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        貫流式機(jī)組汛期過流圍堰高效填筑關(guān)鍵技術(shù)研究

        2018-10-19 23:39:54劉昌宇舒磊肖偉明
        水能經(jīng)濟(jì) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:混凝土工程施工

        劉昌宇 舒磊 肖偉明

        【摘要】新干航電樞紐工程處于贛江中游,4~6月為主汛期,二期泄水閘工程過流圍堰于7月進(jìn)行進(jìn)占,7月31日截流,施工期未脫離汛期影響,圍堰施工期過水頻繁。圍堰填筑工期緊,施工難度大。采取自潰式子堰設(shè)計(jì)、設(shè)置預(yù)備沖水口、過水堰護(hù)面結(jié)構(gòu)、裹頭挑流及集料平臺等施工技術(shù),在汛期影響下,高效、安全完成過流圍堰填筑為類似工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

        【關(guān)鍵詞】過流圍堰汛期填筑;自潰式子堰

        1、工程概況

        按照合同文件規(guī)定,新干工程采用分期導(dǎo)流方式,分兩期導(dǎo)流,一期工程分別圍左岸船閘及其相鄰9.5孔泄水閘工程、右岸電站廠房(含相鄰1.5孔泄水閘工程),二期工程圍右岸其余13孔泄水閘工程。

        二期泄水閘工程圍堰截流須具備如下條件:

        ⑴ 一期泄水閘工程9孔弧形閘門可正常調(diào)度運(yùn)行;

        ⑵ 一期泄水閘工程及船閘圍堰已全部拆除完畢;

        2017年7月初,項(xiàng)目具備二期泄水閘工程圍堰戧堤進(jìn)占條件,至2017年7月下旬具備二期泄水閘工程圍堰截流條件。

        2、水文氣象地址條件

        2.1 水文

        贛江為雨洪式河流,洪水由暴雨形成。受天氣系統(tǒng)影響,4月~6月份洪水由鋒面雨形成,往往峰高量大;7月~9月份洪水一般由臺風(fēng)雨形成。一次洪水過程一般為7天~10天,長的可達(dá)15天,最短的僅為5天。峰型與降水歷時、強(qiáng)度有關(guān),多數(shù)呈單峰肥胖型,一次洪水總量主要集中在7天之內(nèi)。

        2.2 氣象條件

        贛江流域?qū)賮啛釒駶櫄夂颍瑬|亞季風(fēng)區(qū)。贛江流域多年平均氣溫在17.2~19.3℃之間,極端最高氣溫41.6℃,極端最低氣溫-14,3℃。流域內(nèi)多年平均降水量在1300~1800mm之間,各站實(shí)測多年平均蒸發(fā)量為1294~1765mm,最大日暴雨量多出現(xiàn)在4~9月,5~6月以鋒面雨的形式出現(xiàn)使大暴雨更集中,7~9月主要是受臺風(fēng)影響產(chǎn)生暴雨。流域內(nèi)多年平均風(fēng)速為1.1~2.9m/s,最大風(fēng)速30m/s,相應(yīng)風(fēng)向?yàn)槲鳎╳)風(fēng)。流域多年平均相對濕度76%~82%,多年平均日照小時數(shù)l628~1875h,多年平均無霜期252~288d。

        二期左岸縱向圍堰為混凝土縱向圍堰,由W3標(biāo)施工,目前已完成。

        3、圍堰汛期填筑重點(diǎn)難點(diǎn)

        本工程二期泄水閘閘壩屬于反季節(jié)施工,具有需要同時施工的部位多、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)控制性工期嚴(yán)、施工工藝要求高等特點(diǎn);過水圍堰設(shè)計(jì)與汛期快速截流是項(xiàng)目成敗的重點(diǎn),而施工任務(wù)繁重、有效施工時間短、工期壓力大、施工強(qiáng)度高且集中、施工風(fēng)險(xiǎn)大是二期泄水閘圍堰汛期施工最大難點(diǎn)。

        根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃、氣象水情和目前施工準(zhǔn)備情況,二期圍堰填筑時段為2017年7月1日~2017年8月31日,截流時間擬確定為2017年7月31日,截流流量為選擇5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s,具有以下特點(diǎn):

