土，掺10%膨润土泥浆护壁，槽段长6m，接头采用套接法，接头孔刷壁次数≥10次，渗透系数≤1×10⁻⁷cm/s。（2）固结灌浆：在断层带两侧各5m范围布置固结灌浆孔，孔距2m，排距2m，梅花形布置，孔深8～12m，分三序施工，灌浆压力0.5～1.0MPa，水灰比0.5:1～1:1，注入量控制标准：单孔≤100kg/m，耗灰量异常段采用浓浆+间歇灌注，灌浆后岩体波速≥3500m/s。（3）抗滑稳定：对溢洪道右侧边坡，在断层下盘增设抗滑桩，桩径1.5m，间距4m，桩长18m，嵌固段8m，配筋率1.2%，混凝土C30；桩顶设冠梁连接，形成排桩—锚索组合结构，锚索采用6×Φ15.2mm1860级钢绞线，长20m，设计张拉力600kN，锁定值720kN。（4）关键工序：防渗墙成槽→泥浆置换→清孔验收→水下混凝土浇筑→墙顶凿毛→趾板连接钢筋→混凝土浇筑；固结灌浆→压水试验→灌浆质量评定→声波CT检测；抗滑桩→跳挖成孔→钢筋笼吊装→导管法混凝土浇筑→锚索钻孔→注浆→张拉→封锚。质量控制：防渗墙槽孔沉渣厚度≤10cm，混凝土坍落度18～22cm，导管埋深≥1.5m；固结灌浆压水试验Lu值≤3，合格率≥90%；抗滑桩垂直度偏差≤0.5%，锚索张拉位移≤5mm。3.导流洞封堵段裂缝成因：（1）“7·9”暴雨超标准洪水，导流洞实际泄量达2350m³/s，超过设计泄量1820m³/s，洞内流速26.8m/s，负压−3.2m水柱，产生空蚀—冲击联合作用；（2）封堵混凝土与围岩接触灌浆不充分，接触面存在0.5～1.2mm初始缝隙，高速水流渗入形成动水压力；（3）混凝土自身强度不足，芯样18.4MPa，低于设计C25，弹性模量仅2.1×10⁴MPa，抗冲磨性能差；（4）温度收缩：封堵段长27m，一次浇筑，未设温度筋，夏季入仓温度32℃，最高温升48℃，降温梯度2.1℃/h，产生拉应力1.85MPa，超过当时混凝土轴拉强度1.6MPa。加固设计：结构计算模型：取单位环向长度1m，按弹性地基圆环计算，内径7m，外径8.3m，荷载组合：内水压力0.35MPa+外水压力0.12MPa+温度荷载−20℃。采用30cm厚C40W10F150钢纤维混凝土内衬，钢纤维掺量40kg/m³，抗拉强度≥4.5MPa；内衬与原混凝土间设Φ12@150mm×150mm钢筋网，植入Φ16化学锚栓，深18cm，间距60cm×60cm；环向设Φ20@200mm主筋，纵向Φ16@250mm，保护层5cm。施工流程：裂缝注浆→基面凿毛→锚栓钻孔→清孔→注胶→植入→挂网→喷射钢纤维混凝土→养护→回填灌浆→质量检测。注浆材料：改性环氧浆液，黏度≤300MPa·s，固化体抗压强度≥60MPa，注浆压力0.3～0.5MPa，注浆后取芯抗渗等级≥W10。4.监理否决合理性：（1）水文：128.00m方案挡水高度46m，库容0.89亿m³，50年一遇洪水洪峰6200m³/s，经调洪演算，临时库容需0.42亿m³，水位涨幅4.8m，最高临时水位132.8m，已高于正常蓄水位132.0m，不满足规范SL3032017“临时度汛水位不得高于正常蓄水位”强制性条文；（2）地质：F15断层渗漏量按达西公式估算Q=K·i·A=8.7×10⁻³cm/s×(46/50)×(3.5m×120m)=3.2m³/s，日渗漏量27.6万m³，下游南溪镇防洪堤标准仅20年一遇，堤顶高程90.2m，临时水位上涨至88.5m时，堤防安全系数仅0.93，存在漫顶风险；（3）施工：128.00m方案需在坝面设黏土斜墙，坡比1:2.5，填筑量18.6万m³，黏土料场距坝址37km，运输道路需穿越南溪镇，汛期交通受限，且黏土料最优含水率16%，现场阴雨天含水率22%，无法压实；（4）经济：若因渗漏导致下游漫顶，损失约3.2亿元，而维持130.00m方案仅需增加混凝土防渗面板0.8万m³，增加投资0.18亿元，经济比较显而易见。