石垭子水电站高水头过水围堰防冲设计与施工

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  【摘要】石娅子水电站过水围堰是确保基坑正常施工及汛后能尽快恢复施工的关键。上下游围堰堰顶高差11 m,基坑底到上游堰顶高差42 m,在同类型工程中也是比较大的。因此,在参考了同类型的东风、索风营水电站等工程的有关经验后,选择什么样的防冲设计是围堰的关键,本文重点阐述了护面设计理念及施工方案,供同类工程参考。
  【关键词】高水头过水围堰;防冲设计;护面设计;施工
  【Abstract】The water cofferdam at Shiyazi Hydropower Station is the key to ensure the normal construction of foundation pit and resume construction as soon as possible after flood season. The upper and lower cofferdam weir top height difference of 11 m, bottom pit to the upstream weir top height difference of 42 m, in the same type of project is relatively large. Therefore, the reference to the same type of Dongfeng, Suofengying hydropower station engineering experience, the choice of what kind of anti-reddish design is the cofferdam key, this article focuses on the design concept and construction program for the reference of similar projects .
  【Key words】High head cofferdam;Anti-red design;Face design;Construction
  1. 工程概述
  (1)石婭子水电站位于贵州省东北部,乌江水系左岸一级支流——洪渡河中下游。电站枢纽由碾压混凝土重力坝、右岸引水发电系统组成。电站正常蓄水位为EL.544 m,相应库容3.215亿m3,装机容量为140 MW (2 x70 MW);保证出力26.1 MW,年发电量4.782 x 108KW·h。电站发电死水位为EL.520m。
  (2)碾压混凝土重力坝最大坝高134.50 m,坝顶高程为EL.547.50 m,坝顶全长217.86 m。在河床溢流坝段设3孔12m x 21.5m(宽x高)的溢流表孔,堰顶高程为EL.523.50 m。厂房布置在右岸山体内,为地下厂房,采用单一洞室布置,从右向左依次布置主变室、安装间、主机间和副厂房,总长87.8m。
  2. 围堰设计依据及设计标准
  2.1设计依据。
  (1)招标文件;(2)投标文件;(3)2007年汛前工作安排。
  2.2围堰设计标准。
  上、下游围堰保护下的施工对象是大坝,为大(2)型水利工程,属二等工程。
  根据SDJ 338一89《水利水电工程施工组织设计规范》规定,相应导流工程为IV级建筑物,应按10~20年一遇洪水标准进行设计。从石娅子具体情况和招标文件规定,围堰设计标准为:
  (1)上游围堰挡水标准为枯期(11月6日一次年4月25日)5年一遇(P =20%)洪水,相应洪峰流量570 m3/s。
  (2)围堰渡汛标准为全年10年一遇(P=10%)洪水,相应洪峰流量5020 m3/s。
  (3)坝体施工期临时渡汛标准为全年10年一遇(P=10%)洪水,相应洪峰流量5020 m3/s。
  3. 基础资料
  3.1水文气象条件。
  气象资料。
  坝址以上流域多年平均降水量为1 201.0 mm,降水量主要集中在4~10月,占年降水的86.3%。
