施工导流设计

第2章施工导流设计2.1导流方式方案的选择2.1.1导流方式的选择分段围堰法。亦称为分期围堰法，即用围堰将水工建筑物分段、分期维护起来进行施工的方法。所谓分段，就是在空间上将永久建筑物分为若干段进行施工；所谓分期，就是在时间上将导流分为若干时期。分段围堰法一般适用于河床宽、流量大、工期较长的工程，尤其适用于通航河流和冰凌严重的河流。全段围堰法。即在河床主体工程的上下游各建一道围堰，使水流经河床以外的临时或永久泄水道下泄。主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。此工程的河流属于山区河流，河宽较窄，并且在施工期没有通航要求。故选择一次拦断，即全段围堰法。2.1.2导流方案的选择2.1.2.1过水围堰即基坑允许过水，其挡水工作情况下的设计标准，一般以枯水期不过水为原则。并且在这个施工时段内，必须完成基坑开挖、处理等事项，还应浇筑一定厚度的混凝土层以保护基础。如采用此方案，则围堰工程量较小，导流建筑物的费用也较小。但是淹没损失较大。其中包括：基坑排水及清淤费用；围堰及其他建筑物、道路、线路的修理费用；施工机械撤离和返回基坑所需费用；劳动力和机械的窝工损失等；有效施工期缩短而造成的劳动力、机械设备、生产企业规模、临时房屋等多方面费用的增加；以及可能产生的延期投产损失等。因此，根据技术经济比较之后，认为采用过水围不比高水围堰有明显的优势。另外，因本河流为多砂河流，其泥沙问题还需专门研究。2.1.2.2不过水围堰分为挡枯水期洪水和挡全年洪水。①挡枯水期洪水不过水围堰，即基坑内的主体建筑物可以在一个枯水期内抢修至拦洪高程以上，围堰仅在枯水期内运用。故高度可降低，经济效益显著。表2.1不同施工期各种频率的最大流量（m3／s）时段频率1％2％5％10％20％11.1～5.312050192017501610145011.16～5.10134012701170109099710.1～6.304710429037103260279010.16～6.1528402670243022402020首先粗略估计施工进度和工期为：上游围堰填筑时间：30天；下游围堰填筑时间：15天；基坑排水时间：5天（排水速度：0.5—1.5m/d）；基坑开挖时间：3个月（按4m/m计算，同时上下游围堰加高培厚以及部分地基处理）；后续全面地基：3天。综上所述，在混凝土浇筑之前用去施工时间为4个月。初选时段10.16～6.15，则将坝体浇筑至拦洪高程以上的时间为三个多月，此时间过于紧迫。所以，为保证施工质量和安全，该方案不可取。②挡全年洪水不过水围堰，能保证整个基坑全年干地施工。如果采用此方案，则需要增加导流建筑物费用。但是它没有淹没损失费用。围堰全年挡水，保证主体建筑物全年干地施工，有效工期长，可连续施工，施工进度干扰小。经多方面的比较考虑，决定采用挡全年洪水不过水围堰。2.2导流标准的选用2.2.1导流建筑物级别的选用参考导流建筑物级别的划分（SL203-2004）所列各项指标确定。（1）保护对象为Ⅰ级永久建筑物，对应级别为4级。（2）失事造成较大经济损失，对应级别为4级。（3）使用年限估计为2.5年，在1.5～3年之间，对应级别为4级。（4）围堰工程规模为堰高估计为40m，对应级别为4级，库容大于1.0×108m3，对应级别为3级。综合考虑各因素，确定导流建筑物的级别为4级。2.2.2洪水标准参考导流建筑物洪水标准划分（SL203-2004）所列各项指标确定。导流建筑物的级别为4级，围堰为土石围堰，查得对应的洪水重现期为20～10年，鉴于导流建筑物级别划分中属于本级别上限值，选定重现期为20年。设计洪水流量由该处或附近洪水频率曲线获得。对于重现期为20年，其洪水频率为5%，查得对应的最大流量为5130m3/s，即为设计洪水流量。2.3初步确定导流方案2.3.1泄流建筑物的选择此工程坝址处主河道为一“V”形深槽，设计流量为=5130/s。