水利工程大壩圍堰施工設計探討
發布時間：
2017-11-28 15:57
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摘 要：圍堰是水利工程施工中最常見的工序，圍堰的施工設計關乎大壩的施工安全，在具體工程實施時必須根據工程所處的環境、地質條件、工程本身等設計合適的圍堰。本文作者結合自己的工作實踐，通過結合某大壩工程實例，基于該大壩基本成“U”型對稱分布，對該大壩采用圍堰擋水、箱涵導流的導流方式實施，對圍堰采取合理設計，為同類工程提供參考實例。
關鍵詞：大壩工程;圍堰設計;導流施工
1. 引言
某大壩地處熱帶雨林氣候，全年炎熱多雨，尤其在11月至次年3月降雨量較多，4月至11月降雨量較少。全年無四季明顯區分，全年平均氣溫28℃左右，最高氣溫可達35℃。壩址處于深切橫向河谷，兩岸山體雄厚、基本成“U”型對稱分布。兩岸山高100～200m，枯水期河面寬20～40m，深2余米，本工程采用圍堰擋水、箱涵導流的導流方式。
2. 圍堰設計原則及圍堰級別
2.1 圍堰型式設計原則
(1)本圍堰方案的設計是基于“一枯”只進行大壩基坑開挖、大壩基礎找平混凝土及固結灌漿、帷幕灌漿的施工，施工時段為4月下旬至11月上旬.。(2)安全可靠，能滿足穩定性、抗滲及抗沖要求。(3)圍堰防滲墻軸線應避開不利的地質條件。(4)結構簡單，施工方便，宜于拆除并能充分利有用當地材料及開挖碴料,堰基易于處理，堰體便于與岸坡連接。(5)能在預定期內修筑到需要的斷面及高程。根據上述原則及現場地形、地質和材料供應條件擬定：上游圍堰采用RCC圍堰，下游采用采用土石過水圍堰。
3. 圍堰級別
在本次工程案例當中，根據導流建筑物系指樞紐工程施工期所使用的臨時性擋水和泄水建筑物，并根據其保護對象、失事后果、使用年限和工程規模進行劃分(Ⅲ～V級)。保護對象是I、II級永久建筑物;失事后果是淹沒一般城鎮、工礦企業，又或者是影響工程總的工期;使用年限在1.5～3年;圍堰工程堰高和庫容分別為15～50m、0.1～1.0億m3。根據《水電水利工程施工導流設計導則》(DL/T5114-2000)中表4.0.1確定本工程圍堰級別為IV級。
4. 圍堰平面布置
圍堰布置應有利于箱涵安全運行，便于碾壓混凝土圍堰基礎清理施工。上游橫向圍堰軸線與大壩軸線平行，上游圍堰背水坡坡腳距大壩基礎開挖外輪廓線最小距離為15m。下游橫向圍堰軸線與導流明渠垂直，且保證從下游圍堰能夠修建一條下基坑道路至消力塘。
由于受左右岸地形及建筑物布置的限制，水流對圍堰坡腳有一定沖刷，故需對下游圍堰左岸坡腳部位采用鋼筋石籠或大塊石進行適當保護，以保證圍堰的安全穩定。上游圍堰軸線呈直線布置，全長約77m，下游土石圍堰軸線也是直線布置，全長約34m，詳見《班谷大壩導流平面布置圖》。上游圍堰采用RCC圍堰，防滲采用上游側富漿層防滲，下游圍堰為土石圍堰，僅6～8m高，水頭不大，采用粘土心墻防滲。
5. 圍堰結構設計
5.1 圍堰堰頂高程方案選擇
根據箱涵泄流曲線等有關資料，按照圍堰設計標準，經水力學計算分析，上游圍堰在Q10%(枯期4月～次年11月)=365m3/s時，擋水高程為EL.42.5m，下游圍堰擋水高程為EL.30.5m。根據部頒標準SDJ12-78及SDJ211-87對土石壩的規定，圍堰設計高程應滿足防洪安全、風浪高和安全超高。因此確定上游圍堰堰頂高程為44.0m，下游圍堰堰頂高程可為31.0m。
5.2 上游圍堰結構設計
