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1 工程概況
水洛河新藏水電站位于四川省涼山州木里縣境內,電站采用引水式發電,初擬裝機容量186MW。目前正處于勘測設計階段。擬設計大壩壅水高15m,正常蓄水位為2169m,水庫長2.2km,庫容約138.9萬m3。大壩上游發育一古滑坡(沾固滑坡),滑坡總體方量約50萬m?,位于庫區內,距離壩軸線約750m,正常蓄水位正好位于滑體的中下部。滑坡的穩定性關系到水庫的運行和大壩的安全,所以分析其穩定性是非常必要的。
2 滑坡特征
沾固滑坡位于大壩上游約750m。滑坡順河分布,前緣寬約200m,地形總體前陡后緩,呈明顯的圈椅狀,前緣坡度30~40?,后緣坡度20~30?。滑坡前緣抵達河床,后緣高程為2260m,滑體長約210m,推測平均厚約15~20m,總體方量約50萬m3。滑體成分以灰色、灰黃色碎礫石土為主,其中碎礫石含量約沾40~45%,粒徑一般2~5cm,母巖巖性為蝕變安山巖,多呈弱~微風化,棱角~次棱角狀,其余為粉土,結構松散~稍密。滑坡后緣岸坡以崩坡積堆積體為主,推測厚度3~5m。下覆為基巖,巖性為三疊系下統領麥溝組(T1l)灰綠色蝕變安山巖夾凝灰質板巖、少量薄層灰巖。據試驗資料表明,巖石飽和抗壓強度為49~77MPa,平均為60MPa,軟化系數0.68~0.83,屬堅硬巖,巖石抗風化能力較強。根據地質調查結果表明:滑體物質大部分進入到離河面高約50m的公路高程及其以下部位,滑坡前緣抵達河床,滑坡體中后緣零星可見基巖滑床出露;后期沿線公路修建挖除了部分公路高程的滑體物質,未見新增的滑坡拉裂縫,該滑坡現狀整體穩定性較好。
3 滑坡穩定性計算
3.1 整體穩定性計算
根據《水電水利工程邊坡設計規范》(DL/T5353-2006),該段邊坡可定義為可能發生滑坡危及2級建筑物安全的A類II級邊坡。按規范要求,邊坡安全系數要求分別為持久狀況1.25~1.15,短暫狀況1.15~1.05,偶然狀況1.05。
邊坡穩定計算時選取了1-1、2-2兩條前緣地形較陡,且覆蓋層較深并具有代表性的斷面作為計算剖面,計算荷載包括自重(浸潤線以下為飽和容重,以上為天然容重)、孔隙水壓力、地震慣性力等。各土層材料計算參數按土工試驗成果并類比其它工程采用,詳見表1。
各部位邊坡穩定安全計算分析工況分別按蓄水前正常工況、降雨工況(考慮巖體飽和)和地震工況及蓄水后正常蓄水工況、庫水降落工況、蓄水+降雨工況、蓄水+地震工況。計算程序采用水利水電科學研究院陳祖煜教授編制的《土質邊坡穩定分析系統Stab》,按剛體極限平衡分析方法進行計算,采用計分塊力平衡及分塊力矩平衡的摩根斯坦-普瑞斯法,對其蓄水前后庫岸不采取任何支護措施的前提下,在各種工況下的安全性作出評價。對于地震情況的核算,采用《水工建筑物抗震設計規范》DL5073-2000中規定,考慮加速度為多邊形分布的水平與豎向地震慣性力影響。計算剖面見圖1、圖2,計算結果見表2。
通過上述計算成果分析:
(1)滑坡在天然狀況(水庫蓄水前)、水庫正常蓄水位兩種工況時對應持久狀況,邊坡設計安全系數應該大于1.15。據此判定該邊坡在天然狀況滿足規范要求。
(2)天然狀況(水庫蓄水前)+遭遇暴雨、水庫正常蓄水+遭遇暴雨等工況時對應短暫狀況,邊坡設計安全系數應該大于1.05。兩個計算剖面滿足規范要求。
(3)天然狀況(水庫蓄水前)+地震、正常蓄水位+地震兩種工況對應偶然狀況,邊坡設計安全系數需要達到1.05,兩種工況計算滿足要求。
(4)由于水庫壅水不高,加上該段庫岸堆積體滲透系數較大,堆積體前緣土體厚度較小,排水條件好,庫水位的降落速度小于坡積體的滲透系數,庫水降落時邊坡內的水位可以自由排出,自坡內向坡外的滲透力作用較弱,庫水位下降對邊坡的安全系數影響不大。
綜合上述計算結果表明:滑坡在蓄水前在自然狀態下整體處于穩定狀態,水庫蓄水運行后假設庫岸不采取任何處理措施前提下,各種不利工況下穩定性系數大多大于規范允許值,綜合所有計算工況結合宏觀定性分析認為,水庫蓄水后,岸坡整體穩定。
3.2 淺表部塌岸分析
通過3.1計算結果顯示,水庫蓄水后前緣壅水高度約15m,對該滑坡整體穩定影響較小,但滑坡表層土體較松散,且植被不發育,庫水位變化及涌浪的影響,淺表部可能存在塌岸現象。下面對水庫運行對滑坡塌岸進行分析。
塌岸寬度預測是將松散堆積層岸坡視為均質岸坡,采用圖解法或E?Г?卡丘金于1949年提出的庫岸最終塌岸預測寬度計算公式,見式1,參數采用工程類比法。計算結果見表3。
St=N[(A+hB+hP)cotα+( hs -hB) cotβ-(B+hP) cotγ] (式1)
式中:St―塌岸寬度(m); N―與土顆粒大小有關的系數;
A― 庫岸水位變化(m);B― 正常高水位與非結冰期間的低水位之差;
hB―浪擊高度或爬高m; hP―暴風時波浪的影響深度;
hs―保證率為10%~20%的最高水位以上的岸高; α― 岸坡水下穩定坡角(°);
β―岸坡水上穩定坡角(°); γ― 原始岸坡坡角(°)。
塌岸計算結果表明:預測塌岸總方量約8~10萬m3。由于水庫為日調節型水庫,枯水季節水庫調節時水位來回頻繁變動,塌岸速率較快,導致短期內塌岸入庫的方量可能較大,不僅侵沾有效庫容,而且塌岸造成邊坡后退,易引起岸坡下部及前緣出現牽引變形,影響岸坡整體穩定,對水庫正常運行有較大影響,因此水庫蓄水前應對塌岸預防采取適當處理措施。
4 結語
根據以上計算分析結果表明:
(1)滑坡在蓄水前、蓄水后及地震工況下安全系數均能滿足規范要求,因此水庫蓄水后滑坡整體穩定性較好,對水庫運行不構成影響。
(2)滑坡表層土體較松散,淺表部存在存在塌岸現象,預測塌岸總方量約8~10萬m3,對水庫正常運行有一定影響,因此建議在水庫蓄水前采取工程處理措施。
參考文獻:
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中圖分類號:TV223文獻標識碼:A文章編號:1672-1683(2013)04-0200-06
在巖石邊坡工程中,特別是高陡巖質邊坡的施工過程中,大量的自然邊坡和人工邊坡由于不滿足穩定性或者安全系數的要求需要進行加固處理,預應力錨索加固作為一種靈活、高效、經濟的錨固方法在邊坡工程中得到廣泛應用[1-2]。預應力錨索是一種可承受拉力的結構系統,它能充分調用工程地質體或構筑物自身潛在的穩定性并改善其內部應力狀態[3]。但是預應力錨索錨固作用機理十分復雜,影響預應力錨索錨固效果的因素眾多[4],因此在實際設計研究中確定影響預應力錨索錨固效果的敏感因素顯得尤為重要。目前的敏感性分析方法可以歸納為兩種:單因素分析法[5-6]和多因素分析法[7]。其中多因素分析法包括正交設計[8-9]、均勻設計[10]、基于正交設計的RBF人工神經網絡[11]等多種方法。本文以某水電站泄洪洞進口預應力錨索錨固邊坡為背景,首先基于均勻設計法對影響預應力錨索錨固效果的錨固角度、錨固力、錨索間距以及錨索長度等錨固參數進行敏感性分析,然后根據敏感性分析結果針對敏感參數進行優化設計,為工程施工設計提供有效的參考依據。
1工程概況
某水電站工程以發電為主,開挖邊坡位于右岸壩線上游400~450 m處的一小山梁下部,正處于材料力學參數較弱的變形體(Bxt2)上,變形體厚度為30~50 m不等。開挖邊坡上部高程2 327 m,岸坡高差達200 m,岸坡整體坡度50°左右。按照邊坡巖體分類結果,進口邊坡巖體為Ⅳ級。開挖邊坡地質圖和4-4剖面圖見圖1和圖2。邊坡巖體的設計計算參數采用值見表1。
4錨固參數優化設計
