淺談圍堰設(shè)計

淺談圍堰設(shè)計

1地形地貌復(fù)雜目前，中國的水利水電工程，尤其是大型節(jié)水電工程，主要集中在西部地區(qū)，尤其是西南部的省份。為此在高山峽谷中修建攔河大壩往往選用全年斷流、隧洞導(dǎo)流方式。一般主體工程施工階段,首先進(jìn)行導(dǎo)流建筑物及兩岸壩肩或岸邊溢洪道的開挖,從而產(chǎn)生大量開挖渣料。為充分利用開挖渣料,減少棄渣堆放引起的環(huán)境污染及渣場擋、排設(shè)施費用,常采用土石圍堰,容易填筑和拆除,可達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的目的。2基礎(chǔ)防滲方案2.1)堰體材料:土石圍堰采用梯形斷面,通常由殼體和防滲體兩部分組成。圍堰殼體材料可用碎石、砂礫石、卵礫石、石渣、堆石等,在設(shè)計與施工中應(yīng)盡可能利用已開挖的廢棄石渣料。2)圍堰輪廓尺寸為:斜墻圍堰殼體坡度:迎水面1∶2~2.5,背水面1∶1.4~1.8;心墻圍堰殼體坡度:迎水面1∶1.5~1∶2.0,背水面1∶1.4~2.0。圍堰頂寬依據(jù)運行期使用工況常用8.0~12.0m,有時由施工道路要求確定。3)圍堰防滲材料?？煞炙苄院蛣傂詢煞N,塑性材料有粘土、壤土、砂壤土、土工膜及瀝青等;剛性材料有混凝土、木材等,有時采用鋼板樁。4)堰體防滲型式。分為斜墻和心墻。(1)斜墻圍堰一般在中、小型工程中應(yīng)用較多,圍堰高度一般較低,多采用單戧堤截流;要求河床覆蓋薄、滲流量小;圍堰基礎(chǔ)不需做灌漿或混凝土防滲墻等防滲工程措施,而主要采用粘土類材料鋪蓋防滲。斜墻方案具有施工工藝簡單、施工工期較短、工程量及占地范圍稍大等特點。工程實踐中粘土斜墻應(yīng)用較廣泛。(2)心墻圍堰一般在大型工程中應(yīng)用較廣。圍堰高度往往較高,可布置為雙戧堤進(jìn)占,以降低截流難度;當(dāng)河床覆蓋層厚或滲流量大時,截流后可做灌漿或混凝土防滲墻等基礎(chǔ)防滲工程措施。心墻圍堰方案具有工程量及占地范圍較少,施工工藝較復(fù)雜,施工工期較長,基礎(chǔ)防滲效果較好,心墻與基礎(chǔ)防滲結(jié)構(gòu)銜接效果較好等特點。在工程實踐中,粘土心墻圍堰和土工膜心墻圍堰應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)圍堰承受水頭大小,塑性心墻厚度一般取(式中為水頭);迎水面坡度為1∶0.15~0.25,背水面坡度為1∶0.175~0.4;頂寬常用1.0~2.0m,當(dāng)需在墻頂實施灌漿作業(yè)時應(yīng)取寬值。心墻土工膜可根據(jù)承受水頭大小估算,并對照生產(chǎn)廠家材料指標(biāo)選用。3.1混凝土防滲墻一般河床常覆蓋有砂卵礫石層,且透水性強(qiáng),故圍堰基礎(chǔ)需進(jìn)行地基防滲處理。目前主要防滲方法有帷幕灌漿、高噴板墻、混凝土防滲墻等典型方法。1)帷幕灌漿適用條件較廣,但灌注漿液不易控制,防滲效果相對較差。2)高噴板墻施工速度快,防滲效果較能保證,多用于淺基;但受卵石顆粒占比限制。3)混凝土防滲墻施工技術(shù)成熟,防滲可靠,承壓能力高,高土石圍堰常選用。但費用較貴;當(dāng)河床存在大孤石時,爆破、固壁及連墻處理較為復(fù)雜,且增加費用較多。3.2防滲墻與堰基接觸面面積當(dāng)圍堰主體布置有上下游雙戧堤時,防滲墻應(yīng)置于上下游戧堤中間,且應(yīng)先填筑砂礫石料或石碴料,以利防滲墻施工作業(yè)。防滲墻與堰基接觸面處寬度一般為b=8~10m,以滿足防滲墻墻體部位不被戧堤填筑滾石占據(jù)。戧堤內(nèi)側(cè)邊坡坡度一般1∶1.25~1∶1.5,常取1∶1.5,雙戧堤防滲墻布置見圖1。