  石娅子水电站坝址以上流域多年平均降水量年内分配见1。石娅子水电站各气象要素统计主要依据务川气象站和坝址上游江滨水文站。
  3.2地形地质条件。
  坝址位于大坪镇两河口(甘河)下游约1.9Km处。河段长约0.4Km,河流流向基本以茅口组第三段(Plm3 )顶、底界为界,上游段流向为N21°E,坝线段流向为正N,至下游峡谷出口转向N30°E流出坝址区。枯期河水位为EL.435 m,水深2~8m,河水面宽28~40m;汛期河水位EL.443 m,水位变幅约8m。坝址区为斜向河谷,岩层倾右岸偏上游,两岸山脊基本与河流方向平行,河谷呈不对称的“V”形,坝线上游左岸约150m的吴家坪(P2 W)地层河段为倾向上游偏右岸的40~50°顺向坡地形,下游为50~200 m高的陡壁;右岸由于岩层软硬相间分布,形成两层高约70~150m的陡壁,两层陡壁之间形成宽30~60m的倾向上游的由吴家坪第一段组成的缓坡;峡谷出口地形呈喇叭状敞开,左岸为栖霞灰岩顺层陡坡,右岸为茅口灰岩陡壁。坝址下游为志留系砂页岩、泥岩分布,河谷开阔,在左岸梅林村多形成宽缓斜坡及平台。
  4. 围堰设计
  4.1围堰堰型比较及选择。
  围堰基本堰型选择土石围堰和混凝土围堰两种堰型进行比较,其它堰型不作考虑。
  4.1.1土石围堰。
  土石围堰堰型具有以下优点:体型结构简单,堰体填筑料可就地取材,能够充分利用拦河坝坝肩及隧洞开挖的弃碴,不占用主体工程用料,后期易于拆除;对围堰基础要求不高,不用开挖河床覆盖层;施工时可使用大型机械设备,便于快速施工。该堰型的缺点为:围堰堰体断面尺寸大,抗冲能力较差,堰体采用透水性材料填筑,需要在堰基覆盖层和堰体内设置专门的防渗体。   4.3.5.3钢筋笼设计。
  由于该堰为宽顶溢流堰且在EL.438 m布置一平台,故其结构较简单,采取布置钢筋笼即可满足要求,钢筋笼尺寸2m x 3m x lm,采用叠塔式,长边顺河向,顺河向搭接长1.5 m,垂直于河向错缝叠放。钢筋笼骨架钢筋Φ25,钢筋网Φ6 ,钢筋网尺寸为@15 cm x 15 cm,所填块石粒径。
  4.3.5.4地质条件变化后的堰脚的防冲设计。
  在基坑开挖完成后堰脚出露的河床情况与原设计图出入较大,载堰脚全为砂砾石覆盖层(h>15m),在围堰过水时耐冲条件非常差,如何做好该部位的防冲是围堰稳定的关键(上部混凝土及钢筋笼护面已施工完成),根据当时已临近汛期再做其它处理已无施工时间,根据宽顶堰溢流、EL.438 m平台挑流形成面流,对下部的护面要求较低,经决定采取顺坡式溢流堰护面的方式、不扰动原河床覆盖层,并在上面堆积大块石(d>1.2 m),并在堰脚部位仍然设置钢筋笼护脚,使围堰处于稳定。
  5. 围堰施工
  5.1围堰施工布置。
  上下游围堰布置需考虑围堰坡脚附近的流态、流速,避免水流紊乱对围堰坡脚造成危害性冲刷;尽量保证堰顶过水水流平顺,均匀宣泄,通常上下游围堰堰顶高差<8m,但是石娅子水电站高差在11 m,所以做好上游围堰护面及坡脚是整个围堰的关键;尽量避开两岸溪流进入基坑堰体与岸坡接头,需防止两岸溪沟水流对围堰坡脚的冲刷;围堰与岸坡具有良好的防渗能力。上游围堰布置在保证下基坑道路的前提下,尽量靠下游布置(围堰轴线距导流洞进口的距离应>10 m);下游围堰由于大坝下游的消能功距导流洞出口较近,围堰就中布置。
  5.2上、下游围堰施工。
  (1)围堰堰头处理:由于河道两岸坡均为岩石,故上、下游围堰左岸不进行开挖处理。
  (2)围堰填筑:围堰填筑在创堤截流后进行,填筑料采用挖掘机装车,自卸汽车运料,推土机集料、平整、振动碾碾压夯实。上游围堰创堤形成后,反滤料和土石碴混合料均用自卸汽车运料,从创堤顶依次卸料,推土机平料。堰体堆筑到水面以后,用振动碾分层碾压6~8遍,碾压厚度控制为0.6~1.0 m,振动碾碾压不到的部分用振动板夯实。迎水面水位以下护坡大块石用自卸汽车运料抛投,水位以上护坡采用人工砌筑。下游围堰在截留后采取挖掘机清除砂砾层后直接浇筑C15水下混凝土,浇筑出水面后浇筑常态混凝土至堰顶。
  5.3防渗体设计与施工。