根據敏感性分析的結果,由于錨索間距H為不敏感參數,故只需重點對錨固力T、錨索長度L 以及錨固角Φ這些參數進行參數優化設計。按照敏感性參數大小的順序依次對錨固角、錨固力以及錨索長度進行有限元優化分析,能夠有效減小在優化過程中各敏感參數之間的相互影響,使各錨固參數最優化。預應力錨索加固位置及數量見圖5。
4.1錨索間排距
由地質資料可知,預應力錨索幾乎全部錨固在碎裂巖質邊坡上。該種巖質邊坡的變形模量較小,為減小相鄰錨索張拉的影響,錨索間距不宜太小,而為避免錨索之間出現應力跌落,錨索間距也不宜太大[17]。水電水利工程邊坡設計規范[18]中規定,預應力錨索的間距可設定錨索間距為4~6 m,據此分析確定,錨索間距可設置為4 m。
4.2錨固角優化
4.3錨固力優化
在錨索長度為50 m、錨索間距為4 m、錨固角度為5°以及其他初始條件均相同的情況下,分別計算錨索取600 kN、800 kN、1 000 kN、1 500 kN時向坡外最大位移、最大拉應力以及塑性區,結果見圖8-圖10。可以發現,隨著錨固力的增大,邊坡向坡外的最大位移以及最大拉應力均隨之不斷減小;在錨固力增加到1 000 kN之后雖然最大位移以及最大拉應力仍在隨著錨固力的增大不斷減小,但曲線已經放緩,減小速度減小。通過圖7不同錨固力下塑性區圖的變化趨勢還可以發現,在錨固力增加到1 000 kN之后塑性區面積變化也不太明顯。綜合分析安全、經濟、合理等方面因素后,可以確定錨索的錨固力可設置為1 000 kN級。
4.4錨索長度優化
在已知錨固力為1 000 kN、錨索間距為4 m、錨固角度為5°且其他初始條件不變的條件下,分別計算錨索取30 m、35 m、40 m、45 m、50 m、55 m和60 m長度時的邊坡向坡外最大位移、最大拉應力以及塑性區,并對其進行比較分析,結果見圖11—圖13。可以看出,隨著中下部錨索長度的增加,向坡外最大位移以及最大拉應力值均逐漸減小,但是減小趨勢在錨索長度為45~50 m時有所放緩。同時通過圖13所示的不同錨索長度下塑性區分布圖可以看出,隨著錨索長度的增加,塑性區的范圍均逐漸減小,但減小趨勢在錨索長度為50 m之后幾乎不變。綜合考慮安全、經濟、合理等方面因素后,可以設定錨索的錨索長度可設置為50 m。
4.5優化結果分析
根據以上優化計算結果,采用優化的預應力錨索錨固參數(錨索間距4 m、錨固角度為5°、錨固力為1 000 kN、錨索長度為50 m),對該水電工程開挖邊坡邊坡進行加固,有限元模擬計算結果見圖14和圖15。
從優化加固后的邊坡應力以及應變計算結果可以看出,優化加固后的最大位移為2.729 cm,最大拉應力為0.402 MPa。從圖13(e)可以看出,優化加固后在開挖邊坡上只有少量零星的塑性區出現,且塑性區之間均沒有連通,加固后的邊坡處于穩定狀態,說明上述優化加固方案是可行的。
5結論
通過以上基于敏感性分析和有限元分析的方法,對加錨開挖邊坡的預應力錨索錨固參數(錨固力T、錨索長度L、錨固角度Φ以及錨固間距H)進行的優化設計,可以得到如下結論。
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中圖分類號:TV223 文獻標識碼:A
1 施工條件
1.1 水文氣象條件
蜀河水電站位于漢江上游陜西省旬陽縣境內,壩址以上集水面積49400km2,壩址多年平均流量732m3/s,多年平均徑流量231億m3,年最大洪水出現在3月~10月,主汛期為7月~10月上旬。
1.2 地質條件
壩址區漢江河谷為斜向谷,谷底寬140m~160m,橫向呈較開闊的不對稱“V”字型,兩岸山勢總體是右陡左緩,兩岸沖溝較為發育。
一期枯水圍堰覆蓋層厚度9m~22m,下伏基巖巖性為白云母片巖、絹云母千枚巖、炭泥質板巖,發育F32、F33、F4斷層,兩處巖體破碎,透水性較強,屬中等透水。基巖面總體向下游平緩抬升。強風化帶厚一般6m~10m,弱風化帶厚10m~14m。河床覆蓋層基本滿足建基要求,需進行防滲處理。
2 一期枯水圍堰的設計
2.1 設計標準
一期枯水圍堰設計標準取4月份五年一遇洪水流量,對應流量Q20%=2730m3/s。包括上、下游橫向枯水圍堰和縱向枯水圍堰。
2.2 一期枯水圍堰選型原則
一期枯水圍堰的選型主要考慮以下因素∶
(1)枯水圍堰填筑料取材方便、合理。
(2)水文、地質條件及特點。
(3)圍堰的結構滿足防滲、防沖、安全穩定等技術要求和結構簡單實用,易于施工。
(4)本標施工總進度安排。
(5)類似工程圍堰施工經驗。
2.3 一期枯水圍堰軸線選擇
一期枯水圍堰軸線的選擇原則:
(1)盡可能靠近縱向導墻,盡量減少束窄河道。
(2)工程量盡可能小。
(3)軸線盡量平順,保障水流順暢。
(4)便于圍堰施工。
(5)滿足一定的交通要求。
2.4 一期枯水圍堰結構設計
一期枯水圍堰設計為土石圍堰形式,具體方案詳述如下∶
一期枯水圍堰采用土石圍堰,高程197.00m以上采用粘土心墻防滲,粘土心墻頂寬3.0m,兩側坡比1:0.2。高程196.50m以下圍堰基礎采用水泥高噴板墻防滲,高噴板墻頂面高程197.00m,底部入巖0.50m。根據設計洪水Q20%=2730m3/s時,查壩址區水位~流量關系得上游水位高程199.27m,下游水位高程197.90m,加上土石圍堰安全超高等最后確定一期枯水圍堰頂高程為200.8m~199.4m,堰頂寬度4.0m,堰頂長度910m。最大堰高10.8m。迎水面邊坡高程197.0m以下1:1.5,高程197.0m以上1:1.2,塊石護坡后邊坡1:1.5,背水面邊坡高程197.0m以下1:1.5,高程197.0m以上1:1.2。
為防止水流對圍堰的沖刷,迎水面采用塊石護坡,塊石護坡厚度1.2m~2.3m;考慮到河床束窄后流速加大,在縱向圍堰中部流速較均勻部位和上下游堰頭附近流速較低部位采用鉛絲網防護,坡腳拋投大塊石護腳。對一枯土石圍堰局部易淘刷部位,進行塊石鉛絲籠防護。
2.5 一期枯水圍堰穩定計算
2.5.1 穩定計算條件說明
(1)根據《水利水電工程施工組織設計規范》及《水電水利工程圍堰設計導則》中相應條文規定,可以確定蜀河水電站縱向段圍堰的工程級別為五級建筑物,同時考慮到圍堰高度僅有10m,為簡化計算,一期圍堰按照均質料考慮,計算如下。
(2)選取圍堰典型斷面建立計算模型,
一期枯水最高堰頂高程為200.8m,水位為199.27m,圍堰平均高度約10.8m,河床沖積層平均厚度約為10m。圍堰邊坡穩定計算采用瑞典條分法,即圓弧滑裂面計算,堰體填筑料計算參數由工程地質手冊查出。
(3)穩定計算時因考慮到縱向圍堰屬于臨時性工程,由于堰體填筑過程中,隨著堰體填筑高度的增加,圍堰的高度及形狀也會相應改變。所以只對圍堰4月份進行穩定分析計算(流量為2730m3/s),計算中也不考慮地震的影響。
2.5.2 計算數據結果分析
根據《水利水電工程施工組織設計規范》中的要求,在正常運用條件下,臨時建筑物的壩坡抗滑穩定最小安全系數不小于1.20。由上述計算結果可以看出,一期枯水圍堰縱向段土石圍堰滿足穩定要求。
3 基礎覆蓋層的防滲設計
高程197.00m以下圍堰基礎采用水泥高噴板墻防滲,高噴板墻頂面高程197.00m,底部入巖0.50m。
3.1 堰基防滲設計
3.1.1 防滲方案選擇
針對本工程一期枯水土石圍堰基礎為砂礫石覆蓋層透水性較強、水頭差不大和工期緊等特點,圍堰防滲處理采用高壓噴射灌漿防滲墻技術。它具有施工速度快、適應性強等特點,而且圍堰系臨時性工程,高噴防滲墻防滲效果能滿足一期枯水土石圍堰防滲要求。參照有關規范和國內類似工程的經驗,綜合考慮,一期枯水土石圍堰防滲工程采用高壓噴射灌漿防滲技術,既能很好的解決圍堰的防滲問題,又能解決工期緊的矛盾。