當(dāng)圍堰布置單戧堤時,防滲墻應(yīng)置于單戧堤上游。同樣戧堤上游應(yīng)先填筑砂礫石料或石碴料,以利防滲墻施工作業(yè)。墻體與堰基接觸面處寬度一般為b=4~5m。4流量開口設(shè)計4.1提高截流合共享精度的措施設(shè)置龍口的主要目的在于減少截流工程量和縮短截流時間,布置原則如下:1)截流龍口一般宜布置在河床中的深水槽處。當(dāng)河床有較寬灘地時,亦可將龍口置于灘地上,這樣可減輕截流難度,也可減少截流合攏的填筑高度。2)當(dāng)河流為“V”型或“U”型河谷、河床較窄時,龍口宜布置于岸邊較寬闊場地一側(cè),有利于截流材料堆存和運載截流材料車輛的高強(qiáng)度運輸。3)當(dāng)河床寬闊及兩岸平緩時,龍口一般布置在河床中部,利于兩岸同時進(jìn)占、提高圍堰拋投石料強(qiáng)度、加速龍口合攏進(jìn)程。4)在截流過程中,龍口段水流流速是最大的,為了避免河床受到?jīng)_刷而影響圍堰穩(wěn)定,宜將龍口盡可能布置于堅固河床上。無此條件,則需采用護(hù)底及護(hù)坡措施以提高河床及圍堰邊坡抗沖能力?？傊?圍堰龍口位置應(yīng)根據(jù)具體河流的地形地質(zhì)條件及截流與施工組織設(shè)計合理選擇。4.2截流權(quán)工程措施在計劃的截流時段內(nèi),計算截流龍口流量時,應(yīng)考慮將龍口斷面尺寸壓縮到最小,力求最終減少合攏材料量和縮短截流時間。實際上龍口底寬是決定龍口斷面尺寸的關(guān)鍵因素,而龍口底寬則與龍口河床基礎(chǔ)性狀和戧堤兩側(cè)裹頭的抗沖能力有關(guān)。有時為提高河床粗糙度與抗沖性能,預(yù)先對龍口河床進(jìn)行護(hù)底,如長江三峽水電站截流中,就采用先行護(hù)底的工程措施。龍口流量可按下式估算:式中:Q截—河床截流期設(shè)計流量或?qū)嶋H天然來流量,m3/s;Q泄—導(dǎo)流建筑物如導(dǎo)流洞、明渠等下泄流量,m3/s;Q戧—龍口兩側(cè)戧堤滲流量,m3/s;Q蓄—截流形成水庫之相應(yīng)調(diào)節(jié)流量,m3/s,一般工程可忽略不計。根據(jù)上式計算截流龍口流量,當(dāng)已知龍口處基礎(chǔ)或護(hù)底結(jié)構(gòu)的允許流速時,可求出龍口斷面面積A,按下式估算:式中:Q龍—龍口平均流量,m3/s;[V]—龍口允許流速,m/s。據(jù)此,考慮龍口底部寬度、龍口斷面進(jìn)占裹頭坡度以及可能的圍堰截流水深,經(jīng)方案比較后便可擬定龍口的斷面形態(tài)與尺寸要求。4.3截流馬龍的收縮性截流龍口處縱橫斷面形態(tài)及水面線見圖2。由圖2和式(1)、(2),當(dāng)已知Q龍、[V]、A時,可計算出截流龍口的水力要素為:代入(2)可得:當(dāng)取用極限水深狀況即控制狀況,則h=hc,式(4)變?yōu)?解得:便可計算出龍口收縮水深及相應(yīng)的斷面尺寸。式中:hc—龍口收縮水深,即控制水深,m;b—龍口底部寬度,m;m—龍口斷面進(jìn)占裹頭坡度系數(shù),m=1.25~1.5,拋石時常取m=1.5,其余符號同前。5布置和設(shè)計斷流口混凝土的四部分5.1拋投預(yù)制混凝土龍口合攏過程中可拋填砂卵石、碎石、石塊等材料,但對于大中型水電工程截流,為提高抗沖性能常采用拋投預(yù)制混凝土四面體。據(jù)工程實踐一般采用質(zhì)量達(dá)15~25t的混凝土塊,可抵抗水流流速V=5~6.5m/s,且截流合攏效果較好。多數(shù)大中型水電工程常選用混凝土四面體作為截流材料,下面介紹混凝土四面體設(shè)計。