如果采用明渠导流，取渠底与河槽底齐平，则渠深需100m左右，还需开挖两岸边坡，则明渠开挖量巨大，不足取。如采用涵管导流，因涵管过多对坝身结构不利，其尺寸也不宜过大，且泄流量也小，不足取。该处坝址区两岸变质岩主要由云母石英片岩和角闪片岩构成，石质坚硬，极限抗压强度900—1200kg/。普氏系数f=8，从地质条件来看，采用隧洞导流方案最佳。隧洞的断面型式主要取决于地质条件及设计流态。在本枢纽工程中，地质条件较好，无大的裂隙发育，地下水亦不发育，数量很少。另外，本设计中，隧洞工作条件复杂，围堰为不过水围堰，隧洞的流态变化复杂，运行时间长。故采用城门洞形隧洞比较合适。从国内外的运行实践来看，城门洞形也是较好的。导流方式选择双洞导流，这样隧洞的尺寸不至于过大，洞型为城门洞型，顶拱圆心角为120°。因为考虑到上游围堰的布置，隧洞若布置在右岸，其进水口不好布置，且洞长将更长，导流洞的布置选择双洞都布置在左岸。2.3.2挡水建筑物（围堰）型式选择由设计原始资料可知：坝址上下游均有砂石材料，而且开采运输方便，质量一般皆符合要求。虽然砂质土未找到理想产地，必要时可用两岸黄土代替。故围堰采用心墙式土石围堰最为合适。其断面尺寸确定，考虑到堰高超过20～30m，堰顶宽度取为6m。围堰坡度一级坡取为1:2.5，据顶部20m高处设马道，宽2.5m，二级坡坡度取为1:2.5。2.3.3尺寸初步确定初步估算时不考虑上游围堰库容调洪能力，水流全部通过隧洞导流。通过水力计算，初拟三个方案：方案一：11m×14m导流洞+Hu=46.9m高围堰；方案二：12m×14m导流洞+Hu=42.5m高围堰；方案三：12m×15m导流洞+Hu=39.0m高围堰。对三种组合，计算各方案上游围堰填筑量和隧洞开挖量，计算其总工程量：其中估算时可认为隧洞开挖量1方相当于围堰填筑量4方。表2.2工程量统计表方案围堰填筑量（m³）隧洞开挖量（m³）挖方折算量（m³）总方量（m³）方案一4001912237408949601295151方案二3115082426409705601282068方案三25522725922410368961292123在施工过程中，戗堤进占采用隧洞开挖材料。合龙闭气之后，上下游围堰的加高培厚也可采用隧洞开挖料和基坑开挖料。由表2.2的计算分析可得：方案一的总工程量最小，但是开挖量和填方量相差较大；方案一和方案二的工程量相差不大，并且方案二的开挖量与填方量相差小，且围堰高度低，隧洞开挖断面在当前技术可以达到的范围之内。通过综合分析，选择方案二最为合适。则隧洞的尺寸定为12m×14m。导流洞进口底板高程取枯水位以下5m，则高程为H1=413m。纵坡取2‰，则出口处底板高程H2=413-600×2‰=411.8m。2.4具体确定导流方案2.4.1导流洞泄流能力计算对于有压流，为简化计算，假定两条隧洞泄流能力相同。通过水力计算得有压流上游水位与泄流量的关系见表2.3。对于明流，为简化计算，也假定两条隧洞泄流能力相同。通过水力计算得明流上游水位与泄流量关系见表2.4。表2.3有压流上游水位与泄流量关系表泄流量q（m3/s）4000450050005500上游水位H上（m）435.67444.21449.14454.26表2.4明流上游水位与泄流量关系表泄流量q（m3/s）250500100015002000上游水头H（m）5.286.499.1511.9914.52上游水位H上（m）418.28419.49422.15424.99427.52半有压流的泄流量计算可通过有压流与明流拟合得到。2.4.2调洪演算采用半图解法（单辅助线法），先确定q与2Vqt之间的关系，然后绘制2qVqt～的辅助曲线。然后进行调洪演算，得到之后的设计流量为qmax=4850m3/s。2.4.3围堰高度修正由调洪演算得qmax=4850m3/s，对应的下游水位H下=426.93m下游围堰高程Hd=426.93+0.5=427.43m，取Hd=427.5m。