棉花灘水電站施工導(dǎo)流方案選擇

棉花灘水電站施工導(dǎo)流方案選擇

1大壩系統(tǒng)發(fā)育型棉灘水庫位于福建省永定縣。它是汀江流的主要水庫，擁有600mw的能源，水庫以上的流域面積為79707km2，占汀江流域的67%。大壩采用碾壓混凝土重力壩,大壩壩址兩岸山體雄厚,河谷狹窄,呈“V”字形。汀江屬山區(qū)性河流,洪枯洪量相差懸殊,枯水期河面寬僅30m,多年平均流量為232m3/s,工程能否順利施工,施工導(dǎo)流設(shè)計是關(guān)鍵。該工程1996年5月開工,1998年9月截流,2000年12月下閘蓄水,2001年發(fā)電,2003年8月竣工。2壩體擋水造壩階段2000年10月前后根據(jù)施工進(jìn)度安排并考慮到工程特點(diǎn),本工程施工導(dǎo)流過程可分為:前期、后期、下閘蓄水3個階段。前期即從1998年9月12日原河床截流至1999年汛后。其中截流后至次年4月為枯水期,采用圍堰擋水,隧洞過流方式,期間主要進(jìn)行基坑開挖、基礎(chǔ)處理及88.00m高程以下大壩碾壓混凝土澆筑;而汛期高溫季節(jié)大壩停止施工,該時段采用壩頂過水與導(dǎo)流洞聯(lián)合泄流方式度汛。1999年10月下旬至2000年12月下閘蓄水前為后期,該階段由壩體臨時斷面擋水,導(dǎo)流洞及泄水底孔聯(lián)合過流和度汛。下閘后至2001年4月底蓄水期間各月各頻率的洪水由泄水底孔及溢洪道下泄,該階段為下閘蓄水期。3擋水施工主要依靠大壩施工圍堰擋水根據(jù)不同的施工階段,導(dǎo)流擋水建筑物有所不同,前期從河床截流后至1999年汛后,主要依靠上、下游施工圍堰擋水,創(chuàng)造基坑干地施工條件;后期及下閘蓄水期則依靠大壩施工臨時斷面擋水。下面僅介紹施工圍堰的設(shè)計情況。3.1大壩的設(shè)計工況圍堰設(shè)計擋水標(biāo)準(zhǔn)為枯水期(10月至次年3月)5年一遇,設(shè)計流量為2120m3/s。上游圍堰位于壩上游約40m處,頂寬5m,上游面垂直,下游面坡度為1∶0.75,堰頂高程為96.50m,最大堰高27m。圍堰基礎(chǔ)為弱風(fēng)化花崗巖,僅有規(guī)模較小的斷層通過,地質(zhì)條件較好,除對斷層進(jìn)行挖槽采用插筋混凝土塞處理外,未進(jìn)行其他基礎(chǔ)處理工作。上游圍堰為4級建筑物,設(shè)計工況分正常擋水工況和汛期過流工況,過流工況復(fù)核洪水標(biāo)準(zhǔn)為全年20年一遇,Qmax為6950m3/s,過流時大壩高程已超過堰頂,圍堰近于靜水淹沒狀態(tài)。各工況設(shè)計荷載有:(1)導(dǎo)流擋水工況(一)。水推力+自重+揚(yáng)壓力。(2)導(dǎo)流擋水工況(二)。水推力+浪壓力+自重+揚(yáng)壓力。(3)過流工況。近于靜水淹沒狀態(tài),穩(wěn)定及應(yīng)力皆可滿足要求。據(jù)分析計算,各工況應(yīng)力及穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求。3.2lg3合龍段下、下門型圍堰設(shè)計工況下游圍堰在設(shè)計時考慮到將來在運(yùn)行期將作為二道壩,因此也采用碾壓混凝土重力式結(jié)構(gòu)。其設(shè)計擋水標(biāo)準(zhǔn)同上游圍堰,堰頂高程7.00m,最大堰高9m。圍堰布置在壩下游約200m處,堰基為弱風(fēng)化花崗巖,僅有較小的F8斷層及J1節(jié)理密集帶通過,基礎(chǔ)條件較好。對堰基斷層采用挖槽澆混凝土塞及固結(jié)灌漿加固基礎(chǔ)進(jìn)行處理,不設(shè)排水與防滲等其他基礎(chǔ)處理措施。下游圍堰頂寬6.0m,上游面垂直,下游面坡度1∶0.75。為3級建筑物,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,相應(yīng)洪峰流量為8400m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇,相應(yīng)洪峰流量為12000m3/s。