        (1)進(jìn)占之前,必須掌握7~8月份工程上游地區(qū)的水情氣象預(yù)報(bào),針對可能出現(xiàn)的水情做好相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)防措施;圍堰進(jìn)占的組織機(jī)構(gòu)、設(shè)備人員、技術(shù)方案、物資材料等準(zhǔn)備到位;

        (2)二期泄水閘工程圍堰填筑、圍堰防滲、泄水閘工程基礎(chǔ)開挖、基坑排水等存在平行施工問題,相互干擾較大;

        (3)二期圍堰填筑時間短、工期緊,對設(shè)備的數(shù)量和性能要求高,配備滿足施工強(qiáng)度的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵;

        4、過流圍堰關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 自潰式子堰

        當(dāng)贛江來水超過圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn),二期圍堰需要過水與左側(cè)9孔泄水閘聯(lián)合泄流,子堰要求達(dá)到自潰標(biāo)準(zhǔn),以降低庫區(qū)水位,不對贛江防護(hù)堤及兩岸居民造成危害。當(dāng)堰前洪水全部漫頂后,子堰自裹頭端至砼縱向圍堰端全部自潰,由于基坑提前已經(jīng)充水,漫頂時圍堰內(nèi)外水位落差不到2m,過堰水流較為平順。子堰自潰后,洪峰順利通過樞紐下泄,自潰式子堰結(jié)構(gòu)采用粘土填筑結(jié)合土工膜防滲、外部采用石渣護(hù)面。

        汛后,堰體損失小,子堰潰決料被沖至圍堰下游邊坡,護(hù)面砼大部完好無損,上游面護(hù)坡塊石基本仍分布在主堰堰頂范圍,上下游恢復(fù)子堰填筑料小,子堰能快速修復(fù)。從基坑撤退洪峰來臨到基坑泄水閘恢復(fù)正常生產(chǎn),預(yù)計(jì)僅需半個月。

        4.2 充水口布置

        當(dāng)贛江通過流量大于8670m3/s時,上游水位達(dá)到圍堰自潰子堰頂高程,圍堰過水,此時上游水位為29.5m,下游水位為27m,基坑高程13m,水位落差達(dá)16.5m,為減小圍堰過水帶來的堰體破壞,提前充水至上游主堰體堰頂高程29.5m以上,實(shí)現(xiàn)工程安全度汛。在二期泄水閘下游橫向圍堰靠混凝土縱向圍堰處設(shè)置非常溢洪道作為基坑預(yù)充水缺口,明渠為梯形斷面,充水缺口寬度初定20m,充水缺口高程▽26.0m,下部采用1.0m厚鋼筋石籠防護(hù),滿足圍堰及基坑抗沖防護(hù)要求。此外結(jié)合原廠房縱向圍堰遺留的粘土心墻,開挖了一個充水槽,充水槽長約25m,為板結(jié)粘性黃土,將水流導(dǎo)引至二期基坑,作為預(yù)備充水口。洪峰期間,基坑預(yù)設(shè)的2處充水口向基坑同時充水,預(yù)計(jì)充水達(dá)到29.5m高程歷時6h,充水即可達(dá)到預(yù)期效果。預(yù)充水與增加充水口的方式屬于大流量洪峰來臨時的應(yīng)急避險(xiǎn)措施,規(guī)避了石虎塘船閘圍堰及株洲泄水閘圍堰當(dāng)時因充水口斷面小或位置選擇不當(dāng)?shù)葐栴}而導(dǎo)致圍堰潰決的風(fēng)險(xiǎn)。

        4.3 過水堰護(hù)面結(jié)構(gòu)

        本工程二期圍堰汛期導(dǎo)流建筑物為左岸9.5孔泄水閘及寬約250m的上下游圍堰過水體臺形堰,根據(jù)模型試驗(yàn)及基坑充水后的汛期水力學(xué)計(jì)算成果,在設(shè)計(jì)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)條件下,堰面最大平均流速為2.9m/s,基坑最大平均流速1.4m/s。類似工程過水堰常采用較厚的混凝土護(hù)面或鋼筋石籠作為過流防沖消能結(jié)構(gòu),甚至設(shè)置鋼筋砼消能工防沖,成本較大。石虎塘及長沙樞紐采用噴射掛網(wǎng)混凝土與鋼筋石籠的方式,施工及搶修難度大,施工成本高,施工周期長,本次設(shè)計(jì)結(jié)合模型試驗(yàn)成果及采取的充水保護(hù)度汛措施,上游圍堰大膽采用了薄層混凝土護(hù)面的結(jié)構(gòu),在背水坡面采用石渣填筑料進(jìn)行坡腳蓋重,可取得理想的過流防沖效能效果。此外,在主堰體頂部設(shè)置砼齒墻,一定程度上也加了護(hù)面砼板的穩(wěn)定性。而上游圍堰迎水面及下游圍堰均采用適應(yīng)變形能力良好的拋投大塊石及石渣進(jìn)行護(hù)面。護(hù)面設(shè)計(jì)施工簡單,施工速度快,總體經(jīng)濟(jì)效能及實(shí)際應(yīng)用效果良好。