优化方案：维持130.00m度汛高程，采用“面板+坝体临时挡水”方案：坝体断面：上游设C25混凝土防渗面板，厚0.3m，配Φ12@150mm双层钢筋，面板与坝体间设6mm厚土工膜+600g/m²无纺布；下游坝坡1:1.7，采用堆石碾压，孔隙率≤20%；临时泄洪：溢洪道5孔闸门已安装，底孔泄洪洞已贯通，具备泄流条件；度汛标准100年一遇洪水7850m³/s，经调洪，最高水位129.7m，低于面板顶高程130.0m；防渗：面板分缝设铜止水，缝内填沥青木板，面板混凝土掺8%膨胀剂，限制膨胀率≥2×10⁻⁴；工期：2022年4—6月完成面板浇筑，7月1日具备挡水条件，投资增加0.18亿元，风险可控。5.违规判定：SL6772014第5.2.3条明确“大体积混凝土配合比变更应经监理审批”，施工单位未报批，属严重违规；第6.4.2条要求“夏季施工应优先采用流水养护”，取消流水养护违反强制性条文。温度应力计算：采用弹性基础梁法，取1m高堰体，长度28.5m，厚度1.5m，混凝土弹性模量E_c=3.0×10⁴MPa（28d），线膨胀系数α=1×10⁻⁵/℃，泊松比μ=0.167，地基约束系数C_x=1.5N/mm³。最大降温差ΔT=T_p+T_r−T_a=32+23−25=30℃（T_p入仓温度，T_r绝热温升，T_a环境稳定温度）。温度应力σ=−E_c·α·ΔT·R/(1−μ)=−3.0×10⁴×1×10⁻⁵×30×0.5/(1−0.167)=−5.4MPa（拉），超过C18040混凝土轴拉强度标准值2.4MPa，开裂确定。修复与防裂：（1）裂缝处理：沿缝凿V形槽，宽5cm，深3cm，丙酮清洗，涂刷底胶，填注低模量聚氨酯密封胶，表面粘贴300mm宽TPO防水卷材；（2）内部注浆：埋设注浆嘴，间距30cm，注改性环氧，压力0.2MPa，注满率≥95%；（3）防裂措施：恢复双掺方案，粉煤灰20%、矿渣粉15%，降低水泥用量55kg/m³；埋设冷却水管Φ32mm，间距1m×1m，通河水冷却，控制温升≤25℃；表面流水养护14d，水温与混凝土表面温差≤15℃；增设温度筋Φ16@150mm，配筋率0.25%。6.锚杆承载力复核：原设计砂浆锚杆Φ25，A_s=490.9mm²，f_y=400MPa，设计锚固力N=π·d·L·τ=3.14×25×4500×0.8=282.7kN（τ砂浆与孔壁黏结强度0.8MPa）；实际Φ22，A_s=380.1mm²，L=4.0m，τ=0.7MPa（注浆饱满度78%，折减），N'=3.14×22×4000×0.7=193.4kN；单根锚杆需承担荷载：吊车梁最大弯矩M=320kN·m，锚杆间距1.5m，则单根拉力T=M/(1.5×0.9)=237kN；N'<T，不满足。补强设计：新增自进式中空锚杆Φ32，壁厚6mm，A_s=462mm²，f_y=800MPa，L=6m，锚固段4m，注浆体M30，τ=1.2MPa，N''=3.14×32×4000×1.2=482.5kN；布置：在原锚杆中间新增1根，间排距1.5m×1.5m；共新增120根；张拉值0.9×800×462=332kN，锁定值400kN。施工顺序：搭设脚手架→钻孔→锚杆安装→注浆→张拉→锁定→验收；质量追溯：建立锚杆身份二维码，记录钢材批次、注浆量、张拉数据，保存影像资料，责任到人。7.2023年首台机组启动验收蓄水计划：（1）蓄水时段：2023年8月26日至9月15日，分三阶段：阶段Ⅰ：8月26—30日，水位由天然河床82.0m升至96