因此,下游圍堰設(shè)計工況分:施工期導(dǎo)流擋水,運(yùn)行期設(shè)計過流、校核過流3種工況。通過計算分析,各工況下的應(yīng)力及穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足要求。4口明渠段、進(jìn)口段本工程根據(jù)不同的施工階段,其導(dǎo)流泄水建筑物有導(dǎo)流洞、泄水底孔及溢洪道等。下面僅介紹導(dǎo)流洞的設(shè)計與施工情況。本工程設(shè)置一條導(dǎo)流隧洞,布置在右岸,由進(jìn)、出口明渠段,進(jìn)口段及洞身段組成,由進(jìn)、出口明渠與原河道相接。在進(jìn)口段樁號導(dǎo)0+000m處設(shè)置封堵鋼閘門門槽,尺寸為2.75m×0.70m(寬×深),相應(yīng)洞頂上設(shè)有下閘時的啟閉機(jī)排架。1999年導(dǎo)流洞與壩體共同宣泄全年20年一遇洪水時洞內(nèi)最大流速為13.00m/s。2000年與泄水底孔共同宣泄全年100年一遇洪水時,洞內(nèi)流速分別為28.04m/s(雙峰)及27.72m/s(單峰);遇全年20年一遇洪水時,洞內(nèi)流速24.67m/s。4.1該通道的結(jié)構(gòu)4.1.1水平邊坡導(dǎo)流洞與正墻連接進(jìn)口明渠段為開敞式喇叭形引渠,長110m左右。根據(jù)水流流速分布與水力試驗成果及地質(zhì)情況,進(jìn)口明渠兩側(cè)開挖邊坡1∶0.33,導(dǎo)流洞前20m,明渠邊坡高程85.00m以下采用混凝土襯護(hù),導(dǎo)流洞口直墻與梯形明渠采用不對稱的垂直喇叭直墻漸變連接。4.1.2啟閉機(jī)排架設(shè)計方案進(jìn)口段(0-016.375～0+006.00m)長22.375m,前部0-016.375～001.375m為1/4橢圓進(jìn)口漸變段,洞高從前到后為22.5m漸變到正常高度15m,洞寬不變,0-001.375～0+001.375m為開敞式門槽,0+001.375～006.00m段為工作平臺段與排架基礎(chǔ)段。進(jìn)口段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。啟閉機(jī)排架位于樁號0+000m門槽上部,底部高程86.50m(洞頂),頂部高程109.00m,與撫石公路恢復(fù)段齊平,排架柱尺寸120cm×120cm,柱基落在進(jìn)口段襯砌邊墻及回填的大體積混凝土上部。采用框架結(jié)構(gòu)。啟閉機(jī)上部高程109.00m工作平臺寬8.70m,長16.00m。棉花灘導(dǎo)流洞封堵鋼閘門,采用分節(jié)制造現(xiàn)場組裝沉放,分節(jié)最大單重28t,考慮到閘門運(yùn)輸、就位、組裝施工方便,排架設(shè)計單節(jié)閘門由設(shè)在排架左側(cè)下游與高程109.00m撫石公路相連的施工便橋滾動移至排架頂后,由設(shè)在排架上的起吊設(shè)備起吊就位組裝。排架設(shè)計主要荷載有:活載5kPa,工作橋牛腿荷載120t/個,下閘啟門荷載(下閘后在2h內(nèi)還可以提起),自重。4.1.3錨桿支護(hù)—洞身段樁號0+006.00～351.30m為洞身段,其結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)洞身沿線地質(zhì)條件、壩軸線位置、堵頭布置、受力情況等,采用不同支護(hù)方式。(1)0+006.00～066.00m段。該段中0+006.00～045.00m范圍為新鮮巖石,屬Ⅰ、Ⅱ類圍巖,0+045.00～067.00m范圍內(nèi)受斷層f6、f1-1、及F1影響,尤其是F1斷層較寬(達(dá)1～3m),為弱風(fēng)化巖石,該段下閘蓄水后承受外水頭近100m(未乘折減系數(shù)),采用鋼筋混凝土受力襯砌,襯砌厚度為1.5m和1.2m,對斷層破碎帶在開挖后采用錨桿掛網(wǎng)噴混凝土加強(qiáng)支護(hù)。(2)0+066.00～275.00m段。