鑒于本工程防滲處理深度9m~22m,河床為卵礫石覆蓋層,圍堰最大承受水頭30m,圍堰使用期僅5個月,為保證墻體具有一定的厚度,有較好的防滲性能,高噴防滲墻擬采用旋擺結合的噴射形式。
因本次圍堰防滲墻施工難度大,強度高,需投入的設備數量多,根據設備的性能情況,本次施工采用雙管法、三管法兩種噴射方法施工。
3.1.2 高噴防滲墻設計
高噴防滲墻分二序孔施工,一序孔采用旋噴形式,二序孔采用擺噴搭接,高噴防滲墻設計技術參數如下:
(1)防滲墻結構型式:旋擺結合
(2)施工參數:鉆孔孔位單排,孔距為1.00m,分二序施工。鉆孔采用錨桿鉆機跟管鉆進,孔徑100~146mm,入巖0.5~1.0m,強風清孔,清孔驗收合格后下入特制PVC管護壁,拔管機起拔套管。鉆孔孔位偏差不得大于50mm。鉆孔偏斜不應超過1.0%。
3.1.3 堰體防滲設計
(1)堰體形式
堰體防滲可采用粘土心墻和復合土工膜心墻等形式。復合土工膜雖具有抗老化耐久性好、適應環境溫度范圍大、耐穿刺強度高、摩擦系數大、抗滲性好等特點,但相對粘土心墻,存在施工工藝復雜、專業技術要求高、施工速度相對較慢等缺點。根據現場條件,粘土心墻具有取材方便、技術熟練、便于組織、施工速度快等優點。根據現場實際條件,一期枯水圍堰堰體防滲采用粘土防滲心墻方式。粘土采用黏粒含量15%~50%、塑性指數在7~20、壓實后滲透系數小于1×10-5cm/s。考慮到圍堰的使用期僅5個月,填筑的千枚巖石碴本身具有一定的防滲能力,可適當降低粘土料的滲透系數。一期枯水圍堰粘土防滲心墻頂寬3m,兩側坡比1:0.2,心墻頂部采用1m厚石碴保護。考慮到強風化千枚巖碾壓后石粉含量大,具有吸水膨脹和一定的防滲特點,在粘土防滲心墻兩側填筑石碴,由內向外采用強風化—弱風化—塊石的填筑次序。
(2)高噴防滲墻搭接
高噴防滲墻與上部粘土心墻搭接,采用高噴防滲墻伸入粘土心墻方式,為延長滲徑,高噴防滲墻頂延伸至粘土心墻內0.5m,兩側粘土填筑寬度為2.06m。
上、下游圍堰高噴防滲墻與右岸坡的搭接段,采用加密孔方式。
(3)粘土心墻與右岸坡的搭接
根據現場實際地形條件,一期枯水上下游圍堰堰頭粘土心墻填筑,不宜與岸坡搭接密實。為增加滲徑,先將岸坡沿圍堰軸線開挖至基巖,將基巖修整成平順邊坡,在巖體開挖1m深、3m寬的齒槽,分層回填粘土,碾壓密實。
3.1.4 圍堰防護設計
按照一期枯水圍堰設計標準對應流量Q20%=2730m3/s和左岸開挖后的過水斷面,可估算出平均流速在v=5m/s左右。結合一期導流模型試驗報告的結果可知,受上游收縮水流和下游擴散水流的影響,易對一期枯水圍堰上游迎水面和下游擴散段基礎進行沖刷,需進行重點防護。
考慮到水流進入束窄河床后,流速加大,增加了對圍堰基礎的沖刷,因此,一期枯水圍堰外側采取拋大塊石護腳和鉛絲網防護,局部易沖刷段采取塊石鉛絲籠防護。
根據一期枯水圍堰平面布置和左岸實際條件可知,原河床從荊竹溝橋至蜀河大橋左側河床均高于195m高程,使主流從左側收縮轉彎順右側河床下泄。一期枯水圍堰修筑后,進一步束窄河床過水斷面,加大了流速,增加了圍堰防沖的難度。為保證圍堰的安全,減少水流對圍堰的沖刷,增加過水斷面,將一期枯水圍堰外側束窄后的河床在汛前進行疏浚。將左岸岸邊河灘地高程降低,改主流從左河床過流,改善水流狀態,使水流平順,增加過水斷面,以減少對下游圍堰的沖刷,保障圍堰的運行期的安全。
結語
在蜀河水電站一期枯水圍堰施工中,根據水文、地質條件及特點就地取材,在圍堰的結構滿足防滲、防沖、安全穩定等技術要求,既做到了結構簡單實用,又追求了效益的最大化。在水工建筑物圍堰施工中,如何在滿足施工要求的前提下做到經濟適用是一個擺在投資者和施工方面前的重要課題,相信本文對土石圍堰設計的探討可為今后類似工程的理論研究及實踐應用提供借鑒。
參考文獻
中圖分類號: TV2文獻標識碼: A
工程概況:
根據《防洪標準》(GB50201-94)和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2009)的規定,白梨坪水庫是一座以防洪為主,兼顧水產養殖、灌溉等綜合利用的小(2)型水庫,工程等級為Ⅴ等,主要建筑物為5級。該水庫于1958年10月動工興建,1968年10月復建,1970年5月竣工;校核洪水位277.18m,總庫容11.30萬m3,最大下泄流量42.42m3/s;20年一遇設計洪水位276.65m,相應庫容10.35萬m3,最大下泄流量25.85m3/s;興利水位275.30m,興利庫容6.03萬m3,相應庫容8.05萬m3;死水位269.35m,死庫容2.02萬m3。水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、輸水洞三部分組成。大壩為均質土壩,現狀壩頂高程278.60m~279.30m,壩頂寬2.6~3.0m左右,土路面。溢洪道位于左岸,開敞式,底寬約10m,長約95m,進口高程275.55m左右。輸水洞位于大壩樁號0+057,洞長約35m,矩形漿砌無壓涵洞,斷面尺寸0.70×1.20m(高×寬),輸水洞進口底高程269.35m。
工程存在問題
經現場檢查,水庫主要存在的問題有:
2.1 大壩
壩頂高低不平,無防浪墻及路沿石;上游壩坡不平整,高程275.5m以下為塊石護坡,干砌石護坡粒徑小,松動、脫落嚴重;背水坡為自然雜草護坡,坡面不平整,局部凹陷隆起;河槽段0+023~0+045壩體與壩基接觸部位存在接觸滲漏問題;右壩肩樁號0+096~0+126段下游壩基土形成臨空面,高程271m以下壩基土潮濕。無排水溝、無上壩踏步、無水位等觀測設施。
2.2 溢洪道
左岸邊坡及底板巖性為弱風化花崗巖,巖石裂隙發育,邊坡巖石破碎、松動,局部坍塌,底板上部有厚0.6~1.0m的石碴。右岸為干砌石擋墻,基礎座于弱風化花崗巖上,擋墻裂縫,下游約20m坍塌。
2.3 輸水洞
輸水洞進口為斜臥管,碳化剝落嚴重,結構變形,有漏水現象,出口損壞。
除險加固方法的選用原則 :土石壩雖然壩型常見, 但由于其工程情形復雜,機具、材料等條件多變,并且各項具體的除險加固方法很多都有其特定的適用范圍和局限性,因此,對每一具體工程病害都應進行仔細分析。應從工程病害情況、除險加固要求(包括加固后工程應達到的各項指標、加固范圍、加固進度等)、工程費用以及材料、機具來源等各方面進行綜合考慮。確定土石壩加固方法時,應根據工程病害的具體情況對幾種加固方法進行技術、經濟、施工比較,選擇技術上可靠,經濟上合理,且能滿足施工要求的除險加固方法。
工程的除險加固設計:
4.1 壩頂工程
本次除險加固,大壩全長134m(0-002~0+132),壩頂高程278.80m,壩頂寬3m。沿壩頂上、下游兩側新建路沿石。路沿石為C20砼矩形結構,寬20cm,高60cm,埋深40cm。壩頂為厚20cm的泥結碎石路面,路面傾向下游2%。
4.2 上游護坡工程
本次除險加固工程對大壩原有干砌石護坡全部拆除,壩坡整修坡比為1:2,將大壩迎水坡整修至設計斷面,迎水坡高程270.15m以上至壩頂278.80m采用現澆C20混凝土護坡,坡比同壩坡坡比。
4.2.1 大壩迎水坡混凝土護坡厚度計算
波浪的平均波高和平均波周期采用莆田試驗站公式計算
式中:hm——平均波高,m;
Tm——平均波周期,s;
W——計算風速,m/s;
D——風區長度,m;
Hm——水域平均深度,m;
g——重力加速度,9.81m/s2。
平均波長Lm計算公式:
混凝土護面板計算厚度公式為:
式中:t——混凝土護面板厚度,m;
η——系數,對整體式大塊護面板取1.0;
Hp——累計頻率為1%的波高,m;
b——沿壩坡向板長,m;
ρc——板的密度,t/m3;
Lm——平均波長,m。