        5、導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

        按照合同文件規(guī)定:二期泄水閘工程枯期圍堰設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按枯期(8月~翌年3月)5年一遇洪水,相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為8610m3/s,相應(yīng)上游水位為33.0m,下游水位為31.0m,圍堰堰頂高程按照設(shè)計(jì)水位加波浪爬高值和安全超高值確定,由此確定上下游三枯枯水圍堰堰頂高程分別為34.2m及32.2m。

        二期圍堰截流戧堤斷面為梯形斷面,頂寬10m,可滿足3輛20t汽車同時卸料,戧堤頂高程按不低于截流后的上游最高水位。由此確定截流戧堤頂部高程為▽29.5m;截流戧堤頂寬10m,兩側(cè)邊坡坡比均為1:1.5。

        5.1導(dǎo)流工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        ⑴ 圍堰布置

        泄水閘工程圍堰均為枯水圍堰,包括三枯及四枯枯水圍堰。二期泄水閘工程圍堰包括上游橫向圍堰、下游橫向圍堰、右側(cè)土石縱向圍堰、左側(cè)混凝土縱向圍堰。橫向圍堰右側(cè)與廠房縱向圍堰連接,左側(cè)與縱向混凝土圍堰連接。

        上游圍堰起點(diǎn)在廠房縱向圍堰上游側(cè)距壩軸線約125m處,圍堰軸線長度約283m;下游圍堰從廠房下游圍堰終點(diǎn)向前延伸直至縱向混凝土圍堰,圍堰軸線長度約270m。

        ⑵ 圍堰結(jié)構(gòu)

        ① 三枯上下游枯水圍堰結(jié)構(gòu)

        迎水側(cè)及背水面邊坡坡比均為1:2,上下游枯期迎水側(cè)均采用0.6m厚塊石護(hù)坡,下設(shè)0.3m厚過渡層。

        按照招標(biāo)文件規(guī)定的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與模型試驗(yàn)成果,為節(jié)約施工工期,保障汛期度汛安全,參照類似地質(zhì)條件的湖南湘江土古塘航電樞紐工程,采用自潰式子堰代替圍堰拆除的方式:當(dāng)河流上游水位達(dá)到圍堰自潰子堰頂高程,主堰體堰頂高程以上子堰在上游過水時自潰,圍堰過水。在設(shè)計(jì)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)條件下,通過適當(dāng)?shù)难呙婕盎臃雷o(hù)措施是可以確保安全度汛的。當(dāng)汛期河水流量在8610m3/s以下時可繼續(xù)進(jìn)行二期泄水閘工程施工。要求自潰式子堰應(yīng)在汛期河水流量達(dá)到8610m3/s時能夠自潰,以滿足度汛要求。上游子堰高4.7m,堰頂寬度3m;下游子堰高5.2m,堰頂寬度3m。子堰采用黏土填筑,迎水面邊坡坡比為1:1.5,背水面為1:2,子堰兩側(cè)均采用0.5m厚石渣護(hù)坡。

        截流戧堤設(shè)置在上游圍堰,頂寬10m,戧堤頂高程▽29.5m,戧堤邊坡坡比均為1:1.5。

        二期右岸縱向圍堰上游側(cè)約60m、下游側(cè)約100m利用原廠房縱向全年圍堰(廠房縱向全年圍堰上游側(cè)拆除至▽34.20m、下游側(cè)拆除至▽32.20m)作為堰體,其余部分采用砂礫料與黏土填筑。

        考慮到本工程河床砂礫石覆蓋層較厚,且強(qiáng)透水性強(qiáng),泄水閘工程枯期圍堰堰基擬采用高噴防滲墻防滲,高噴防滲墻深入強(qiáng)分化巖石以下0.5m。

