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        曲河水庫大壩施工導流及度汛方案研究

        2020-05-18 07:43:28
        四川水利 2020年2期

        (內(nèi)江水利電力建筑勘察設(shè)計研究院,四川 內(nèi)江,641000)

        1 工程概況

        曲河水庫是四川省“十二五”開工建設(shè)的中型水庫,工程位于廣元市青川縣清江河上游曲河鄉(xiāng)境內(nèi),水庫集雨面積797km2,正常庫容4870萬m3,總庫容5925萬m3,調(diào)節(jié)庫容4256萬m3。工程開發(fā)任務是農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村生產(chǎn)生活用水、防洪、發(fā)電等綜合利用,設(shè)計灌溉面積6.15萬畝,供水人口13.9萬人,電站裝機容量為10MW。曲河水庫工程由水庫樞紐工程、關(guān)莊取水樞紐工程、灌區(qū)工程和電站工程組成,屬Ⅲ等中型工程。

        水庫樞紐由鋼筋混凝土面板堆石壩、開敞式溢洪道、泄洪(放空)洞等組成。大壩壩軸線全長226.0m,壩頂高程801.00m,最大壩高74.0m,壩頂寬度8.0m。正常蓄水位797.00m,設(shè)計洪水位798.90m,校核洪水位799.88m。溢洪道緊靠大壩右壩端布置,軸線長366.00m,由進水渠、控制段、泄槽段、挑流段和護坦組成。泄洪(放空)隧洞布置于大壩左岸山體內(nèi),隧洞長513.0m,進口底板高程758.00m,隧洞斷面為圓形,洞徑7.5m。工程于2014年6月動工修建,截止2019年3月,水庫樞紐主體工程已基本完成。

        圖1 曲河水庫總體布置

        2 施工導流及度汛方案研究

        2.1 導流方案擬定

        在進行導流方案擬定時,需確定各方案導流洞洞徑大小。導流洞洞徑大小與導流流量正相關(guān),一般導流流量越大需要的導流洞洞徑也越大。但在相同導流流量下,導流洞洞徑和圍堰高度呈負相關(guān),即導流洞徑越大,圍堰高度越小,導流洞洞徑越小,圍堰高度越大。因此,為確定最優(yōu)的導流洞洞徑,最終將體現(xiàn)在臨建投資上,即導流洞+圍堰投資最小時的導流洞洞徑為最優(yōu)。

        圖2 導流洞洞徑~投資關(guān)系

        根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)條件,現(xiàn)場左、右岸地形較陡峻,為典型“V”型河谷,河床寬度較窄,具備導流洞過流條件,導流洞可與泄洪(放空)洞采用“龍?zhí)ь^”結(jié)合,泄洪洞洞徑7.5m。結(jié)合工程實際情況,通過洪水特性分析,擬定全年圍堰導流方案、枯期圍堰汛期臨時壩體擋水方案、枯期圍堰汛期臨時壩體過流方案進行比較,三個方案各有優(yōu)缺點,現(xiàn)將各方案簡述如下:

        (1)全年圍堰導流(方案一)

        該方案圍堰需經(jīng)歷汛期,為增加施工保證率,導流標準取上限20年一遇(P=5%),相應導流流量為2060m3/s。由于導流流量較大,在利用左岸泄洪(放空)洞作導流洞的基礎(chǔ)上,需新增一條導流洞(洞徑7.5m)滿足施工導流要求。圍堰頂高程769.00m,頂寬5.0m,圍堰長130m,高度27m,圍堰填筑量15.9萬m3,工程施工總工期32個月。

        (2)枯期圍堰汛期臨時壩體擋水(方案二)

        該方案利用泄洪(放空)洞作導流洞,枯期導流標準為10年一遇洪水(P=10%),導流流量為82m3/s,度汛標準為50年一遇,度汛流量為2550m3/s。圍堰頂高程753.00m,頂寬5.0m,圍堰長65m,高度11m,圍堰填筑量1.8萬m3。圍堰使用時間為枯水期11月-次年4月,6個月的施工時間要求壩體填筑至大壩度汛高程,壩體度汛高程796.70m,臨時壩體地面以上高度58.7m,臨時壩體填筑量約85萬m3,臨時壩體填筑強度約29.7m3/月。工程施工總工期32個月。

        (3)枯期圍堰汛期臨時壩體過流(方案三)

        該方案導流洞前段洞徑為4.0m,后段利用泄洪(放空)洞??萜趯Я鳂藴蕿?0年一遇洪水(P=10%),導流流量為82m3/s,度汛標準為20年一遇,度汛流量為2060m3/s。圍堰頂高程753.00m,頂寬5.0m,圍堰長65m,高度11m,圍堰填筑量1.8萬m3,圍堰采用過水圍堰,使用時間自擋水開始~壩前混凝土面板澆筑完成為止。壩體過流面高程796.70m,臨時壩體地面以上高度15m,臨時壩體填筑量約23萬m3,臨時壩體填筑強度約9.5萬m3/月。工程施工總工期42個月。