計算t=0.089m,根據大壩護坡設計經驗,并考慮施工等因素,混凝土護坡厚度采用12cm。
4.2.2 現澆混凝土護坡型式
現澆混凝土厚12cm,設計尺寸為1.9×1.9m,四周設置10cm寬無砂砼填縫。砼面板每隔8m設伸縮縫一道,填縫材料為聚乙烯閉孔泡沫板。在護坡坡腳及兩側岸坡處設寬0.6m,高0.8m的漿砌石齒墻,坡腳齒墻底高程269.35m,漿砌石齒墻每隔10m設伸縮縫,填縫材料為聚乙烯閉孔泡沫板。
背水坡整修工程
5.1 下游壩坡培厚工程
經壩坡穩定計算,下游壩坡穩定安全系數不能滿足規范要求。本次除險加固對下游壩坡進行培厚,在高程267.00m處設3m-7.5m寬平臺,平臺以上壩坡整修坡比為1:2,植草護坡;平臺以下壩坡整修坡比為1:2,新建貼坡排水體。壩坡整修時應先清除壩體表面的草皮、石渣、塊石,清理厚度不低于0.3m,壩面清理干凈,老土和新土拌合后,夯實第一層。然后按設計邊坡回填,粘性土壓實度不小于0.96,非粘性土相對密度不小于0.72;回填時嚴格控制含水率和鋪筑土層厚度。
壩坡整平后,表面采用草皮護坡。草籽種類應選擇低莖蔓延的爬根草。按照整理壩坡、播撒草籽和灑水養殖的工藝流程進行施工。草皮種類應選擇低莖蔓延的爬根草,不得選用莖高葉疏的草種。
5.2 壩坡排水溝工程
本次除險加固工程共新建排水溝6條,總長305m。其中:橫向排水溝2條,總長34m;縱向排水溝1條,長38m;岸坡排水溝2條,總長165m;坡腳排水溝1條,長68m。排水溝均采用Mu60M7.5漿砌石砌筑,外用2cm厚1:2砂漿抹面。縱向排水溝采用矩形斷面,底寬40cm,深40cm;橫向排水溝底寬30cm,深30cm;岸坡排水溝為梯形結構,底寬40cm,深40cm兩側坡比均為1:0.3;漿砌塊石每隔10m設橫向伸縮縫一道,填縫材料為聚乙烯閉孔泡沫板。
5.3 貼坡排水體工程
針對河槽段存在的接觸滲漏問題,采用貼坡排水體導滲方式進行加固處理。本次除險加固工程在樁號0+030~0+071段新建貼坡排水體導滲工程,排水體頂部高程267.00m,頂寬3.0-7.5m,坡比1:2;貼坡排水體下設粗砂碎石混合料30cm,上部為干砌塊石厚30cm。排水體末端設排水溝,溝底寬40cm,高40cm,外側坡比為1:0.3。
5.4 上壩踏步
為便于工程管理,在下游壩坡平臺以上樁號0+050處新建上壩踏步一條。平臺一下踏步采用C20砼結構,總寬2.5m,凈寬2.0m,厚度0.12m。踏步兩側擋塊高出大壩坡面0.1m。
大壩除險加固后結構穩定及滲流計算
壩體及壩基采用防滲處理以及大壩壩坡修整以后,對原壩體的滲流的和穩定均產生影響。計算斷面采用大壩0+032,0+046斷面進行計算。按除險加固后情況建立計算模型。
計算工況:
A.庫水位為興利水位275.30m,下游無水;
B.庫水位為設計洪水位276.65m,下游無水。
壩體及壩基滲透系數建議采用值為:
A.壩體 Ks=7.84×10-5cm/s
B.風化砂 Ks=3.85×10-4cm/s
C.壩基土 Ks=5.01×10-5cm/s
典型斷面滲流計算采用《堤防工程設計規范》GB 50286-98附錄E.3透水堤基均質土堤滲流計算公式。
經計算,興利水位穩定滲流浸潤線出逸點高程266.02m,下游壩坡出逸點坡降0.38。設計洪水位穩定滲流工況浸潤線出逸點高程266.58m,出逸點坡降0.38。兩種工況下,下游壩坡及壩基靠近坡腳處出逸坡降0.42左右,設計在貼坡排水體下設反濾層,所以認為出滲流滿足規范要求。
結論 通過分析該工程的隱患所在,依據規范對大壩壩坡穩定、滲透穩定行了壩體尺寸的重新設計,并采用碾壓試驗等方法確定各項施工填筑參數,在迎水坡工程、背水坡工程、壩頂工程施工中嚴格按施工填筑參數控制壓實質量、鋪筑厚度、材質級配等各項指標。工程加固后至今運行良好,故實踐證明其所采取的除險加固措施取得了較好效果。
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一、施工導流與圍堰技術的概況
施工導流工程實質是采用分段圍堰和全段圍堰兩種方法來把原有河道中的水流引導到下游的基本工程措施,這樣做的原因是這種工程措施能比較明顯地解決河道中的水流對水利水電工程建筑造成的消極影響,圍堰指的則是在水利工程建設時建設長久性水利設施,這里主要是修建臨時性圍護結構。這里的基本原理實際是防止水和土進入建筑物中,最終造成圍堰內的排水問題,像開挖基坑和修建建筑物也是深受其益的。
1、施工導流
施工導流是指在水域(大多數指活水河道)內修建水利工程的過程中,為創造干地施工條件,前期用圍堰圍護基坑,將河道水流通過預定方式繞過施工場地導向下游的工程措施。施工導流是水利工程施工,特別是修建閘壩工程所特有的一項十分重要的工程措施。導流方案的選定,關系到整個工程施工的工期、質量、造價和安全渡汛,事先要做出周密的設計。合理的施工導流方案,是保證工程順利實施及工程質量和安全性的重要保障。
2、圍堰技術
圍堰是指在水利工程建設中,為建造永久性水利設施,修建的臨時性圍護結構。其主要作用是防止水和土進入建筑物的修建位置,以便在圍堰內排水,開挖基坑,修筑建筑物。一般主要用于水工建筑中,除作為正式建筑物的一部分外,圍堰一般在用完后拆除。圍堰就是用土堆筑成梯形截面的土堤,迎水面的邊坡不宜陡于1:2(豎橫比,下同),基坑側邊坡不宜陡于1:1.5,通常用砂質粘土填筑。土圍堰僅適用于淺水、流速緩慢及圍堰底為不透水土層處。為防止迎水面邊坡受沖刷,常用片石、草皮或草袋填土圍護。在產石地區還可做堆石圍堰,但外坡用土層蓋面,以防滲漏水。其中分為2種類型:
(1)全段圍堰法導流
全段圍堰法就是指在河床距主體工程像大壩和水閘等這樣的基體比較遠的時候,為了防止河道中的水流經過河床外修建的臨時泄水道或者永久泄水建筑物下泄的情況出現,采取的修建攔河堰體,以一次性的方法截斷河道的方式。這種導流法只適用于枯水期流量不大,河道狹窄的河流。這里的導流泄水建筑物類型一般分成這些類別,像明渠導流和隧洞導流等,還有河床涵管法也是可以算在里面的。
(2)分段圍堰法導流
分段圍堰法導流也可以叫做分期圍堰導流,實際上就是把河道中的水流經由已經被束窄的河床或者缺口這些渠道排到河流下游的方法。這種導流方法適用可以通航的大河流,這樣的河流一般水流量大、河床寬,還有一般都是建筑工期比較長的工程項目。分段圍堰導流實際也分成前后兩期,前期的話,都是利用被束窄的河床直接導流,后期一般都用預先挖好的泄水道進行導流。在實際的工程實踐中,后面的兩段兩期導流方法用得比較多,相比之下,這種導流方法花費更低,成本投入更少。
二、施工導流及圍堰技術在水利水電工程中的施工流程
1、測量放線。施工前建立測量控制點及施工標志,確定堰體軸線,以控制施工方向及堰體砌筑范圍。施工中隨時測量堰體砌筑斷面尺寸及高程,以確保堰體斷面準確。
2、設護坡木樁。由于圍堰堰底淤泥較深,為防止堰體滑移,因此計劃在堰體兩側坡腳處設護腳木樁。木樁長6米,直徑20CM,間距50CM。由于木樁入土較淺,擬用人工將木樁打入淤泥層中。
3、人工堆碼裝袋粘土。由于施工現場都是垃圾及雜填土,圍堰所需粘土采用外購黃土,粘土由卡車運至現場后即組織人工裝袋,裝填量為編織袋容量的2/1~3/2,袋口用細麻或鐵絲縫合。砌筑時將土袋平放,上下左右互相錯縫堆碼整齊,水中的土袋用帶鉤的木桿鉤送到位,層層堆碼,逐層加高至頂面標高。
4、鋪設彩條布。堰體形成后,迎水面設彩條布做擋水用,并拋擲土袋壓腳,確保堰體不滲水。
5、鋼板樁支護。堰體內側坡腳處打一排6米長間隔10CM的剛板樁,實測實量淤泥深1.2~1.5m,水深0.6~1m,實際鋼板樁入土深度5m,并用土袋填充堰體育鋼板樁之間部分,起到防止圍堰滑移的作用以確保堰體的穩定性。施工方法先將水抽干,然后清淤泥,整理一條能走挖掘機便道,然后打鋼板樁。
