松涛水利枢纽设计

河北工程大学毕业设计PAGEPAGE87目录1基本资料 41.1工程概况 41.2施工场地及运输条件 51.3气候特征 51.3.1气温 51.3.2降雨 51.3.3冰期 71.3.4风向与风速 71.4水文条件 71.5工程地质条件 81.6当地建筑条件 91.7坝体混凝土主要特征 91.8其他资料 92施工导流设计 112.1施工导流的方式及适用条件 112.1.1分段围堰法导流 112.1.2全段围堰法导流 112.1.3淹没基坑法导流 122.1.4导流方案的选定 122.2导流方案选择 132.2.1水文特性 132.2.2导流方案的拟定 142.2.3导流标准 152.2.4导流时段的划分 153.隧洞设计 173.1导流隧洞的布置 173.1.1隧洞路线的选择与布置原则 173.1.2隧洞的布置 183.2隧洞的断面形式与尺寸选择 183.3隧洞的进口高程及坡降 193.4隧洞的进口设计 203.5隧洞的出口设计 213.6隧洞的气蚀破坏及防止措施 213.7围堰介绍 213.7.1常用的围堰型式及适用条件 223.7.2围堰形式的选择 233.7.3围堰的平面布置 243.8土石围堰设计 253.8.1土石围堰的结构形式 253.8.2土石围堰填料选择 263.9土石围堰断面尺寸设计 273.9.1上、下游围堰断面尺寸设计 273.9.2堰顶宽度及围堰边坡拟定 293.10围堰的拆除 314导流隧洞的水力计算 324.1隧洞截面参数 324.2流态判别 324.2.1一号隧洞的流态判别(短) 324.2.2二号隧洞的流态判别(长) 344.3隧洞泄流能力计算 354.3.1自由出流泄流能力计算 354.3.2半有压流水利计算 374.3.3有压流水力计算 384.3.4各种流态的泄流计算成果 384.4调洪演算 394.5上下游围堰高程的确定 425导流隧洞施工 455.1隧洞施工方式的比较及选取 455.2隧洞开挖方法 465.2.1隧洞开挖方法的确定 475.3光面爆破开挖设计 485.3.1掏槽爆破的形式 485.3.2炮孔形式 495.3.3炮孔的布置 505.4钻孔爆破基本参数 505.4.1单位岩体炸药消耗量 505.4.2开挖断面钻孔数量 515.4.3爆破参数 515.4.4上层导洞炮孔参数成果表 545.5导洞中下层大断面深孔爆破设计 545.5.1深孔爆破梯段高度及单位耗药量 545.5.2深孔爆破其他参数 545.6出渣方式与设备的确定 555.6.1装渣与运输方式选择 555.6.2出渣运输方式的选择 565.6.3出渣设备选择的基本原则 565.6.4无轨运输装岩设备选择 575.6.5无轨运输车辆的选择 575.6.6弃渣场规则要求 575.6.7出渣装挖设备生产率计算 585.7开挖循环作业 635.7.1开挖循环作业 635.7.2循环作业时间 645.7.3开挖作业循环的编制 666隧洞的喷锚支护设计 676.1新奥法施工的基本原理 676.2隧洞的喷锚支护设计 676.3锚杆形式的运用及计算 686.3.1锚杆形式的选用 696.3.2楔缝式锚杆参数 696.4喷混凝土施工工艺及流程 716.4.1喷混凝土施工工艺 716.4.2施工技术要求 717隧洞封堵 737.1封堵体位置及结构体形 737.2堵头长度和稳定计算 738施工进度 768.1施工总进度的任务 768.2施工进度表示类型 768.3地下工程施工进度 768.4隧洞工程 778.5施工的进度的编制 778.5.1开挖进度 778.5.2混凝土衬砌进度 788.5.3回填与固结灌浆进度 788.5.4施工进度计划表的绘制 789施工总布置 809.1施工总布置概述 809.1.1施工总布置应着重研究 809.1.2施工总布置的原则 809.1.3基本资料 809.2内外交通 819.2.1对外交通 819.2.2场内运输 819.3大型施工设施 819.3.1左岸砂石料系统 819.3.2右岸混凝土拌和系统 829.4辅助企业和仓库 82参考文献 841基本资料1.1工程概况松涛水利枢纽位于柳河干流上的松涛峡，系一级建筑物，由河床混凝土重力坝、溢洪道，右岸土坝和坝后厂房等部分组成。枢纽主要任务是发电，共装三台机组，每台机组15万千瓦，发电的最低水位为500米，相应库容19.5亿立方坝址距下游的仙州市河道长约100公里，直线距离约50公里，坝址附近皆为高山峡谷地区。松涛峡长约枢纽选定坝址位于峡谷尾部，距峡谷出口约1.7公里，坝区河床两岸山坡陡峻，成V字形。左岸坡度45°～80°，陡缓相间；右岸坡度60°～85°坝址河床高程一般为410米，枯水季一般水位为418米，河面宽50～60米，深化偏右岸，最深约10米。坝址左岸山峰起伏高出河面约150米以上。