        2.2 方案比較

        經(jīng)同精度技術(shù)經(jīng)濟比較,三個方案比較成果見附表。

        附表導流方案比較

        注:導流洞工程中不含與放空洞結(jié)合的部分。

        根據(jù)比較可知,方案一的臨建投資太大,經(jīng)濟上不合理;方案三臨建投資比方案二多151.53萬元,但方案二中臨時壩體擋水度汛的高程為796.70m,距離壩頂801.00m僅相差4.3m,填筑強度高達29.7萬m3/月,通過對料場開采、施工道路及施工場地等施工條件的分析,施工難以達到。方案三雖臨建投資較方案二略微增加,但臨時壩體填筑強度較低,僅9.5萬m3/月,同時也減輕了下一個枯水期壩體填筑壓力(填筑強度約12.1萬m3/月),因此,方案三合理可行。

        3 臨時壩體防護

        3.1 臨時過流壩體高程確定

        臨時過流壩體高程與施工導流規(guī)劃及工程進度安排密切相關(guān),根據(jù)水庫現(xiàn)場實際施工情況,4月上旬(汛前)臨時過流壩體全斷面填筑至753.00m。

        3.2 流速分析

        臨時壩體斷面高程為753.00m,壩體下游壩坡為1∶1.6,壩坡較陡,坡腳最低處高程約738.00m,高差較大達15m,臨時壩體過流時水流易在壩面與下游壩坡結(jié)合處(轉(zhuǎn)折)形成脫空,造成該部位淘刷嚴重并危害整個壩體,同時較陡的邊坡也將加大水流對壩腳的沖刷。因此,為使壩體過流時形成較好的流態(tài),降低對臨時壩體轉(zhuǎn)折處及壩坡的沖刷,考慮將壩體下游壩坡采用粒徑較大的大塊石放緩至1∶7,達到降低過流流速,簡化防護措施的目的。

        根據(jù)能量守恒定律,對壩面處斷面(斷面1)及壩坡處斷面(斷面2)分別列能量方程,則壩面處的動能和位能之和等于壩腳處動能+位能+斷面間的能量損失,而能量損失主要由兩斷面間的沿程摩擦與水躍消能組成,能量損失大小與接觸面的粗糙度、長度及水躍類型有關(guān)。兩段面能量方程如下:

        式中:μ為接觸面的摩擦系數(shù);L為兩斷面間的接觸面的長度;△E為水躍消能損失;θ為坡角。

        通過對壩面過流過程分析,經(jīng)計算,得出下游壩面的流速為7.8m/s~10.6m/s之間,流速較大,需采取相應措施加以保護,保證安全。

        3.3 防護設(shè)計

        3.3.1 上游壩坡防護

        大壩采用混凝土擠壓邊墻施工方法,由于擠壓邊墻強度不高,為防止上游壩坡表面及部分壩面淘刷,考慮在上游壩坡上部坡面采用10cm厚C20混凝土壓面,上游壩坡的防護底高程為747.00m,滿足上游壩坡的保護要求。

        3.3.2 壩面防護

        經(jīng)計算,壩面的平均流速為2.52m/s~2.84m/s,流速相對較小。壩體填筑材料有墊層料、過渡料、主堆石料及次堆石料等,各種壩料粒徑各不相同,既有粗顆粒也有細顆粒,是本工程的重點防護對象。為防止壩面沖刷,保證壩體穩(wěn)定,在壩面采取碾壓20cm厚的C20混凝土進行防沖保護,汛期上游來水經(jīng)防護后的壩面過流。

        3.3.3 下游壩坡防護

        下游壩坡流速達7.8m/s~10.6m/s,流速較大,根據(jù)工程實際經(jīng)驗,格賓石籠在工程上應用的實際流速一般為8m/s~10m/s左右,可采用格賓石籠對下游壩坡進行防護,且格賓石籠之間采用鋼絲連成整體,并具有一定柔性,能適應一定的變形。因此,下游壩坡防護在做好1m厚干砌塊石(原壩體)的基礎(chǔ)上,回填大于0.5m的大塊石放緩大壩下游壩坡至1∶7,其1∶7坡面上再鋪設(shè)1.0m厚的格賓石籠網(wǎng),在下游坡腳采用深3m,寬2m的格賓石籠網(wǎng)壓腳,防止水流淘刷。

        圖3 臨時壩體防護設(shè)計

        3.4 運用效果

        臨時壩體于2016年汛期安全度汛,未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和安全事故,實踐證明曲河水庫采用臨時壩體過流度汛的方案是科學合理的。

        4 結(jié)語

        水庫工程汛期度汛不僅關(guān)系到工程本身安全,更關(guān)系到水庫下游沿線人民群眾的生命財產(chǎn)安全,因此,做好水庫工程汛期安全度汛工作是施工中的重中之重,需選擇科學合理、技術(shù)可行、經(jīng)濟適用的度汛方案。通過曲河水庫臨時壩體過流的成功經(jīng)驗,對汛期流量大,枯期流量小,洪水暴漲暴落的山區(qū)性河流上修建的堆石壩,當壩體填筑強度難以在一個枯水期填筑至度汛高程時,可通過對臨時壩體進行臨時過流防護,達到安全度汛要求,可以取得較好的經(jīng)濟效益。

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