6、淤泥清除。在圍堰完成后用人工挖井字溝排水、瀝水,一周后開始用人工配合機械清除淤泥,淤泥上車運離施工現場。嚴格按設計要求進行圍堰,坡度1:1,頂部高于流水面50cm,保證草袋堆疊整齊、密實,遇到滲水等情況要及時上報并處理,作業人員在水下進行作業時,應穿戴膠鞋、安全帽。嚴禁抽水時,在基槽內作業,以防觸電事故。機械在清淤過程中,需保持安全距離不小于10米,清淤時要保持平穩作業,先用斗對淤泥深度進行檢查,不得盲目進入淤泥內,防止機械深陷。基槽邊和堰體附近應設置防護措施,防止墜落傷害和溺水。
三、水利水電工程施工導流與圍堰技術施工的注意事項
1、在對圍堰的平面進行布置時,需要對水利水電工程建筑物的輪廓、交通運輸道路、堰體的排水設施、施工的模板以及堆放材料的部位等方面進行考慮。在一般情況下,水利水電工程建筑物輪廓與基坑橫向坡趾之間的距離應大于20米,而水利水電工程建筑物輪廓與基坑縱向坡趾之間的距離應小于2米。如果,圍堰的平面布置不當就會出現對水利水電工程的安全性帶來影響,比如:當圍堰的圍護基坑的面積過小時,會由于水流的宣泄不暢,從而影響到圍堰的安全。因此,在布置圍堰平面時要結合實際導流的方案、水利水電工程建筑物的輪廓特點以及圍堰的類型來進行布置。只有這樣才能保證圍堰堰體的安全性。
2、現階段,我國水利水電工程中大多數采用粘土心墻防滲型式的土石圍堰來作為施工導流工程中的圍堰建筑。因此,在設計時要根據《施工組織設計規范》的有關規定,在超過靜水位上方0.6米處設計心墻式防滲體來對圍堰進行保護。此外,考慮到水位的壅高、堰體施工的沉降以及圍堰頂部防護結構厚度等因素,設計時要結合圍堰所處位置的實際地形情況,在100年重現期洪水位,即上游擋水位1313米處和下游擋水位1284米處,建造高度為1 315米的上游圍堰和高度為1286米的下游圍堰。
四、結束語
綜上所述,圍堰技術導流工程是整個水利水電工程的核心,其施工質量的優劣直接關系到整個工程能否實現資源優化和經濟效益最大化。在高山狹谷河流上進行水電開發,首先要做好截流工作,故圍堰的設計和施工往往不可忽視,確保圍堰的穩定并具有良好的抗滲和防沖性能是前提,要經過精心設計,科學組織,及時實施,才能充分發揮圍堰的作用。
參考文獻:
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0 前言
滇中引水工程是云南省可持續發展的戰略性基礎工程,可從根本上解決滇中區的水資源短缺問題,具有顯著的經濟效益、社會效益和生態效益。輸水干渠起點位于迪慶州德欽縣,終點位于紅河州個舊市,全長約850km,多年平均引水流量約34億m3,沿線涉及云南省迪慶州、麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市、紅河州等7個州(市)的26個縣(市、區)。目前,滇中引水工程已進入可行性研究階段,征地移民工程也即將全面展開。本文根據《水利水電工程建設征地移民安置規劃設計規范》(SL290-2009)的相關規定,寫在全面開展實物調查工作前,主要從以下兩個方面進行:①占地原則。②范圍確定。
1 占地原則
目前,隨著城鎮化進程的加快,全國各地的建設項目也越來越多,大量的農用地被轉化為建設用地,2009年6月23日國務院新聞辦公室舉行新聞會,國土資源部提出“保經濟增長、保耕地紅線”行動,堅持實行最嚴格的耕地保護制度,耕地保護的紅線不能碰[1]。
滇中引水工程輸水干渠主要由隧洞、渡槽、暗涵、倒虹吸、消能建筑物以及料場、生產生活區、施工設施占地、施工支洞洞口、施工道路、棄渣場等組成,根據其占地特點,結合建設征地區實際,提出以下占地原則:①在線路布置及施工布置時,應盡量避開村莊,減少直接搬遷人口;②在線路布置及施工布置時,應盡量減少對耕地的征占,特別是對基本農田的征占,嚴格執行國家的耕地紅線控制;③在線路布置及施工布置時,應盡量減少對特種林地和生態環境資源價值較高的天然林地的征占,保護生態環境;④在線路布置及施工布置時,應避讓有地質災害或水土流失嚴重的區域,滿足水保要求;⑤施工臨時占地的布置應盡量減少布置在耕地之上,避免施工結束后難以將土地恢復到原用途;⑥在滿足工程建設施工和運行的前提下,施工布置應科學布局、合理規劃,盡量減少占地面積,提高土地的使用率。
2 范圍確定
建設征地范圍一般由永久征地范圍和臨時占地范圍構成。永久征地一般包括永久建(構)筑物的建筑區、對外交通用地和管理區;臨時用地一般包括料場、渣場、作業場(含輔助企業)、臨時道路、施工營地、其他臨時設施用地及施工爆破影響區等[2]。
占地范圍的確定直接影響到實物調查工作的準確性、移民安置工作的科學性,筆者查閱相關規范規程及具體工程的實際操作,認為按照以下標準來確定較為符合滇中引水工程實際:①隧洞進、出口按照水工專業提供的隧洞進、出口布置示意圖,在其排水溝開挖外邊坡線的基礎上外延2m作為永久征地范圍;②渡槽按照其凈空來確定征地范圍,凈空在20m(含20m)以上的高架渡槽,永久征地范圍只含鎮墩及鎮墩四周1m的范圍;凈空在20m以下的渡槽其永久征地范圍按照建筑物輪廓正射影邊緣向外外延5m作為永久征地范圍;③暗涵按照其埋深來確定征地范圍,埋深在5m(含5m)以下的暗涵其建設征地范圍按照其建筑物正射影邊緣向外外延5m作為永久征地范圍,5m以外至開挖外邊坡線之間的部分作為臨時占地處理;埋深在5m以上的暗涵作為臨時占地處理;④倒虹吸按照其是否掩埋來確定征地范圍,地下掩埋的倒虹吸按照其建筑物正射影邊緣向外外延5m作為永久征地范圍,5m以外至開挖外邊坡線之間的部分作為臨時占地處理;地上的倒虹吸按照其開挖外邊坡線向外外延2m作為永久征地范圍;⑤消能建筑物按照其開挖外邊坡線向外外延2m作為永久征地范圍;⑥料場按照施工專業提供的包含開采邊界和爆破堆渣的范圍線確定為臨時占地范圍;⑦生產生活區、施工設施等施工營地占地范圍根據施工專業提供的施工布置圖,按照方便運行管理和有利于征地的原則,將零散的營地分布集中成一片作為臨時占地范圍;⑧施工支洞洞口根據洞口是否作為檢修支洞來確定占地范圍,對將作為檢修支洞的洞口按照其排水溝外邊坡線外延2m作為永久征地范圍;對不作為檢修支洞的洞口按照施工布置范圍作為臨時占地處理;⑨施工道路根據施工專業提供的包含路基與排水溝的范圍示意圖作為占地范圍,若為施工臨時道路則為臨時占地,若為施工永久道路則為永久征地;⑩棄渣場按照盡量少占和不占耕地原則選址,占地范圍按照水保專業提供的棄渣場排水溝外邊坡線外延2m作為臨時占地處理。
3 結語
隨著經濟社會的不斷發展,征地越來越成為工程建設的制約因素,如何統籌城鄉發展、合理布局、節約占地成為日益突出的問題。按照滇中引水工程建設征地范圍確定的原則和標準,在滿足工程運行管理的前提下,盡量減少永久征地外延的寬度,加強對施工臨時用地結束后土地的管理,嚴格按照復墾要求進行恢復,能夠做到節約用地和保護耕地。
【參考文獻】
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中圖分類號:TU2文獻標識碼: A
某水庫是一座集防洪、灌溉、發電及多種經營為一體的中型水庫。總庫容1305萬m3,興利水位54.5m,死水位47.0m。水庫工程等別為三等,主要建筑物級別為3級。本次除險加固工程主要包括:大壩加固工程、溢洪道(閘)加固改造工程、放水洞加固改造工程以及防汛路和管理設施工程等。
1 施工導流優化
1.1 導流標準及導流時段