右岸坝头附近为一狭小丘陵阶地，高出河面约110米自峡谷出口起，两岸地势逐渐开阔，呈狭长的二级阶地，高程约430～440米，沿柳河右岸距坝址约8公里坝内河谷两岸有很多冲沟，左岸主要有坝址下游200米处的滑沟；右岸主要有坝址上游150米处的红柳沟，下游的刘家沟、金沟和银沟等。这些冲沟切割既深且短，均系沿断层及节理裂隙发育而成，与河谷多成70°～80坝区附近可供施工场地布置的地段，有右岸李家沟，峡谷出口下游右岸的明坝和左岸的易家湾等阶地，各地段特性如表1·1所示。表1·1各地段特性表顺序名称位置距坝址离（公里）可利用面积(平方公里)高程（米）1李家沟右岸坝址下游1．51．2565～5802明坝右岸坝址下游2．50．5430～4403易家湾左岸坝址下游3．00．3430～4404旧镇右岸坝址下游8．02．0425～4601.2施工场地及运输条件仙州市到松涛的公路线为六级公路，已建成通车，路线全长约50公里1.3气候特征1.3.1气温本区为大陆性气候。多年平均温度为9.6℃，月平均最高温度为22.9℃，最低为－6.5℃；绝对最高为39.1℃，绝对最低为-23.1℃，日最小变幅1.3表1·2坝区1953～1988年气温（℃）特征项目月份日平均最高绝对最高日平均最低绝对最低月平均17.513.8-18.3-23.1-6.5214.917.5-15.4-22.1-1.6322.526.9-7.9-16.35.5428.433.2-2.9-8.412.0532.735.53.20.117.4634.236.58.52.921.0735.939.111.79.322.9834.438.310.65.421.5929.131.95.30.516.41023.628.0-2.5-6.610.11117.421.6-10.4-15.31.8127.610.9-15.7-21.6-5.31.3.2降雨本地区雨量稀少，年平均降水量为330.1毫米，最大达471.9毫米，其中60～70％集中在7～9月，最大日降雨量为71.8毫米。最长一次降水延续时间4降雪一般于11月下旬开始，最大一次为20毫米，积雪最大厚度为6厘米，积雪日期一般从11月下旬到次年3月上旬，年平均积雪日数为21.6日，土壤冰结深度约本地区降水统计资料如表1·3和表1·4。表1·3坝区1952～1988年各月降水量（毫米）月份项目123456789101112全年平均1.32.97.913.932.538.362.389.856.619.03.92.0330.5最大16.99.023.427.763.8103.2126.7218.4108.950.613.69.1471.9最小0700.32.15.018.633.212.20.500210.8表1·4坝区1985～1988年各月不同降水量出现天数统计表降水量月份（天数）全年（天数）1234567891011125mm以下最多6571318201617118515112最少12461112612951393平均4.32.35.78.7151712149.772.76104.35mm以下最多00002345520016最少0000112311007平均000011.73421.70012.310mm以上最多0000011421006最少0000011210001平均000000.30.7210.3004.320mm以上最多0000001110002最少000000000.70001平均0000000.30.30.70001.71.3.3冰期每年11月底或12月初行凌，12月底封冻，次年2月底或3月初解冻。冰冻期约2～3个月。冬季行凌初期，多为针状，薄片状冰化闭。流冰速度最大为1.45米／秒，最小为0.95米／秒。春季流冰多为坚硬冰块，冰厚一般为0.2米1.3.4风向与风速本地区春季多风，最大风速为17m／s，风向多为东北向。1.4水文条件柳河的年最小流量多发生在1、2月份，3月份上游开始融雪化冰，流量渐增，6月份以后即进入汛期。年最大流量一般发生在7～9月间。坝址区实测最大流量为5640，最小流量为205，多年平均流量为830；河水含沙量最大达5（7～9月），最小为0.01（1～2月）。峡内流速最大为7m／s，最小为0.8m／s。其流量特征资料列于表1·5和1·6。表1·5坝址水文站各月不同频率的瞬时最大流量（）频率月份1％2％5％10％20％14854624304043702405393371356334372368061556850741310121010709568395235021101816158013206481042703570373024707547049204210365030908513046704030355030209638056204610387031101037003410301027002370111750165015201410129012796759701659601全年63905870513045603810表1·6坝址水文站不同频率的月平均流量（）频率月份1％5％10％20％85％134832732226521823453383272692293469432410300240458649945832733259595694804253546112071160748240671890102088278562081250105076058053691140870695541480109596305474133851169257948940032812430421406378285全年8406385534464021.5工程地质条件坝区为高山峡谷区。