該段地質(zhì)較好,地質(zhì)判斷為基本穩(wěn)定,即Ⅱ類圍巖,巖石大部為微風(fēng)化和新鮮巖石,該段通過的主要斷層為F44,寬0.7m,此外該段0+215.00～235.00m范圍右邊墻及0+270.00～275.00m范圍內(nèi)右邊墻發(fā)育有數(shù)條節(jié)理,相互切割,分別采用錨筋樁、錨桿加固處理。該段采用系統(tǒng)錨桿支護(hù),同時考慮到洞內(nèi)流速較大,為了加大過流能力,0+066.00～275.00m段均采用錨桿支護(hù)和40cm厚鋼筋混凝土薄層襯砌。(3)0+275.00～351.30m段。根據(jù)地質(zhì)資料,該段圍巖屬基本穩(wěn)定圍巖,設(shè)計僅對0+331.3～351.30m洞口段進(jìn)行鋼筋混凝土受力鎖口襯砌,其余0+275.00～331.30m段為錨桿支護(hù)混凝土薄層襯砌。錨桿支護(hù)設(shè)計以工程類比為主,并采用規(guī)范推薦的經(jīng)驗參數(shù)及極限平衡理論進(jìn)行計算復(fù)核,同時結(jié)合施工臨時支護(hù),選定系統(tǒng)支護(hù)錨桿參數(shù)如下:錨桿直徑25mm,錨桿長度300cm,錨桿間距200cm。4.1.4地下邊坡巖石開挖長約110m,底高程為68.00m。根據(jù)地質(zhì)資料,巖石為微風(fēng)化或新鮮巖石,開挖邊坡1∶0.33。為減少水流對出口及對岸公路與尾水渠的沖刷,導(dǎo)流洞出口明渠采用圓弧擴(kuò)散并將水流逼向下游,同時對洞口外30m范圍的明渠邊坡底板采用混凝土襯砌,以避免高速水流沖刷破壞。4.1.5回填灌漿及排水孔(1)根據(jù)計算和試驗成果,導(dǎo)流洞過流流速較大,最大達(dá)28.00m/s,故洞身混凝土均采用R28250,進(jìn)出口、排架、明渠護(hù)砌采用R28200混凝土。(2)對洞身段(0+006.00～551.30m)進(jìn)行回填灌漿,灌漿孔孔徑55mm,環(huán)距2.5m,排距3.0m,孔深入巖15cm。(3)根據(jù)計算分析受力襯砌混凝土結(jié)構(gòu)主要受下閘蓄水工況外水壓力控制,并考慮到薄襯結(jié)構(gòu)安全,要求對全隧洞圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿后打排水孔的處理,以減少作用在襯砌混凝土上的外水壓力。固結(jié)灌漿孔孔徑55mm,環(huán)距4.0m,排距3.0m,入巖深度6.0m,灌漿壓力1序孔為0.6MPa,2序孔為0.8MPa。排水孔孔徑、孔距、排距同固結(jié)灌漿孔,深度為入巖3.0m。回填灌漿孔、固結(jié)灌漿孔及排水孔均按梅花形布置。4.2施工期間的設(shè)計調(diào)整導(dǎo)流洞于1996年5月1日開工,分2層從進(jìn)出口兩端掘進(jìn),1998年9月12日汀江截流,導(dǎo)流洞過水。4.2.1圍巖地質(zhì)情況(1)進(jìn)口明渠段。該段強(qiáng)風(fēng)化帶下限的平均深度約15m,無較大斷層通過,但節(jié)理發(fā)育,巖體完整性差。(2)洞身段。樁號0+024.00～054.00m段有F27、F1、F1-1、F6等斷層交匯,傾角較陡,屬基本穩(wěn)定圍巖;樁號0+214.00m附近有F42、F44斷層通過,樁號0+280.00m附近有F4、F4-1等斷層通過。洞身大部分穿越新鮮巖石。(3)出口明渠段巖石風(fēng)化不深,有F5-1、F17斷層通過。(4)導(dǎo)流洞地下水為裂隙水,沿著主要斷層、節(jié)理密集帶滲出或滴出,如f6、F1-1、F1、F44、F4-1及多條節(jié)理等,水量不大,其余地段均較干燥或干燥。(5)導(dǎo)流洞洞身開挖后地質(zhì)情況與原地質(zhì)資料比較,進(jìn)口段與洞身上游段略好,但洞身下游段略差。4.2.2錨桿改建工程措施(1)施工階段根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況,對錨桿支護(hù)進(jìn)行了調(diào)整,具體如下:①樁號0+230.00m前,除0+045.00～066.00m段、0+090.00～128.00m段及0+180.00～200.00m段外,洞壁高程77.0m以下因地質(zhì)條件較好,將錨桿改成插筋,插筋入巖1.0m。