(1)上游圍堰斷面設計。上游RCC堰堰頂高程按全年擋水標準P=10%分期洪水設計洪峰流量365m3/s，在左岸箱涵泄洪情況下，相應洪水壅高水位高程為EL.42.5m，考慮堰頂安全超高，圍堰堰頂高程取44.0m，圍堰軸線長度77.0m。圍堰軸線控制點W3(23.181，-30.5)，W4(51.417，-30.5)。防滲墻軸線與圍堰軸線重合，防滲采用富漿層變態混凝土防滲。
(2)堰頂寬度及構造。堰頂寬度滿足吊裝箱涵閘門的要求，上游RCC圍堰堰頂設寬度左側設為為7m，右側設為3m。
(3)圍堰各部構造。圍堰主要由底板常態混凝土防滲層，主體RCC，上游側富漿層變態混凝土組成。
(4)兩岸接頭。將岸坡的坡積物與覆蓋層清除至基巖，在防滲墻軸線上在兩岸堰肩挖槽。
(5)圍堰材料要求。RCC的主材料選用大壩開挖開挖基巖的石渣料，要求最大粒徑≤200mm。含泥量較少。
5.3 下游圍堰結構設計
(1) 下游圍堰體型。下游圍堰為土石過水圍堰，最大高度8m，最大底寬20m。堰頂平臺為RCC混凝土板，起鎮頭作用，斜坡段為鋼筋籠和塊石面板，起防護和穩定水流作用，堰后平臺為鋼筋籠板，起鎮腳和堰后防護作用，堰前設有大塊石護坡。堰頂高程31.00m，圍堰軸線長度34.00m，堰頂設計無交通要求，堰頂頂寬3m。圍堰軸線控制點W5(7.133，128.061)，W6(40.622，121.647)。防滲墻軸線與圍堰軸線重合，防滲采用粘土心墻防滲。
(2) 圍堰填料要求。上游護坡、護腳：外側邊坡1:2，內側邊坡1:1. 5，護坡頂厚1.5m，填材料為大塊石、鋼筋籠。下游坡護坡：經常水位以上邊坡采用鋼筋籠護坡，水下采用大塊石護腳，以防掏刷。堰體填筑料：主體采用土石渣混合料填筑，心墻采用粘土填筑。
5.4 圍堰穩定計算
根據水利部頒標準SDJ12-78及SDJ211-87對土石壩的規定，圍堰一般只對4級以上建筑物或圍堰高度超過15m時才進行抗滑穩定安全計算。本工程下游圍堰高度為8m，未超過15.0m，不需進行穩定計算.因此僅需要需對上游圍堰進行穩定安全計算。圍堰的穩定安全系數要求見表1。
表1 圍堰邊坡的抗滑穩定安全系數要求
|
圍堰型式 |
級 別 |
抗 滑 |
備 注 |
|
土石圍堰 |
Ⅲ |
≥1.20 |
邊坡穩定 |
|
Ⅳ、Ⅴ |
≥1.05 |
||
|
混凝土圍堰 |
|
≥1.05 |
按抗剪強度計算 |
|
Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ |
≥3.0 |
按抗剪斷強度計算 |
|
|
Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ |
≥2.5 |
按抗剪斷強度計算，考慮排水失效 |
5.5 上游圍堰穩定設計
混凝土重力式圍堰建基面和巖體垂直正應力可用《SL319-2005 混凝土重力壩設計規范 P18》進行計算，要求上游垂直應力不出現拉應力(計揚壓力)，壩體任何截面的主壓應力小于混凝土的允許壓應力值。混凝土重力式圍堰在設計洪水位時，迎水面允許有主拉應力0.1～0.15Mpa，堰體允許有主拉應力0.2Mpa。圍堰的抗滑穩定安全計算采用“抗剪強度計算”進行。壩基截面的垂直正應力計算參照《SL319-2005 混凝土重力壩設計規范》P18 6.3.3公式進行計算。上游RCC圍堰穩定計算結果。根據地質資料分析，上游圍堰河床覆蓋層厚度較薄，物理力學指標均較高，經計算成果見表2。
表2 上游RCC圍堰穩定計算成果
|
圍堰 |
運行工況 |
最小安全系數 |
最大應力值 |
|
RCC圍堰 |
擋設計洪水水位42.5m，基坑有水 |
1.14 |
0.16 |