上游围堰高程Hu=427.43+21.07+1.0+0.5=450m，取Hu=450m。2.4.4隧洞设计2.4.4.1尺寸设计隧洞的尺寸定为12m×14m。导流洞进口底板高程取枯水位以下5m，则高程为H1=413m。纵坡取2‰。2.4.4.2进口体型设计隧洞闸门前的渐变段为喇叭口段，其作用是使水流平顺，减少水头损失，同时尽量避免产生空气漏斗状的漩涡，防止产生气蚀破坏。喇喇叭口自进口最前端矩形断面处开始，在顶上和两侧沿水流方向以圆弧曲线或椭圆曲线逐渐收缩，直至与闸门井的矩形断面相接，底边仍采用平底。事实证明：在喇叭口段与闸门井之间采用1/4的椭圆曲线，简单而有效。其方程为22221xyab对于洞顶曲线：a可取为闸门处孔口高度：取a=14m；b可取为闸门处孔口高度的1/3：b=4.7m。故其方程为：22221144.7xy对于边墙曲线：a可取为闸门处孔口的宽度：a=12m；b可取为闸门孔口高度的1/4：b=3.5m；故其方程为：22221123.5xy闸门后的渐变段，是由闸门井处的矩形断面逐渐变化到隧洞的城门洞形的过渡段，为了便于水流平顺连接，其长度一般不应小于洞径的2—3倍，取L=30m.断面具体变化情况如图所示：图2.1隧洞进口渐变段示意图2.4.4.3出口消能防冲设计隧洞出流后，当单宽流量较大时，如果消能不完全，则有可能引起下游河床的严重冲刷，严重影响建筑物的安全。因此，对于隧洞出口消能问题，应予以足够的重视。隧洞出口的消能方式很多，本设计中采用平台扩散消能。它由水平扩散段、衔接段、消力池等部分组成。水平扩散段使水流在平面上扩散，以降低单宽流量，减少消力池的长度和深度；衔接段在从剖面上常做成自由射流下降的抛物线，而在平面上沿着平台扩散段继续扩散；消力池后面一般还需要做一段保护段，以保护河床免受冲刷。2.4.4.4衬砌结构尺寸隧洞衬砌的作用主要有：承受围岩压力及其他荷载，或加固围岩共同承担荷载，保持隧洞安全稳定；平整围岩表面，减少糙率，提高输水能力；防止渗漏；防止水流、空气、温度和干湿变化等对围岩的冲刷和破坏作用。在本枢纽中，围岩条件中等，水头较高，流速较大，隧洞断面较大，作用水头超过20m，采用钢筋混凝土衬砌。衬砌的厚度应根据强度、抗渗、构造和施工要求分析确定。一般来说，单筋的钢筋混凝土衬砌不宜小于25cm，双筋混凝土衬砌不宜小于30cm，根据工程经验，一般约为洞径或跨度的1/12～1/8，本工程取厚度为0.9m截面如图2.2所示。图2.2导流隧洞横截面图2.4.5围堰设计2.4.5.1材料堰壳材料要求较低，本工程中可采用隧洞开挖后的废渣。防渗材料一般用粘土，本枢纽中两岸黄土储量丰富，可用黄土代替粘土。2.4.5.2设计断面尺寸上游围堰断面尺寸确定，考虑到堰高超过20～30m，堰顶宽度取为6m。围堰坡度一级坡取为1:2.5，据顶部20m高处设马道，宽2.5m，二级坡坡度取为1:2.5。心墙为土质心墙，心墙断面自上而下逐渐加厚，坡度一般为1:0.2～1:0.4，本设计选用1:0.25。顶部厚度不小于0.8～1.0m，考虑到水头较高，本设计选用4m。心墙顶部应高出设计水位0.3—0.6m，本设计选用0.5m。心墙和堰壳体之间需设置反滤层。上游围堰横截面如图2.3。下游围堰断面尺寸确定，堰顶宽度取为6m，围堰坡度取为1:2.5。心墙为土质心墙，心墙断面自上而下逐渐加厚，坡度一般为1:0.2～1:0.4，本设计选用1:0.25。顶部厚度不小于0.8～1.0m，本设计选用6m。心墙顶部应高出设计水位0.3—0.6m，本设计选用0.5m。心墙和堰壳体之间需设置反滤层。下游围堰横截面如图2.4。2.4.5.3防渗结构与地基处理在一般覆盖层较深的河床上建围堰，防渗问题是保证基坑安全工作的关键。本设计中，防渗体采用粘土心墙。另外，围堰必须根据需要进行地基处理，以满足渗透稳定、静力和动力稳定，容许沉降和不均匀沉降等方面的要求，以保证围堰的安全经济运行。参考《碾压式土石坝设计规范》（SL247-2001）的建议