        ② 四枯枯水圍堰結(jié)構(gòu)

        四枯枯水圍堰在三枯枯水圍堰基礎(chǔ)上重建,結(jié)構(gòu)與三枯枯水圍堰一致。

        二期泄水閘工程圍堰三汛期間基坑過水需考慮充水保護(hù)措施,擬在二期泄水閘工程下游橫向圍堰靠混凝土縱向圍堰處設(shè)置非常溢洪道作為基坑預(yù)充水缺口,充水缺口寬度初定20m,充水缺口高程▽26.0m,采用0.5mC15混凝土護(hù)面,滿足圍堰及基坑抗沖防護(hù)要求。

        汛期過后,抽排基坑內(nèi)積水,恢復(fù)子堰,在圍堰保護(hù)下進(jìn)行后續(xù)工程施工。

        5.2二期圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

        ⑴ 圍堰邊坡穩(wěn)定分析

        圍堰填筑料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

        圍堰邊坡穩(wěn)定分析一般采用圓弧法和折線法,現(xiàn)采用折線法進(jìn)行分析。

        對于干坡或全部浸于水中的邊坡穩(wěn)定計(jì)算如圖。(過流標(biāo)準(zhǔn)10年一遇)

        設(shè)坡上一土粒重為Q,其滑動力為Qsinα,抗滑力為Qcosαtgψ,則穩(wěn)定安全系數(shù)為

        對于坡比為1:2砂礫石料邊坡,α=26.5650 ,ψ=300

        圍堰填筑材料穩(wěn)定系數(shù)見表2。

        對于部分浸水的邊坡滑動面,其計(jì)算方法有考慮和不考慮土塊間的作用力兩類,不考慮土塊間的作用力傳遞時,計(jì)算偏于安全,各土塊的抗滑力En和滑動力Ea的水平分力總和為

        計(jì)算成果見表3,結(jié)果表明二期泄水閘圍堰邊坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

        ⑵ 填筑料選取

        根據(jù)模型試驗(yàn),填筑二期圍堰戧堤時束窄過流斷面水流流速在1.19m/s~2.36m/s之間,戧堤填筑完畢后通過右側(cè)船閘與9孔泄水閘工程的明渠過流。綜合考慮棱體填筑的防沖指標(biāo),選取粗卵石及中漂石進(jìn)行填筑較為安全。

        各種水深情況下多種填筑材料允許抗沖流速見表4。

        6、圍堰汛期高效施工

        6.1 確定圍堰高噴參數(shù)

        新干泄水閘上下游圍堰體高噴防滲墻上部為人工回填土料、砂礫料、卵石等混合料,下部基巖為紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,高噴墻底部伸入基巖深度不低于0.5米。河道基巖地址條件較差,考慮河流施工期長時間沖刷,與截流拋填料粒徑影響,戧堤同時進(jìn)占,戧堤布置于下游減少對高噴質(zhì)量的影響,同時對高噴試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行提高,提升整體防滲墻施工質(zhì)量。

        6.2 汛期截流

        泄水閘工程三枯圍堰施工重點(diǎn)是河床截流。

        ① 截流標(biāo)準(zhǔn)

        三枯河道截流于2017年7月31日實(shí)施,截流流量為5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s。相應(yīng)水位為26.5m。

        ② 截流方式

        二期圍堰由于截流前混凝土縱向圍堰已形成,左岸無施工道路至混凝土縱向圍堰,故只能從右岸單向進(jìn)占,截流材料及戧堤進(jìn)占材料均由右岸提供。截流采用上下游戧堤同時進(jìn)占的截流方式,截流龍口設(shè)置在上游戧堤,從右岸(廠房縱向圍堰)向縱向混凝土圍堰推進(jìn),由于截流前左側(cè)砼縱向圍堰已經(jīng)形成,截流后左岸9孔泄水閘工程過流,為避免截流時高速水流對左岸混凝土縱向圍堰底腳的淘刷,在左岸混凝土縱向圍堰上下游混凝土刺墻處按設(shè)計(jì)斷面各提前預(yù)進(jìn)占20m,作為截流龍口的位置,以降低截流難度,做好堤頭裹頭塊石防護(hù),下游戧堤略滯后上游圍堰戧堤,以降低水位落差,平衡龍口上下游水位。最后在上游由右岸進(jìn)占立堵合龍。

