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水利工程大壩圍堰施工設(shè)計(jì)探討

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2017-11-28 15:57

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　　摘要：圍堰是水利工程施工中最常見(jiàn)的工序，圍堰的施工設(shè)計(jì)關(guān)乎大壩的施工安全，在具體工程實(shí)施時(shí)必須根據(jù)工程所處的環(huán)境、地質(zhì)條件、工程本身等設(shè)計(jì)合適的圍堰。本文作者結(jié)合自己的工作實(shí)踐，通過(guò)結(jié)合某大壩工程實(shí)例，基于該大壩基本成“U”型對(duì)稱分布，對(duì)該大壩采用圍堰擋水、箱涵導(dǎo)流的導(dǎo)流方式實(shí)施，對(duì)圍堰采取合理設(shè)計(jì)，為同類工程提供參考實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞：大壩工程;圍堰設(shè)計(jì);導(dǎo)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(wú)四季明顯區(qū)分，全年平均氣溫28℃左右，最高氣溫可達(dá)35℃。壩址處于深切橫向河谷，兩岸山體雄厚、基本成“U”型對(duì)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(dǎo)流的導(dǎo)流方式。

　　2. 圍堰設(shè)計(jì)原則及圍堰級(jí)別

　　2.1 圍堰型式設(shè)計(jì)原則

　　(1)本圍堰方案的設(shè)計(jì)是基于“一枯”只進(jìn)行大壩基坑開(kāi)挖、大壩基礎(chǔ)找平混凝土及固結(jié)灌漿、帷幕灌漿的施工，施工時(shí)段為4月下旬至11月上旬.。(2)安全可靠，能滿足穩(wěn)定性、抗?jié)B及抗沖要求。(3)圍堰防滲墻軸線應(yīng)避開(kāi)不利的地質(zhì)條件。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，宜于拆除并能充分利有用當(dāng)?shù)夭牧霞伴_(kāi)挖碴料,堰基易于處理，堰體便于與岸坡連接。(5)能在預(yù)定期內(nèi)修筑到需要的斷面及高程。根據(jù)上述原則及現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)和材料供應(yīng)條件擬定：上游圍堰采用RCC圍堰，下游采用采用土石過(guò)水圍堰。

　　3. 圍堰級(jí)別

　　在本次工程案例當(dāng)中，根據(jù)導(dǎo)流建筑物系指樞紐工程施工期所使用的臨時(shí)性擋水和泄水建筑物，并根據(jù)其保護(hù)對(duì)象、失事后果、使用年限和工程規(guī)模進(jìn)行劃分(Ⅲ～V級(jí))。保護(hù)對(duì)象是I、II級(jí)永久建筑物;失事后果是淹沒(méi)一般城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)，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(kù)容分別為15～50m、0.1～1.0億m3。根據(jù)《水電水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DL/T5114-2000)中表4.0.1確定本工程圍堰級(jí)別為IV級(jí)。

　　4. 圍堰平面布置

　　圍堰布置應(yīng)有利于箱涵安全運(yùn)行，便于碾壓混凝土圍堰基礎(chǔ)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(chǔ)開(kāi)挖外輪廓線最小距離為15m。下游橫向圍堰軸線與導(dǎo)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(duì)圍堰坡腳有一定沖刷，故需對(duì)下游圍堰左岸坡腳部位采用鋼筋石籠或大塊石進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，以保證圍堰的安全穩(wěn)定。上游圍堰軸線呈直線布置，全長(zhǎng)約77m，下游土石圍堰軸線也是直線布置，全長(zhǎng)約34m，詳見(jiàn)《班谷大壩導(dǎo)流平面布置圖》。上游圍堰采用RCC圍堰，防滲采用上游側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　5.1 圍堰堰頂高程方案選擇

　　根據(jù)箱涵泄流曲線等有關(guān)資料，按照圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)水力學(xué)計(jì)算分析，上游圍堰在Q10%(枯期4月～次年11月)=365m3/s時(shí)，擋水高程為EL.42.5m，下游圍堰擋水高程為EL.30.5m。根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)SDJ12-78及SDJ211-87對(duì)土石壩的規(guī)定，圍堰設(shè)計(jì)高程應(yīng)滿足防洪安全、風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　(1)上游圍堰斷面設(shè)計(jì)。上游RCC堰堰頂高程按全年擋水標(biāo)準(zhǔn)P=10%分期洪水設(shè)計(jì)洪峰流量365m3/s，在左岸箱涵泄洪情況下，相應(yīng)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(zhǎng)度77.0m。圍堰軸線控制點(diǎn)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(tài)混凝土防滲。

　　(2)堰頂寬度及構(gòu)造。堰頂寬度滿足吊裝箱涵閘門的要求，上游RCC圍堰堰頂設(shè)寬度左側(cè)設(shè)為為7m，右側(cè)設(shè)為3m。