②樁號0+230.00m到出口錨桿加長至4.0m,排距改為1.5m。(2)對固結(jié)灌漿與排水孔進(jìn)行了調(diào)整,具體如下:①0+006.00～026.00m、0+066.00～076.00m要求按圖進(jìn)行固結(jié)灌漿施工。0+026.00～066.00m根據(jù)節(jié)理、斷層分布選定35孔進(jìn)行固結(jié)灌漿。0+090.00～128.00m右側(cè)頂拱及右邊墻固結(jié)灌漿,其他不灌。②0+275.00～351.3.00m邊墻不設(shè)排水孔,頂拱排水孔排距擴(kuò)大至6.0m。(3)襯砌支護(hù)。導(dǎo)流洞0+275.00～331.30m段開挖后定為Ⅳ類圍巖,地質(zhì)條件較差,支護(hù)形式由原設(shè)計的錨桿加40cm混凝土薄襯改為錨桿加100cm厚鋼筋混凝土受力襯砌。襯砌厚度及配筋與0+331.30～351.30m段相同,經(jīng)復(fù)核除底板與側(cè)墻轉(zhuǎn)角處有一點(diǎn)配筋略少外(少3.5%),斷面其他部位配筋滿足要求。4.3小區(qū)內(nèi)堵頭混凝土澆筑導(dǎo)流洞堵頭作為水庫擋水建筑物的重要組成部分,設(shè)計與校核洪水標(biāo)準(zhǔn)同攔河大壩,即設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為P=0.2%,校核標(biāo)準(zhǔn)為P=0.02%,相應(yīng)庫水位分別為174.76m及177.80m。堵頭設(shè)置在壩基下部,樁號0+090.00～128.00m,位于壩基防滲帷幕下面。堵頭段洞身開挖成雙側(cè)齒形,即前段大、后端小的喇叭形結(jié)構(gòu),對提高堵頭受力、抗滑穩(wěn)定能力和減少縫隙均較有利。堵頭襯砌表面共設(shè)置24個梯形鍵槽,下閘后僅對混凝土表面鑿毛后即澆筑堵頭混凝土。因堵頭段原襯砌混凝土的兩側(cè)巖石開成小喇叭形,其抗剪斷穩(wěn)定有保證。堵頭的長度由原襯砌混凝土與堵頭混凝土間的抗剪(斷)來決定。經(jīng)計算,堵頭長度為36m,實(shí)際施工時為38m。堵頭實(shí)體長度按沖切強(qiáng)度與防滲厚度的要求并考慮一定安全余度,確定為8m,下游30m長設(shè)灌漿廊道,廊道尺寸為4.0m×5.0m。堵頭內(nèi)預(yù)埋冷卻水管,混凝土澆筑后經(jīng)通水冷卻達(dá)穩(wěn)定溫度后進(jìn)行接縫灌漿。此外,對堵頭段要進(jìn)行必要的回填、固結(jié)與帷幕灌漿工作。4.4進(jìn)一步開展導(dǎo)水整體高重建筑節(jié)能研究為驗證導(dǎo)流建筑物布置的合理性以及為優(yōu)化導(dǎo)流建筑物設(shè)計提供依據(jù),1993年2月委托福州大學(xué)土建系進(jìn)行了導(dǎo)流建筑物整體水工模型試驗,于1993年11月提出了驗研究報告,1994年3月又進(jìn)行了補(bǔ)充試驗,并提出了補(bǔ)充試驗報告。4.4.1擋水、隧道聯(lián)合泄水(1)驗證天然河道受青溪電站回水頂托時的泄流狀態(tài)。(2)圍堰擋水、隧洞單獨(dú)泄水。(3)圍堰堰頂、隧洞聯(lián)合泄水。(4)壩體高程116.00m溢流與隧洞聯(lián)合泄水。(5)壩體擋水、隧洞單獨(dú)泄水。(6)壩體擋水、隧洞與壩體泄水底孔聯(lián)合泄水。4.4.2部門值內(nèi)流體與出口沖刷改善措施(1)隧洞泄流能力。(2)進(jìn)出口水流流態(tài),重點(diǎn)研究進(jìn)口渦流與出口沖刷,并提出改善措施和建議。(3)隧洞水流流態(tài)與沿線壓力分布。(4)測定壩體(頂)過流、堰頂過流流態(tài)、流速、壓力分布及最不利流量。4.4.3聯(lián)合泄流試驗(1)青溪水庫回水頂托對天然河道泄流影響不大。但當(dāng)導(dǎo)流隧洞單獨(dú)泄流,流量小于500m3/s時,會影響洞內(nèi)水流流態(tài)。(2)經(jīng)過多方案試驗比較,進(jìn)水口上唇曲線采用x2/152+y2/7.52=1,進(jìn)口與明渠連接采用α左=45°,α右=60°的不對稱直墻喇叭口。(3)