芹山電站面板堆石壩施工期壩體過水渡汛設計

1、芹山電站面板堆石壩施工期壩體過水渡汛設計吳云鑫（浙江省水利廳建設處,浙江 杭州310009）    摘  要：介紹福建芹山水電站工程混凝土面板堆石壩施工期壩體過水保護設計情況，根據(jù)工程實際情況及特點采用雙層鋼筋網(wǎng)對臨時壩體下游壩坡進行防護；采用鋼筋石籠結合大塊石對臨時壩頂進行防護.對設計過程中河道水面曲線的推求、下游壩坡水力計算及保護鋼筋網(wǎng)結構計算方法進行了總結，就堆石壩施工期過水保護方案的選擇，推薦采用鋼筋網(wǎng)對下游壩坡進行保護的方案.    關鍵詞：混凝土面板堆石壩；過水保護；鋼筋網(wǎng)保護；水力計算  &

2、#160; 芹山電站是穆陽溪第一級水電站.穆陽溪位于福建省東北部，全長132，壩址以上流域面積453，該電站位于周寧縣泗橋鄉(xiāng)芹山村附近.水庫總庫容為2.65億，電站裝機容量7萬.    芹山電站工程由混凝土面板堆石壩、岸邊式溢洪道、引水系統(tǒng)、地面式廠房及升壓開關站等組成.攔河壩最大壩高122，壩頂長286.5，上、下游壩坡分別為11.4和11.35.壩體堆石填筑量249.35萬.1導流（渡汛）方式與標準    由于流域內受臺風雨的影響較大，年內水量分配不均，多年平均流量18.0/s，多年平均徑流量為5.68億.每年39月降水量占全年降

3、水量的82.4%.    芹山電站采用“非汛期土石圍堰一次攔斷河流擋水，導流隧洞泄流；第二年汛期，基坑充水，壩體過水渡汛；第三年汛期，基坑充水，壩體臨時斷面擋水”的導流方式.    導流建筑物為級，土石圍堰的洪水標準10年一遇，其相應流量為355/s.第二年汛前，壩體須填至661高程，其相應庫容小于1000萬，該水位時，導流隧洞泄流量為360/s，壩體施工期臨時斷面渡汛標準為20年一遇，其相應流量為2230/s.第三年汛前，壩體須填至720高程，其相應庫容遠大于1000萬，該水位時，導流隧洞泄流量為895/s，壩體施工期臨時渡汛標準為

4、50年一遇，其相應流量為2?850/s.2施工期壩體過水保護措施    根據(jù)工程地形條件，大壩填筑道路布置較為困難，使前期填筑強度限制在15萬/月以下，而根據(jù)施工進度安排，汛前填筑時間只有3個月左右，分析山區(qū)河流洪水特點，臨時壩體汛期過水可能性較大，必須采用過水圍堰，并對臨時壩體采取適當?shù)倪^水保護措施. 2.1過水圍堰設計    根據(jù)使用期長短和恢復難易程度，僅上游圍堰采用過水型式，下游圍堰為一般土石圍堰.上游圍堰頂寬13.5，最大堰高16.2，迎水側、背水側邊坡分別為12和11.75，堰體采用堆石，防滲體為粘土結合土工膜，防滲體下設

5、砂礫料墊層，迎水坡外側為塊石護面及堆石護腳.堰頂為厚40?混凝土蓋頂，圍堰頂部設高1.9的自潰堰.背水坡采用雙層鋼筋網(wǎng)護面，內層鋼筋網(wǎng)采用8鋼筋，雙向間距為10；外層鋼筋網(wǎng)采用22鋼筋，斜向主筋間距50，橫向主筋間距為120.由22錨筋接0.4×0.4×0.6混凝土錨定塊（埋于堆石體中，下同）錨固，錨筋水平間距為150，豎向間距為240?.下游堰腳處設寬4、厚50的混凝土壓腳，將內層鋼筋網(wǎng)與其固定；為防止揚壓力對混凝土壓腳的抬動，設置L1.5、間距為1×1.5的排水孔，孔徑為45.2.2臨時壩體的過水保護措施    a. 下游邊坡部位

6、.壩體臨時斷面下游坡保護體結構型式基本同上游圍堰背水坡采用的方式，僅根據(jù)受力計算結果和防止壩體及內層鋼筋網(wǎng)的隆起，將斜向、橫向主筋間距分別減至30和60，錨筋水平、豎向間距分別減至90和120，同時采用砂漿錨桿將橫向主筋與岸坡山體錨固.    b. 墊層區(qū)、過渡層區(qū).汛前及壩體臨時斷面的砂漿固坡工作，根據(jù)水文氣象預報及水情分析，在圍堰過水前由預埋在圍堰內涵管放水充注基坑，形成水墊.    c. 壩頂區(qū)域.在壩頂上游側20區(qū)域范圍內放置長4、直徑800的鉛絲石籠形成壓頂，同時在下游側20區(qū)域范圍內放置2×1×1的填石