水庫所處區域屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候,四季分明,降雨量年內分配不均勻,主要集中在6~9月份,其中7~8月份降水次數多。為了降低導流建筑物規模,減少臨時工程投資,同時確保工程安全度汛,本工程主體工程宜安排于非汛期施工,因此導流時段確定為11月至第二年4月。
水庫工程等別為Ⅲ等,大壩、溢洪道和南、北放水洞等主要建筑物級別為3級,根據《水利水電工程施工組織設計規范(SL 303―2004)》,按所保護的對象、失事后果、導流建筑物使用年限和圍堰工程規模等因素,確定導流建筑物級別為5級,導流建筑物洪水重現期為5年。另根據《水利水電工程施工組織設計規范(SL 303―2004)》規定,一個枯水期能將永久建筑物修筑至壩頂度汛標準的汛期洪水位以上時,其導流設計流量應按枯水期內與級別相適應的重現期標準選用。因此確定本工程施工導流洪水標準為枯水期內5年一遇。
1.2 導流方式
本工程有三座輸水建筑物即南、北放水洞和溢洪道需改建,因此采用分期導流方式。根據工程項目和進度安排,第一個非汛期進行溢洪道(閘)、南北放水洞加固改造工程施工,利用北放水洞將庫水位降至40.36m,然后在北放水洞進口處修建臨時擋水建筑物,上游來水蓄存于水庫內。第二個非汛期進行大壩加固、防汛路面、管理單位建設等工程施工,利用改造完成后的南、北放水洞導流。
2 主體工程施工優化
2.1大壩加固工程
大壩上游壩坡護坡石采用人工拆除,膠輪車運至壩腳用于壓重,考慮高折平運距約150m;壩頂路沿石和防浪墻采用人工結合機械拆除,運至壩腳用于壓重,考慮高折平運距約250m。下游壩腳貼坡排水體采用人工拆除,自卸車運至上游壩腳用于拋石壓重,運距約1km。壩腳拋石壓重不足部分利用原溢洪道(閘)、交通橋拆除料和溢洪閘閘前引渠、溢洪道下游開挖的石碴,原溢洪道(閘)、交通橋拆除料和溢洪閘閘前引渠開挖的石碴、溢洪道下游開挖的石碴臨時堆存于溢洪道左岸空地,1m3挖掘機配8t自卸車運輸至工作面,運距約1km,推土機推運整平,進行拋石。拋石體主要位于水下,無法壓實,但拋石體表層需要平整,并采用振動碾壓實。壩前平均淤積厚度約1.5m,清淤采用吸泥船無圍堰清淤。
大壩壩體翻壓段,采用內部調配土方,可滿足填筑要求;大壩截滲土料填筑量為23905m3,折自然方30120m3,全部從土料場借土填筑。壩體開挖完后,采用1m3挖掘機配8t自卸車運輸臨時堆存料或外購土料、砂料填筑壩體剩余部分。壩體翻壓心墻部分采用振動碾和履帶式拖拉機壓實,上下游砂殼采用振動碾壓實。
下游壩坡清除采用推土機推運至壩腳,平均運距60m,然后1 m3挖掘機配8t自卸車運至土料場復耕,運距約2km。下游壩坡補坡采取內部調配土方,可滿足填筑要求。采用履帶式拖拉機分層壓實,填筑前也需進行碾壓試驗。
上游壩坡護坡齒墻和下游排水溝土方開挖均采用人工開挖,排水溝回填采用人工回填,蛙夯機夯實,剩余料就近推平于壩坡上。
2.2 溢洪道(閘)工程
溢洪道開挖土石方均采用挖掘機配自卸汽車挖運,墻后回填利用挖掘機配推土機填筑,13T振動碾壓實,結合蛙式打夯機補邊夯。
石方開挖采用鉆孔爆破法施工,考慮到石方開挖區距大壩較近,施工前應進行爆破試驗,選定爆破參數。一般石方開挖應采用硝銨炸藥分層梯段爆破,爆破方式為手風鉆鉆孔,電導線引爆;保護層石方開挖鉆孔深度不超過0.5m,采用手風鉆鉆斜孔,電導線引爆;溝槽石方開挖應在兩側設計坡面進行預裂爆破,再按保護層石方開挖施工。
2.3 南、北放水洞工程
現狀南、北放水洞拆除采用人工結合機械施工,膠輪車運至壩腳棄置,考慮高折平運距約100m。引水渠拆除采用人工拆除,膠輪車運輸100m棄于圍堰外。引水渠土方采用人工開挖,就近臨時堆存,人工回填蛙夯機夯實,剩余土料就近推平。
3 施工布置優化
3.1 砼拌和系統
根據場地條件和各建筑物布置,分別在溢洪閘左岸、南放水洞左側、北放水洞左側各設置一處混凝土拌和場區。
溢洪閘左岸拌和系統主要供應溢洪道(閘)混凝土和大壩施工。大壩混凝土澆筑量5012m3,溢洪閘混凝土澆筑量1446m3,澆筑量較大,需設置兩座0.4m3移動式攪拌機和一座2×1.5m3攪拌樓。
南放水洞右側混凝土拌合系統主要供應南放水洞混凝土施工,共計澆筑混凝土503m3,澆筑量較小,設置一座0.4m3移動式攪拌機即可滿足要求。
北放水洞右側混凝土拌合系統主要供應北放水洞和大壩混凝土施工,放水洞澆筑混凝土807m3,與大壩合計澆筑量較大,設置兩座0.4m3移動式攪拌機即可滿足要求。
3.2 棄置區、臨時堆存區和取土區
溢洪道尾水渠開挖的部分石碴需臨時堆存于尾水渠下游左岸,堆高2m,邊坡1:3,占用期1年。
大壩翻壓采用分段推進法施工,第一段開挖土方需臨時堆存于大壩南端,平均堆高2m,邊坡均為1:3,不需考慮占地。
北級放水洞臨時圍堰需從水庫上游河道取料填筑,不計占地。
工程共設置石料等堆存區5處,占用期1年。
4 施工進度優化
工程項目施工難度不大,但項目繁多,工作量大,同時受交通條件制約,相互間干擾較大,在一個非汛期內無法全部完成,因此確定工程總工期24個月,其中汛期基本不安排施工。
計劃自第一年汛后開工,至第三年汛前全部竣工。總工期由施工準備期、主體工程施工期和工程完建期三個階段組成。工程籌備期為三~四個月,需提前完成。
溢洪道(閘)工程拆除料和開挖的石碴以及南北放水洞拆除料需用于大壩壩腳拋石壓重,因此安排于第一年汛后至第二年汛前施工。大壩加固工程安排于第二年汛后至年底施工。大壩壩頂路和防汛交通路需作為永久交通道路,安排于第三年初至汛前施工。
水工擋土墻在幾乎所有的水工建筑物設計時都會遇到,其多在有水條件下應用,且應用極其廣泛。溢洪道是蓄水樞紐中的主要泄水建筑物。對于正槽式溢洪道的進水渠、控制段(溢流堰)、陡槽、消力池及出水渠等5部分工程中均需用到水工擋土墻。
懸臂式水工擋土墻屬于輕型鋼筋混凝土結構,由立墻和底板(前趾板和踵板)組成,主要靠底板以上填土重來保證其穩定性,可以在較高范圍內使用。
應用實例
1、概況
孔頭溝水庫位于寶雞市岐山縣蒲村鎮,樞紐位于渭河水系漆水河二級支流龍尾溝河上游、馮家山灌區北干渠21+777.94~22+475處。樞紐工程(未設溢洪道)于1973年4月竣工,2000年經安全鑒定為三類壩;2007年水庫在進行除險加固工程設計時,對大壩進行了加固及新增溢洪道的設計內容。
溢洪道為河岸正堰開敞式,由進水渠、控制段、陡槽段、消力池、出水渠組成,總長度340.8m,設計最大下泄流量132.6m3/s 。
2、擋土墻型式選取
孔頭溝水庫溢洪道工程中,控制段與陡槽段間有一過渡收縮段,其兩邊墻較高,所需擋土墻最高斷面有8.9m高,水工擋土墻的型式選用及分析計算內容介紹如下:
首現需要考慮溢洪道橫斷面是采用矩形還是梯形。在經過比較設計,考慮到兩岸高邊坡情況,在同等開挖深度情況下,梯形開口大,兩側渠岸再留平臺后,其挖方量顯著增加;再者考慮到本溢洪道泄流流量大,矩形橫斷面的水流流態好,對工程更安全可靠。綜上,選取矩形橫斷面方案。
接著需要考慮溢洪道中最高斷面選取哪種型式的水工擋土墻。水工擋土墻常用的結構型式有重力式、懸臂式、扶壁式、U型結構等。根據溢洪道的布置及挖深情況,其邊墻高度均較高,最高斷面可達到8.9m。若采用重力式擋土墻,其斷面尺寸較大,消耗砼或砌石的量較大,不經濟;U型結構適用斷面較低擋墻;扶壁式一般用于10m高以上的擋墻。故經比較后,選取懸臂式鋼筋砼擋土墻最經濟實用。
3、擋土墻穩定分析及結構計算
結語
懸臂式鋼筋混凝土擋土墻在水庫溢洪道的邊墻設計時被廣泛使用,其適用于矩形斷面、邊墻高度較高的段落,并且該擋土墻自身也具有結構輕便、適用廣泛、計算簡便等優點,不但在水庫工程中廣泛使用,而且其還在水電站、泵站、防洪等工程中具有實用性。
參考文獻:
[1]管楓年,薛廣瑞,王殿印.水工擋土墻設計[M].北京:中國水利水電出版社,1996.