        截流水力學(xué)指標(biāo)見表6

        單寬功率=水體容重×龍口單寬流量×龍口水位落差

        根據(jù)模型試驗(yàn)成果,截留期最終截流落差為0.3m,最大平均流速2.36m/s。

        ④ 非龍口段進(jìn)占

        從2017年6月開始,先從左岸混凝土縱向圍堰刺墻預(yù)進(jìn)占20m,堤頭采用塊石料進(jìn)行保護(hù),塊石料采用左岸泄水閘圍堰拆除料。同時在右岸從電站廠房上游全年圍堰沿二期圍堰戧堤軸線向左岸預(yù)進(jìn)占110m至龍口,并做好防沖裹頭,下游戧堤跟進(jìn)。

        ⑤ 龍口段拋石及預(yù)制砼六面體拋填

        根據(jù)模型試驗(yàn)成果,在設(shè)計(jì)截流標(biāo)準(zhǔn)下的龍口流速將達(dá)到1.15~2.36m/s,因此需在龍口部位用大塊石護(hù)底,根據(jù)水力學(xué)計(jì)算成果,塊石粒徑為30~50cm。為確保截流成功,通過預(yù)制60個單重7t的砼六面體在流速和水位落差較大的情況下拋填。每6個砼六面體串聯(lián)成整體后進(jìn)行拋投,最初流速較大沖刷嚴(yán)重,最終經(jīng)歷了6個小時的連續(xù)努力,圍堰成功截流。

        6.3 實(shí)施情況

        2017年7月21日二期泄水閘圍堰進(jìn)占,2017年8月10日圍堰截流,2017年9月15日圍堰閉氣,2017年11月20日,圍堰加高培厚完畢,具備驗(yàn)收條件。在7月贛江漲水的情況下,成功實(shí)現(xiàn)了汛期圍堰高效施工,樞紐二期泄水閘提前具備施工條件,圍堰進(jìn)占至圍堰閉氣僅僅用了55天,船閘與左岸一期泄水閘閘壩提前蓄水抬高了上游庫區(qū)水位,保證了后續(xù)贛江通航。二期導(dǎo)截流搞工程施工技術(shù)的成功應(yīng)用,泄水閘提前具備施工條件,相比原施工計(jì)劃提前13天進(jìn)行泄水閘底板混凝土澆筑,目前已經(jīng)完成二期13孔底板覆蓋,減少了工程度汛風(fēng)險(xiǎn)。對后續(xù)盡快恢復(fù)贛江生態(tài)、增加贛江流域水運(yùn)能力、改善贛江兩岸居民生活環(huán)境,降耗節(jié)能,減少碳排放,優(yōu)化社會產(chǎn)能結(jié)構(gòu),促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展均有積極意義。

        7、結(jié)語

        采用自潰式圍堰汛期填筑施工技術(shù)后,二期泄水閘混凝土澆筑較合同工期提前13天具備施工條件,預(yù)充水與增加充水口的方式屬于大流量洪峰來臨時的應(yīng)急避險(xiǎn)措施,規(guī)避了石虎塘船閘圍堰及株洲泄水閘圍堰當(dāng)時因充水口斷面小或位置選擇不當(dāng)?shù)葐栴}而導(dǎo)致圍堰潰決的風(fēng)險(xiǎn)。自潰式圍堰可以進(jìn)一步優(yōu)化圍堰結(jié)構(gòu),減少圍堰施工難度,適用于汛期快速施工。繼湖南土古塘自潰式圍堰后再一次成功應(yīng)用,具有施工快,安全的特點(diǎn),同時也帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會影響,為類似航電樞紐工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL303-2004);

        [2]《水電水利工程圍堰設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DL/T5087-1999);

        [3]《江西贛江新干航電樞紐工程施工導(dǎo)流、截流水工模型試驗(yàn)研究》;

        作者簡介:

        劉昌宇,(1989.08—),男,湖北宜昌,助理工程師,現(xiàn)從事水利水電工程現(xiàn)場施工技術(shù)管理,東北農(nóng)業(yè)大學(xué)08級水利水電工程專業(yè)。

        肖偉明,(1982.10-),男,湖北宜昌,助理工程師,現(xiàn)從事水利水電工程現(xiàn)場施工技術(shù)管理,三峽大學(xué)水利水電工程02級水利水電工程專業(yè)

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