  由于上下游围堰基础位于砂砾层上,且砂砾层较厚,均在7m以上,围堰需进行防渗处理,同时要求堰体渗透量不超过0.3m3/s。根据本工程的现场实际情况,结合目前土石围堰工程在防渗体处理上的先进技术及成功经验,本围堰工程选用复杂地层围堰高效快速防渗灌浆进行防渗处理。在进行复杂地层围堰高效快速防渗灌浆施工前,先在防渗轴线部位的创堤上挖一条1m宽、lm深的沟槽,并进行回填C10砼处理,以便进行防渗的钻孔施工及上部土工布的埋设施工。本工程复杂地层围堰高效快速防渗灌浆施工技术参数根据其他电站使用过的成功经验参数,采用单排灌浆孔进行防渗,孔间距为1.0 m,深入基岩1.0m,分二序施工,在基础较差段及与岸坡结合处进行适当加密灌浆处理。对于岩体裂隙及破碎段,采取先钻孔爆破挖除后再进行回填风化土或黏土,碾压密实后再进行钻孔防渗处理。
  5.4钢筋笼护坡施工。
  围堰下游侧边坡为基坑,为保证围堰堰坡的整体稳定,防止过堰水流冲刷堰脚,采用钢筋笼进行护坡。钢筋笼尺寸2m x 3m x lm,采用叠塔式,长边顺河向,顺河向搭接长1.5 m,垂直于河向错缝叠放。钢筋笼骨架钢筋Φ25,钢筋网Φ6,钢筋网尺寸为@15 cm x 15 cm,所填块石粒径d>15cm ,钢筋笼间的骨架钢筋应焊接牢固,钢筋笼与钢筋笼之间采用Φ6捆绑连接,使整个钢筋笼护坡成为整体,使之在被冲刷时能不均匀移动但是又为一整体,其是保证围堰稳定的关键。
  5.5堰顶平台护面混凝土板施工。
  堰面混凝土采用C20现浇混凝土,上游设3mx2 m(宽x高)大方脚,下游段厚50 cm,配间距25 cm, Φ16网格钢筋;堰面混凝土分块尺寸10.41 m x 10 m,护面板分块跳仓现浇,块间设宽3 cm沉降缝,缝内充填泡沫板,板与板间用钢索连接,并伸出钢筋与钢筋笼或楔型体(块)连接,满足焊接和锚固施工要求;护面混凝土上按1.2mx1.2m布置Φ52 mm排水孔,孔下设碎石反滤层。
  5.6楔型体(块)混凝土施工。
  (1)下游坡采用8m x 3m x 0.7m(长x宽x平均厚)素混凝土(C20)楔形块护面,楔型体(块)分块跳仓现浇,块间设宽3.0 cm沉降缝且要求缝要直,缝内充填泡沫板(1 cm ),块间用钢索连接。楔形块梅花形布置,自下而上施工,上部楔形块压住下部楔形块头部,防止楔形块头部挠起而被过堰水流冲刷失稳破坏;坡面混凝土楔形块上按0.7mx0.7m布置Φ100 mm排水孔,混凝土楔形块护面下设5cm碎石、25cm手摆片石反滤层,该反滤层与排水孔正交。
  (2)在中间某一部位设立1块C15混凝土为试验块,检验该混凝土的抗冲性能。
  5.7堰后消能平台护面混凝土板施工。
  围堰过水初期该部位流速最大,过水期间水流流态紊乱,冲刷较剧烈,须精心施工;护面混凝土厚100 cm,按lOmxlOm分块,块间钢索连接,缝内充填泡沫板;要求下部堆石体碾压密实,混凝土表面平整,块间起伏差小于3 mm;护面混凝土上按1.2mx1.2m布置Φ100mm排水孔,护面混凝土下设5cm碎石、25 cm手摆片石反滤层。
  5.8堰肩与岸坡保护施工。
  堰肩与岸坡接触带为最易破坏部位,应特别注意。为防止因横向水流导致护面混凝土失稳破坏,首先清理岸坡,在堰面施工的同时,在护面混凝土与岸坡连接部位,浇筑压边重力混凝土挡墙(C20) 1.Om x 0.8m,将护面和岸坡保护压住,布设间距1.0 m , Φ22 mm长2.5m锚筋,使护面混凝土与岸坡连成一整体。
  6. 结语
  石垭子水电站围堰于2008年11月6日过水,且基坑在非充水条件下,堰顶最高雍水3.5 m,在水位退下后对围堰进行观察,发现围堰基本无破坏迹象,试验块混凝土表面基本无冲刷的痕迹。为此,对石垭子水电站过水围堰提出以下几点建议和看法:
  (1)护面混凝土的强度可降低至C15,在堰顶混凝土及与堰顶连接护面混凝土的强度也可降低至C10,并且护面混凝土的强度自下而上可以依次的降低;
  (2)可以取消護面混凝土的钢筋,但需做好斜面碾压,但是堰顶混凝土与护面混凝土之间必须设连接钢筋;
  (3)堰顶混凝土钢筋可取消,但是必须做成楔型,防止水流对堰顶混凝土造成破坏;
  (4)石垭子水电站下游围堰采用的是砼结构,与同类工程的土石结构的下游围堰有本质的区别,一是防冲效果好,二是施工简单,工程量小,进度快,三是施工成本可控。
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