1 河道概況
啞巴溝發源于林州市林濾山東麓,自西向東流經白楊凹、紅瓦房、牛圈,進入項目區。經過1/50000航測圖量算,啞巴溝項目區以上流域面積5.00km2,河道長度8.28km,河道比降3.60%。
啞巴溝屬洹河流域,流域內非農業人口約17萬(小于20萬)。根據《防洪標準》,本次防洪標準為20年一遇。經計算,啞巴溝新城市花園段20年一遇設計洪峰為73m3/s。
2 河道特征
啞巴溝流域西高東低,地形起伏變化較大。其中,一干渠以上為山區,最高點高程1200m,最低點462m,山坡陡峻,高差較大;該段河道長度2.58km,河道比降16.7%,河道溝形明顯,寬度5m~20m。一干渠以下為山前沖洪積帶,地勢逐漸變緩,至王相路西西側進入項目區(新城市花園小區),河道長度5.70km,河道比降2.0%;河道最寬處25m,最窄處僅5m左右。
3 設計方案
3.1 工程設計方案
依據《河道整治設計規范》(GB50707-2011),規劃河道按原小區規劃路線進行治理,局部結合建筑物微調。治理段河道全長707m,根據相關規范要求,為保證小區上游洪水順利下泄,河道轉彎半徑不應小于30m。
⑶ 工程設計
本次治理段河道采用20年一遇防洪標準,根據測量資料,設計比降為1/80.4,河道開挖深度約為2.13m,設計水深取1.63m。結合規劃方案,河道斷面考慮采用梯形斷面和矩形斷面兩種型式。
① 梯形斷面:河道邊坡系數與河床土質、地下水情況和挖填深度等因素有關,沿岸土質多為重粉質壤土,本次治理段河道開挖高度在2.3m左右,根據《灌溉與排水工程設計規范》中7.1.10條對土質排水溝最小開挖邊坡的規定,參考其它類似工程經驗,河道設計邊坡取1:2.0。經計算,設計河底寬度為6.0m。
② 矩形斷面:河道采用矩形斷面時,經計算,設計河底寬度為9.0m。河道護岸采用重力式擋土墻結構,墻高2.63m,頂寬0.5m,面坡豎直,背坡1:0.4,基礎深0.5m。
本次治理段河道為新開挖河道,斷面規則,河道水力計算采用明渠均勻流公式計算,查《水利計算手冊》天然河道糙率表,設計糙率取0.025。河道設計成果見表1、圖1。
3.3 小結
通過分析計算,河道采用梯形斷面及矩形斷面兩種方案均滿足防洪標準。目前,項目區內大部分建筑物已經建成,土地資源有限,為保證項目區的正常運行,本次推薦采用占地較少的方案(即)對河道進行治理。
參考文獻:
⑴《防洪標準》(GB50201-94);
⑵《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000);
中圖分類號:TV732 文獻標識碼:A
1工程等級及標準
1.1工程等級
擬建工程由重力式擋水壩、溢流壩、等組成,水電站總庫容3846.58×104m3,裝機容量24MW,根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)和《防洪標準》(GB50201-94)的規定,該工程規模為中型工程,工程等別為Ⅲ等,擋水壩、溢流壩、河床式電站廠房為3級建筑物。
1.2設計標準
1.2.1防洪設計標準
根據《防洪標準》(GB50201-94)及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)的規定。對于本工程選定方案擋水重力壩最大壩高為30.8m,上下游水頭差為11.5m。按關于山區、丘陵區的水利樞紐工程的重力壩、溢流壩、河床式電站廠房洪水標準為:校核洪水標準采用500年一遇(P=0.2%),設計洪水標準采用50年一遇(P=2%);泄水建筑物消能防沖的設計洪水標準為30年一遇(P=3.3%);變電站、進廠交通等非擋水部分的校核洪水標準為100年一遇(P=1%);設計洪水標準為50年一遇(P=2%)。
對于比選方案面板堆石壩方案,按關于山區、丘陵區的水利樞紐工程的堆石壩、溢洪道洪水標準為:校核洪水標準采用1000年一遇(P=0.1%),設計洪水標準采用50年一遇(P=2%);引水式電站廠房校核洪水標準為100年一遇(P=1%);設計洪水標準為50年一遇(P=2%);溢洪道消能防沖建筑物的防洪標準與重力壩方案相同。
1.2.2抗震設計標準
根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB18306-2001)和《中國地震動反應譜特征周期區劃圖》(GB18306-2001),本區地震動峰值加速度值<0.05g,地震動反應譜特征周期為0.35s,相應的地震基本烈度小于Ⅵ度。
2擋水建筑物壩頂高程確定
按《水工建筑物抗冰凍設計規范》(GB/T50662-2011)中有關規定,壩頂超高按常規設計。
2.1風速
風速采用項目區所在地區氣象臺測站1957年~1990年4月~11月實測風速進行統計,根據壩軸線走向,分別選取5個風向(WSW、W、WNW、NW、NNW)進行統計。
計算風速:正常運用情況下采用重現期為50年的年最大庫面風速,非正常運用情況采用多年平均年最大風速。壩前風速計算值采用如下:
正常情況:υ=15.94m/s(正常蓄水位和設計洪水位時);
非常情況:υ=9.35m/s (校核洪水位時)。
2.2風區長度及水域平均深度
庫區水域雖狹長細窄,但庫區水面寬度仍大于12倍波長,因此風區長度采用計算點至對岸的直線距離。
風區內水域平均水深Hm沿風向作出地形剖面圖求得,計算水位與相應設計情況下靜水位一致。
2.3計算公式
根據《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2005)中的規定以及本次調洪成果對壩頂高程進行計算,壩頂高程為水庫靜水位與超高之和,即校核洪水位、設計洪水位和正常蓄水位情況下分別加相應的壩頂超高確定壩頂高程。壩頂與水位的高差由下式確定:
Δh=h1%+hz+hc
式中:Δh—— 防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差(m);
h1% —— 波高(m);
hz—— 波浪中心線至正常或校核洪水位的高差(m);
hc—— 壩體安全超高(m);
其中波浪高h的計算采用官廳水庫公式:
式中:υ0 —— 計算工況下的相應風速 (m/s);
D —— 吹程 (m);
Lm—— 平均波長 (m)。
波浪中心線至水庫靜水位的高度按下式計算:
式中:H —— 擋水建筑物迎水面前的水深 (m)。
壩頂高程計算成果見表1。
壩頂高程計算成果表
表1單位:m
由計算結果知,壩頂高程由校核洪水位控制,計算壩頂高程為450.46 m。但考慮到溢流壩頂的工作橋凈跨為10.0m,為保證橋體鋼軌下的大梁(估算1.3m高)不影響泄洪,工作橋梁底須高于校核洪水位,由此確定壩頂高程為450.8m。
3 擋水壩設計
擋水建筑物壩型為混凝土重力壩,左岸擋水壩段樁號壩0+000 ~ 壩0+058.95m,右岸擋水壩段樁號為壩0+194.45 m ~壩0+ 212.7m,兩岸擋水壩段總長為77.15m。
擋水壩壩頂高程為450.8m,壩頂不設防浪墻,壩頂寬度為6.0m,最大壩高為29.85m。壩頂路面以1%坡度向上游傾斜,以便排除壩頂集水,考慮到安全因素,壩頂上、下游側設有欄桿。壩體上游面折坡點高程為440.8m,折坡點以上鉛直,折坡點以下壩坡為1:0.2,下游折坡點高程為440.8m,折坡點以上鉛直,折坡點以下壩坡為1:0.6。下游壩腳豎直高度2.0m。
壩底上游壩踵設1.5m深、1.75m底寬的梯形齒槽。壩體內設置帷幕灌漿和排水廊道,廊道為城門洞形,寬3m,高4m。廊道上游壁距上游壩面3m,底板混凝土最小厚度3m,底板高程隨壩基面上升,升至高程442.57m從下游壩面拐出。
為及時排出壩體內的滲透水,在壩體內防滲面板下游每隔3.0m設置一根直徑15cm的豎向排水管,滲透水通至廊道再排出壩體。壩體每隔20m左右設橫縫,縫內設一道橡膠止水。
重力壩混凝土分3區:壩上游表面防滲抗裂Ⅰ區混凝土厚2.0m,強度等級C25,抗凍等級F300;壩內低熱Ⅱ區混凝土及壩基礎低熱抗裂Ⅲ區混凝土(厚2.0m),強度等級C20。
4壩肩處理
由于右壩肩基巖巖面坡度較陡,為了滿足該壩段沿壩軸線方向的穩定要求,壩肩基巖面開挖成臺階狀以增強壩肩的縱向穩定性。
兩壩肩壩頂高程以上進行開挖削坡處理,根據地質勘察成果,土質邊坡削坡的坡度為1:1.75~1:1.5,巖石為1:1~1:0.75。
5壩體抗滑穩定計算