5.2流速較大時,動脈和真空壓力塊體除自身質(zhì)量外,所受的外部作用力有動水壓力、浮力;當(dāng)流速較大時,尚有脈動壓力及真空壓力;另外還可能受到漂浮物或泥石等的撞擊力,但該荷載難以估算,且在合攏較短時間內(nèi)發(fā)生率較低,一般不予考慮。5.3拋入水的穩(wěn)定性在實際截流過程中,塊體拋投會出現(xiàn)兩種情況,一種是塊體拋入水中時處于懸浮狀態(tài),尚未沉底已被水流沖走流失,達(dá)不到截流效果。另一種是單個塊體或用鋼繩鏈成串的塊體拋入水中,按預(yù)計沉至底部定位,在各種外力作用下能保持平衡穩(wěn)定狀態(tài)。這種情況可以依照塊體抗滑穩(wěn)定與抗傾穩(wěn)定公式近似地進(jìn)行估算,計算參數(shù)最好通過截流模型試驗后確定,當(dāng)缺乏試驗數(shù)據(jù)時,可將穩(wěn)定安全系數(shù)稍取大些以留余裕,因為有的作用力如動水壓力、脈動壓力以及復(fù)雜的邊界條件很難準(zhǔn)確掌握?；炷了拿骟w抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定計算。2)抗傾穩(wěn)定:式中:Km—抗傾穩(wěn)定安全系數(shù),取Km≥2.0;∑M0—抗傾力矩總和;∑M—傾倒力矩總和。5.4ac—動水壓力計算在塊體所受的外部作用力中,動水壓力是最主要的荷載之一;參照有關(guān)試驗研究,擬用下述水力學(xué)動量方程近似估算:式中:α是指水流射線與沖擊面的夾角,當(dāng)流線垂直于迎水面,即α=90°時,則式中:P—動水壓力,kN;k—塊體流線型系數(shù),2k=ξ,ξ為垂直迎水面上總平均負(fù)載系數(shù),隨塊體頂部水深而加大,一般取ξ=0.7~1.0;γ—水容重,常取γ=1.0kN/m3;Q—龍口斷面流量,m3/s;V—龍口斷面平均流速,m/s;ω—四面體迎水面面積,m2;g—重力加速度,常取g=9.8m/s2。當(dāng)塊體沉降至底部并假定處于穩(wěn)定狀態(tài),此時,塊體處水流近似地以水力能線表示其上下游受力狀態(tài),如圖3所示。塊體下游面按靜水壓計;塊體上游面除了承受靜水壓力外,還受動水壓力,此時動水壓力的作用點可按壓力圖重心估算。由于四面體的上下游水深一般差別不大,靜水壓力彼此抵消可不予計算,主要作用力是動水荷載。其值按上面推導(dǎo)成果,當(dāng)水流垂直沖擊四面體中某一面即為受力控制狀態(tài),計算時用流速水頭表達(dá),則動水壓力通用公式為:需要指出,在龍口拋投塊體中,由于受多種因素影響,塊體并不一定按照預(yù)計的方向定位,必然會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向和傾斜。因此在設(shè)計中,應(yīng)對不同方向與定位的狀態(tài)下,予以估算。要保持塊體適應(yīng)流速、落差等復(fù)雜水力條件,目前最可靠的方法是在截流之前進(jìn)行截流模型試驗。6反濾料與填筑工藝的控制在施工截流中圍堰戧堤所采用的材料主要為大塊石料或混凝土四面體,因而形成的孔隙較大,透水性較強(qiáng)。為此在戧堤閉氣設(shè)計中對所選用的反濾料與填筑工藝應(yīng)予注意:1)優(yōu)先選用天然砂礫石料,以節(jié)約投資,其顆粒級配宜具有連續(xù)性。2)填筑設(shè)計應(yīng)滿足反濾層設(shè)計原則,一般濾層總厚度δ=1.2~2.5m,常取用δ=2m,在水中拋填時圍堰腳處反濾層應(yīng)適當(dāng)加厚。3)填筑中要控制反濾料分離,必要時可加寬反濾層厚度,并增加拋填砂礫石料,防止反濾層細(xì)料流失。7施工方便、整理方便、施工方便、省元金屬圍堰設(shè)計應(yīng)盡量考慮利用當(dāng)?shù)夭牧?力求經(jīng)濟(jì)合