7、鋼筋籠，壩頂其它部位，在碾壓密實后，采用大塊石進行保護，塊石塊徑大于0.4.3過水水力計算    壩體臨時斷面過水時，洪水流量將通過三種途徑泄流，即分為過壩流量Q，導流洞泄流量Q2，壩體滲流量Q3.下面介紹過流設計洪水時各流量的計算方法.3.1過壩流量Q1的確定    根據(jù)S/H10，河道天然水流流態(tài)可近似看做明渠非均勻流.通過假定臨時斷面壩頂過流為,采用分段求和法自下游控制斷面11起往上游推算渠道非均勻流水面曲線，求得斷面66（見圖1，圖中hk為臨界水深）的水深hs,再按寬頂堰溢流公式求得的，復核假定值，若兩者一致，即為所求（計算方

8、法見文獻2）.上述方法是在缺乏詳細河道地形資料情況下采用的，與河道水力計算成果相比偏安全.    經一系列計算得水面曲線結果，見表1.3.2導流洞泄流量Q2的確定    根據(jù)上游圍堰堰前水位計算求得導流洞泄流量Q2466/s（計算方法見文獻2）.3.3壩體滲流量確定    因壩體上游面采用砂漿護面，按只考慮垂直入滲進行計算3：式中：Ks為滲透系數(shù)；      n為堆石體孔隙率；      A為材料特征系數(shù)，

9、取A5；      D為堆石材料換算成圓球的半徑，；      W0為單位寬度的入滲流量，（·）；      B為過流堆石體平均寬度，；      L為平均滲徑長度.求得Q374/s，+Q2+Q32230/s，與設計洪水流量一致.3.4下游壩坡過水水力計算    鑒于下游陡坡很短，坡面水流接近非均勻急變流，計算時近似為緩流計算，陡坡末端按淹沒水躍考慮.具體計

10、算方法同過壩流量的計算.    陡坡起始處水深h1按0.7hk計算，結果如下：    陡坡末端水深h71.45，末端流速v714.5,末端單寬流量q721.0/（s·）.    水力計算表明：壩頂下游端水流流速較大，必須作為防護的重點；過流時的壩體高度不僅對防護面積有影響，而且對坡面流速也有相當影響.4保護結構受力計算4.1外層鋼筋網(wǎng)計算    鋼筋網(wǎng)承受荷載按單位面積外層堆石體進行分析.單位堆石體的滲透力計算4：式中：為水容重，；為水力坡降.  

11、;  但加筋堆石體結構設計理論尚不夠成熟，只能近似進行估算，這里采用司特芬遜（D.Stephenson）圖解法（見圖2），求得鋼筋網(wǎng)水平向荷載.圖中：G為單位面積外層石塊重量（浮重）；Fij為水流拖曳力和滲透力的合力；F為鋼筋網(wǎng)所受荷載；t為淺層滑動阻力；為下游邊坡角度；為堆石體內摩擦角.4.2水平向主錨筋計算    水平向主錨筋一端與鋼筋網(wǎng)焊接，另一端必須錨固于壩體穩(wěn)定安全系數(shù)最小的滑動圓弧范圍之外.采用修正的畢肖甫（A.W.Bishop）圓弧法分析6，選取合理K值（一般不小于1.2，這里取K1.4），按式(6)反算求得水平錨筋的錨固力T. 

12、  式中：T為水平主錨筋的錨固應力,kPa；b為單元堆石體寬度，m；W為單元土條的重量，N；為土條底邊切線與水平面的夾角，（°）；為堆石體材料的內摩擦角，（°）；為孔隙水壓力比.4.3水平錨筋配置的計算    在確定最不利工況時，按照威爾金斯（J.K.Wilkins）的試驗與建議，堆石體最不利工況是壩體剛過水，而下游水位較低時，因為此時的孔隙水壓力最大.采用H.H.羅贊諾夫推薦的B.B.阿里斯托夫斯基的方法，確定最危險滑動圓弧位置.關于水平錨筋配置的計算，采用斯派克斯方法5：式中：h為堆石體高度，；s為堆石體容重，；c為系數(shù)；b為鋼筋

13、上下層間距，.    邊坡穩(wěn)定計算表明：壩體下游邊坡1/31/2高度內錨筋長度需較長；水平錨筋的配置，在底部應較密，頂部可適當稀些.5結語    芹山水電站混凝土堆石壩于1998年1月12日，從640高程起填，月填筑量設計10萬，保護措施在具體實施中加大了下游混凝土護腳的形體，并作了局部修改.1998年5月14日，第一次洪水，洪峰總量為450?/s，過壩流量80/s，洪水歷時約7h，壩體基本無損，只在右岸下部岸坡形成寬2.5的沖坑.6月22日，第二次洪水，洪峰流量720/s，過壩流量310/s，歷時19?h，其中11斷面流速為3.75/s，水舌深1.5，水面寬48，壩體未造成任何損壞，實現(xiàn)安全渡汛.    本文介紹的水力計算，在缺乏水工模型試驗條件下，較好地解決了施工期大壩過水時水面曲線推算及下游壩腳水流流速的計算，為采取相應的保護措施提供了依據(jù).但對彎道水流可能形成環(huán)流及橫向水位差等未能進行分析,計算結果存在一定誤差.本文推薦的雙層鋼筋網(wǎng)對堆石壩臨時壩體下游壩坡防護可減小護面塊石尺寸，壩坡溢流面坡度也可較陡，在經濟上大大優(yōu)于混凝土溢流面板，與常規(guī)的單層鋼筋網(wǎng)保護相比可減少鋼筋用量，并增加了防護的安全性.但施工程序和工藝較單層鋼筋網(wǎng)防護復雜.參考文獻1 SDJ33889，水利水電施工組織