壩體抗滑穩定計算主要核算壩基面滑動穩定,荷載組合分為基本組合和特殊組合兩類,分別采用抗剪公式和抗剪斷公式計算。荷載組合見表2。
擋水壩荷載組合
表2
抗滑穩定采用抗剪強度計算公式:
式中: K—— 抗剪強度計算公式的抗滑穩定安全系數;
∑W —— 作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的法向分值;
∑P—— 作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的切向分值;
f —— 壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數。
抗滑穩定采用抗剪斷強度計算公式:
式中:K′ ——抗剪斷強度計算公式的抗滑穩定安全系數;
f’、C —— 滑動面抗剪斷摩擦系數及抗剪斷凝聚力;
A —— 基礎面受壓部分的計算面積;
ΣW ——作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的法向分值;
ΣP ——作用于壩體上的全部荷載對滑動平面的切向分值。
計算斷面選取最大壩高斷面進行計算,抗滑穩定計算成果見表3。
擋水壩抗滑穩定計算成果表
表3
從表中計算結果數值可以看出,擋水壩抗滑穩定滿足規范要求。
6 壩基應力計算
擋水壩壩基地基應力計算采用材料力學公式計算;
式中:∑W —— 作用于單位寬度壩段上所有垂直力的代數和;
∑M —— 所有荷載(外力)對于壩基截面形心的力矩代數和;
B —— 壩底寬度。
計算結果見表4。
擋水壩壩基應力計算成果表
表4
弱風化安山巖地基允許承載力為3.8MPa,由表8.1.4計算結果得出,壩基地基承載力小于允許值,并且大于零,均滿足規范要求。
參考文獻
中圖分類號: TV 文獻標識碼: A
引言:我國水利工程建設逐日壯大,為了全面保證其工程質量,我國相應的也頒布了一系列的規范。目前水利河道疏浚單元工程質量評定,通常以現行的SL 17-90《疏浚工程施工技術規范》(以下簡稱《疏浚規范》)評價指標和評定方法為依據,與《水利水電工程施工質量評定表填表說明與示例》(以下簡稱《說明》)中河道疏浚工程單元質量評定表的表式相結合進行河道疏浚工程質量評定。結合實踐經驗和對該規范的理解,針對河道疏浚工程質量評定的各評價指標和方法,從可操作性、合理性、嚴謹性等方面進行深入分析與探討,探索了一套更客觀、更全面、更合理的評價指標體系。
1、河道疏浚質量評定中的問題
雖然有國家頒布的相應條文及規范作為工程質量保證,但其還存在一定的不完整性,在實際操作中往往達不到預期的效果。比如在工程實踐中,如果嚴格按照規范的要求對河道疏浚工程單元質量進行評定,極可能出現這些問題:由于規范未明確實際施工河道底寬的定義,評定時實際施工河道底寬不容易確定;在疏浚設備嚴格按規范分臺階開挖情況下,河道的實際單側超寬容易超過規范允許的范圍;河道邊坡開挖嚴格按設計施工情況下,超欠比不滿足要求;河灘高程測量范圍不清楚;河灘寬度無法測量;單元工程質量評定與通常的水利建筑工程單元質量評定方法不一,且評定的合格率標準過高。
2、質量指標分析
以典型工作實例作為基礎進行質量指標分析,下圖為某中小型內河河道竣工程斷面圖,以此為基礎進行分析說明。
2.1工程概況
該工程為筆者在工作中遇到的一個具有典型代表的工程,以此作為基礎進行河道疏浚工程質量標準分析和探討。該工程河道兩岸有護岸和河灘,設計河灘寬度2 m;水下一級坡到河底,水下設計邊坡1:3;河道設計河灘高程以下深度4 m。由于現階段絕大多數疏浚設備不能實現水下邊坡完全自動按設計邊坡成型,因此,必須按照《疏浚規范》所推薦的方法采用分臺階方式開挖,按超欠平衡、超挖略大的原則進行,施工時按臺階的邊線放樣,挖泥船按各臺階高程和邊線進行施工。竣工后橫斷面測量通常通過花桿、測繩、測深儀等測量工具按一定間距測出測點高程,通過手繪或電子繪圖將測點連接起來,形成河道實際開挖斷面線。
2.2河道底寬
該規范的不完整性在河道底寬上就有著明顯的體現,該規范對河道底寬沒有明確的解釋,河道底寬是設計底高程處的寬度與河道兩側設計邊坡線與實測河底線的交點寬度的比值,兩者相距甚大。相對而言,以設計河底高程處的寬度作為實際施工河道底寬較符合工程質量評定的本義。在交通部頒發的JTJ 324)2006《疏浚與吹填工程質量檢驗標準》中對河道施工后平均超寬0也采用了設計河底高程處的超寬。但作為疏浚行業規范,對實際河道底寬進行定義是十分必要的。
根據國家頒布的《疏浚規范》,每邊的最大允許超寬根據設備不同可在0.5~1.5 m。在水利工程結構中的軟基和岸坡開挖時基坑尺寸,允許最大值為0.4 m。疏浚工程屬于水下工程,僅考慮水下不可視的情況,最小0.5 m的允許超寬值相對岸挖最大允許值0.4 m來說偏小,加上設備、定位和放樣等因素影響(不考慮分臺階開挖情況), 0.5~1.5 m也是最基本的。
受技術水平限制,實踐中絕大多數采用了分臺階開挖的方式。圖1中河灘以下深度是4.0 m,分2個臺階開挖,單級臺階高度為2.0 m,臺階寬度6.0 m,因此河道底靠岸坡半個臺階的寬度為3.0 m。如嚴格按此劃分的臺階開挖,施工完成后的邊坡線為G-f-e-g-h-J。此時,可以發現實際河道底寬單側超寬3.0 m,超過最大允許值1.5 m的1倍,超寬的3.0 m實質是底層半個臺階寬度,因此,分臺階開挖造成超寬超過允許值。
當然,可以通過增加臺階個數減小臺階寬度和高度,以實現不超寬,但大多數挖泥船分臺階高度至少在1.0 m以上,如按照1.0 m臺階高度,水下邊坡緩比1:3時,單側超寬仍會超過最大超寬允許值1.5 m,導致超寬值不合格。如果有定位精度和水下施工不可見等因素影響,實際超寬值會更大。如果采用分臺階開挖的方式不能按《疏浚規范》規定的允許偏差值作評定,要計入實際底層臺階的寬度,再確定允許超寬值。
2.3河道底高程
實際河道底高程是設計河底高程以下的高程值。根據工程實踐,一些工程在施工完成馬上進行測量可以達到《疏浚規范》的要求,但一段時間后進行第三方抽檢就達不到要求。經過分析,河道靠邊坡下部易出現斷面重塑現象,實質是河道水流對施工的河道斷面進行削高補低的平整,使施工后斷面折線形成順滑連續曲線。具體表現為:加劇河道主河床部位的超深;加劇河底兩側邊坡下部的淤積;加劇岸坡頂部突出部位的超挖;加劇河灘靠護岸端的淤積。這種現象在通航河段、土質較軟、水流急的情況下容易出現,且在河道開挖初期較為明顯,然后是持續自然淤積。因此,在類似河段施工中,應該在開挖初期進行試挖并加強觀測和分析,摸清造成河底兩端坡腳欠點的真正原因,如欠挖則補挖,非欠挖則要與業主、監理和設計等有關參建單位協商。
疏浚工程質量評定方法與指標的設置
對現行《疏浚規范》和實際使用中出現問題的分析,可以考慮采用以下的評定辦法和指標對疏浚單元工程進行質量評定。
3.1 一般檢測指標
一般檢測指標,是質量評定中可以檢測的一般性指標,評定時根據檢測出的總點數和合格點數計算合格率,作為評價單元質量等級的依據。
3.2河道底寬
按照設計河底高程處實測寬度值,并要求實測值不小于設計規范中有關河道底寬單側最小超寬0.5 m的標準作為最大允許超寬值;當采用水下開挖的施工方式時,在工程開工前由施工單位上報分臺階開挖施工方案,經監理核定后實施。進行質量評定時,河底單側允許超寬值按照底層臺階寬度加最小超寬0.5 m與現行《疏浚規范》中允許的單側超寬值中的較大值作為單元工程質量評定表中河底單側允許超寬值。監理單位需要結合施工單位的施工機械類別與規格、土質及河道功能要求綜合考慮確定分臺階的臺階高度與寬度。
3.3河道底高程
河底平均高程作為重要指標對河底開挖質量進行控制,對于河道底部高程的評定,現行《疏浚規范》中有關欠挖點限值的規定可適當放寬:欠挖值由現行30 cm適當加大到40 cm,且不超過設計水深10%;縱向長由不超2.5 m調整至5.0 m;橫向寬由不超過2.0 m調整至4.0 m且不超過河底寬10%;超過允許值的需返工以達到標準。
結束語
隨著水利工程的發展,疏浚工程由于水下施工不可視、受測繪技術水平限制以及河道水流作用,其單元質量評定具有很大的特殊性,建立一整套嚴謹、合理、可操作的評價標準顯得十分復雜。這里也僅根據對規范的理解和實踐經驗提出一些見解,有待今后進一步完善和提高。
參考文獻:
[1]水利水電第十三工程局. SL 17)90疏浚工程施工技術規范[S].北京:中國水利電力出版社,1990.