　　(3)圍堰各部構(gòu)造。圍堰主要由底板常態(tài)混凝土防滲層，主體RCC，上游側(cè)富漿層變態(tài)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(kāi)挖開(kāi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　(1) 下游圍堰體型。下游圍堰為土石過(guò)水圍堰，最大高度8m，最大底寬20m。堰頂平臺(tái)為RCC混凝土板，起鎮(zhèn)頭作用，斜坡段為鋼筋籠和塊石面板，起防護(hù)和穩(wěn)定水流作用，堰后平臺(tái)為鋼筋籠板，起鎮(zhèn)腳和堰后防護(hù)作用，堰前設(shè)有大塊石護(hù)坡。堰頂高程31.00m，圍堰軸線長(zhǎng)度34.00m，堰頂設(shè)計(jì)無(wú)交通要求，堰頂頂寬3m。圍堰軸線控制點(diǎn)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(hù)坡、護(hù)腳：外側(cè)邊坡1:2，內(nèi)側(cè)邊坡1:1. 5，護(hù)坡頂厚1.5m，填材料為大塊石、鋼筋籠。下游坡護(hù)坡：經(jīng)常水位以上邊坡采用鋼筋籠護(hù)坡，水下采用大塊石護(hù)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(wěn)定計(jì)算

　　根據(jù)水利部頒標(biāo)準(zhǔn)SDJ12-78及SDJ211-87對(duì)土石壩的規(guī)定，圍堰一般只對(duì)4級(jí)以上建筑物或圍堰高度超過(guò)15m時(shí)才進(jìn)行抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算。本工程下游圍堰高度為8m，未超過(guò)15.0m，不需進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算.因此僅需要需對(duì)上游圍堰進(jìn)行穩(wěn)定安全計(jì)算。圍堰的穩(wěn)定安全系數(shù)要求見(jiàn)表1。

　　表1 圍堰邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)要求

圍堰型式	級(jí) 別	抗滑	備注
土石圍堰	Ⅲ	≥1.20	邊坡穩(wěn)定
土石圍堰	Ⅳ、Ⅴ	≥1.05	邊坡穩(wěn)定
混凝土圍堰		≥1.05	按抗剪強(qiáng)度計(jì)算
	Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ	≥3.0	按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算
	Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ	≥2.5	按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算，考慮排水失效

　　5.5 上游圍堰穩(wěn)定設(shè)計(jì)

　　混凝土重力式圍堰建基面和巖體垂直正應(yīng)力可用《SL319-2005 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 P18》進(jìn)行計(jì)算，要求上游垂直應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力(計(jì)揚(yáng)壓力)，壩體任何截面的主壓應(yīng)力小于混凝土的允許壓應(yīng)力值。混凝土重力式圍堰在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，迎水面允許有主拉應(yīng)力0.1～0.15Mpa，堰體允許有主拉應(yīng)力0.2Mpa。圍堰的抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算采用“抗剪強(qiáng)度計(jì)算”進(jìn)行。壩基截面的垂直正應(yīng)力計(jì)算參照《SL319-2005 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》P18 6.3.3公式進(jìn)行計(jì)算。上游RCC圍堰穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。根據(jù)地質(zhì)資料分析，上游圍堰河床覆蓋層厚度較薄，物理力學(xué)指標(biāo)均較高，經(jīng)計(jì)算成果見(jiàn)表2。

　　表2 上游RCC圍堰穩(wěn)定計(jì)算成果

圍堰	運(yùn)行工況	最小安全系數(shù)	最大應(yīng)力值
RCC圍堰	擋設(shè)計(jì)洪水水位42.5m，基坑有水	1.14	0.16
RCC圍堰	擋設(shè)計(jì)洪水水位42.5m，基坑無(wú)水	1.07	0.18

　　5.6 圍堰度汛保護(hù)設(shè)計(jì)

　　上游圍堰為RCC圍堰，過(guò)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(tái)階形式。下游土石圍堰過(guò)水時(shí)采用鋼筋籠護(hù)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(jiàn)表3所示。

　　表3 圍堰工程量表

圍堰	項(xiàng) 目	單位	工程量	備注
上游 RCC 圍堰	土石方開(kāi)挖	m3	1000
	RCC混凝土	m3	9100
	C15常態(tài)混凝土	m3	367
	500*500預(yù)制塊	塊	500	5005001500
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(hù)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(zhì)堅(jiān)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(guò)10%左右，含泥量小于5%(按重量計(jì))，控制塊體干容重26.00～27.00kN/m3，可利用左右岸上游渣場(chǎng)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(chǎng)備用。護(hù)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(lián)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(jī)現(xiàn)場(chǎng)填筑，選用粒徑不小于20cm的堅(jiān)硬塊石裝填，密實(shí)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(chǔ)量約1000m3，滿足下游圍堰粘土心墻用量。

　　表4 土料特性表

　　項(xiàng) 目指標(biāo)備注

　　宜用土料砂質(zhì)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(shù)≤1×10-8cm/s

　　崩解性能良好30min崩解50%～70%，24h完全崩解

　　6. 結(jié)語(yǔ)

　　在本文中對(duì)水利工程大壩圍堰施工設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，主要是通過(guò)工程案例開(kāi)展。基于該項(xiàng)工程大壩圍堰呈“U”型對(duì)稱分布，在實(shí)際施工時(shí)主要是運(yùn)用圍堰擋水、箱涵導(dǎo)流的圍堰設(shè)計(jì)理念，并根據(jù)《水電水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)導(dǎo)則》確定本工程圍堰級(jí)別。通過(guò)上游圍堰采用RCC圍堰，下游采用土石過(guò)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(dǎo)流明渠垂直，由于水流對(duì)圍堰坡腳有一定沖刷，因此需要對(duì)下游圍堰左岸坡腳部位采用鋼筋石籠或大塊石進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，以保證圍堰的安全穩(wěn)定，同時(shí)還需要注重土石圍堰的材料以及工程量，從而更好的發(fā)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(xiàn)：

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