|
RCC圍堰 |
擋設計洪水水位42.5m，基坑無水 |
1.07 |
0.18 |
5.6 圍堰度汛保護設計
上游圍堰為RCC圍堰，過水后防沖要求較高，為減少水的流速，增加抗沖刷能力，下游面采用臺階形式。下游土石圍堰過水時采用鋼筋籠護坡配合大塊石防沖。
5.7 圍堰工程量表
本工程圍堰工程量見表3所示。
表3 圍 堰 工 程 量 表
|
圍 堰 |
項 目 |
單位 |
工 程 量 |
備 注 |
|
上 游 RCC 圍 堰 |
土石方開挖 |
m3 |
1000 |
|
|
RCC混凝土 |
m3 |
9100 |
|
|
|
C15常態混凝土 |
m3 |
367 |
|
|
|
500*500預制塊 |
塊 |
500 |
500*500*1500 |
|
|
截流戧堤 |
石渣 |
m3 |
1000 |
|
|
中石 |
m3 |
150 |
|
|
|
大石 |
m3 |
20 |
|
|
|
下 游 土 石 圍 堰 |
粘土心墻 |
m3 |
505.8 |
|
|
RCC面板 |
m3 |
170 |
|
|
|
土石混合料 |
m3 |
1687.2 |
|
|
|
護坡塊石 |
m3 |
843.6 |
|
|
|
鋼筋籠填石 |
m3 |
120 |
|
|
|
圍堰的拆除 |
m3 |
3326.6 |
|
5.8 土石圍堰材料及主要工程量
(1)石渣料。石渣料要求石質堅硬、不易破碎和水解。粒徑400～700mm的含量30%左右，粒徑50～400mm的含量40%左右，粒徑10～20mm的含量10%～20%左右，粒徑小于20mm的含量不超過10%左右，含泥量小于5%(按重量計)，控制塊體干容重26.00～27.00kN/m3，可利用左右岸上游渣場的石渣料。
(2)塊石。截流所需中塊石料(0.5～0.7m)和大塊石料(0.7～1.2m)存放在右岸上游渣場備用。護坡塊石在堰頂用自卸汽車直接拋填。
(3)填石鋼筋石籠。下游圍堰鋼筋石籠采用商品鋼筋籠(2×1×1m)，鋼筋石籠串聯在一起，以形成鋼筋塊石籠串。鋼筋石籠采用人工配合挖掘機現場填筑，選用粒徑不小于20cm的堅硬塊石裝填，密實度須大于75%。
(4)土料。土料宜滿足表4中的要求，圍堰所需防滲土料從左岸取土，土料儲量約1000m3，滿足下游圍堰粘土心墻用量。
表4 土料特性表
項 目指 標備 注
宜用土料砂質粘土或砂壤土
粘粒含量15%～50%粘粒含量大于50%的粘土，浸水后不易崩解，不宜采用
滲透系數≤1×10-8cm/s
崩解性能良好30min崩解50%～70%，24h完全崩解
6. 結語
在本文中對水利工程大壩圍堰施工設計進行探討，主要是通過工程案例開展。基于該項工程大壩圍堰呈“U”型對稱分布，在實際施工時主要是運用圍堰擋水、箱涵導流的圍堰設計理念，并根據《水電水利工程施工導流設計導則》確定本工程圍堰級別。通過上游圍堰采用RCC圍堰，下游采用土石過水圍堰的方式，上游橫向圍堰軸線與大壩軸線平行，下游橫向圍堰軸線與導流明渠垂直，由于水流對圍堰坡腳有一定沖刷，因此需要對下游圍堰左岸坡腳部位采用鋼筋石籠或大塊石進行適當保護，以保證圍堰的安全穩定，同時還需要注重土石圍堰的材料以及工程量，從而更好的發揮防滲、抗洪功能，并為同類水利工程提供參考和借鑒。
參考文獻：
[1] 黃遠澤; 鄭希娟; 其其格; 張雨豪.蓋下壩水電站大壩上下游圍堰設計與施工 [J].東北水利水電，2013，(11)：38-41.
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