狭谷由震旦纪变质岩构成，其上部为第四纪砾石岩，含砂砾石层及黄土。柳河流向，在坝址附近转为S260°W，河谷呈弯曲形。河谷两岸变质岩顶板出露标高，左岸约520米，右岸约515米。在标高515米坝址区及上下游河床覆盖层厚5~12米。表面0.3米左右为黄土覆盖，以下均由卵砾石夹粗、中砂等物构成。河床靠右岸有一深槽，顺河呈长条状分布，深槽处水深约10米，覆盖层厚10~12米，此深槽系河水沿构造裂隙侵蚀冲刷而成。坝址河谷及两岸的变质岩主要由云母石英片岩和角闪岩组成，石质坚硬，相当于16级岩石分类中的第X级岩石，普氏系数f=8云母石英片岩极限抗压强度为1000～1200，角闪片岩极限抗压强度为900～坝址右岸距河边480米处，有一天然冲刷的鞍状地形，溢洪道即建此处，该处系古河道的遗址，两侧有大小冲沟数条，与它成70°～80°此坝址处水文地质情况，地下水属裂隙补给水，数量很少，主要在构造裂隙及局部破碎带内。在坝区变质页岩中还有裂隙承压水，稳定水位432～446米，单宽涌水量一般为3，最大为120，随岩石裂隙发育程度、联通情况和深度而变化。松涛是地震波及区，据上级主管部门提出的松涛水利枢纽地段的地震基本烈度为7度。1.6当地建筑条件坝址上、下游均有砂石材料。特别是坝址下游藏量丰富，开采运输比较方便，质量一般皆符合要求，只有砂质土尚未找到理想的产地，必要时可以采用两岸的黄土代替。1.7坝体混凝土主要特征坝体混凝土的设计龄期为90天，水工设计中内部混凝土用100＃，外部混凝土用150＃。总混凝土用量比为0.75比0.25。坝体混凝土的配合比见表15。混凝土的容重为2400。混凝土的热学指标及各种材料的热学性能见表1·7表1·8。表1·7混凝土的热学指标比热C（大卡／公斤℃）导温系数a（米2／小时）导热系数λ(大卡／米·小时·℃)热交换系数β(大卡／米2·小时·℃)0.210.00482.410表1·8混凝土各材料的比热材料名称水水泥砂子粗骨料C比热(大卡／公斤·℃)1.000.140.190.20混凝土采用600＃纯熟料水泥，水泥最终水化热为67大卡／公斤，水泥放热速率m=0.384／天。1.8其他资料地方工业、住宅、卫生福利和劳动力来源仙州市，有些地方工业可以利用，这些地方工业可考虑在施工期间委托进行部分加工和修配工作。坝区附近村镇不多，且民房数量不多，只能在明坝村和李家台村用少量民房作为工人临时住宅。而其它福利设施及住宅需要建设。施工期间大批的生活物资和粮食、燃料、日用品等，均需从仙州市运来，当地只能解决副食品和部分粮食等供应。施工期间施工队伍由公开招标选定。施工用电：初步估计仙州市可供应量最高负荷约1.2万千瓦。坝址区地下水硫酸根（）含量约2000～3000毫克／升，对一般水泥有硫酸盐侵蚀性。因此基础混凝土有抗硫酸盐侵蚀的要求，铝酸三钙的含量应小于5％。地下水不宜作为工程用水和生活用水。河水除含沙外，无其它杂质，经沉淀处理后可作为工程和生活用水。2施工导流设计施工导流是在江河上修建水利水电工程时，为了使水工建筑物干地上施工，需要用围堰维护基坑，并将水流引向预定的泄水道往下游宣泄的一种工程措施。施工导流设计的主要任务是周密地分析研究水文、地形、地质、水文地质、枢纽布置及施工条件等基本资料，在保证上述要求的前提下，选定导流标准，划分导流时段，确定导流设计流量；选择导流方案及建筑物的型式；确定导流建筑物的布置构造及尺寸；拟定导流建筑物修建、拆除、堵塞的施工方法以及截断河床水流、拦洪度汛和基坑排水等措施。2.1施工导流的方式及适用条件施工导流的方式大体上可分为三类，即分段围堰法导流，全段围堰法导流和淹没基坑法导流。2.1.1分段围堰法导流分段围堰法亦称分期围堰法，即用围堰将水工建筑物分段，分期维护起来并进行施工的方法。所谓分段，就是在空间上用围堰将建筑物分为若干施工段进行施工。所谓分期，就是在时间打夯用围堰将建筑物分为若干期。段数分的愈多，围堰工程量愈大，施工也愈复杂。同样，期数分的愈多，工期有可能拖得愈长。因此，在工程实践中，二段二期导流用的最多。分段围堰法导流一般适用于河床宽，流量大，工期较长的工程，尤其适用于通航河流和冰凌严重的河流。这种导流方式的费用较低，国内外一些大，中型水利水电工程采用较广。例如，中国湖北葛洲坝和三峡，江西万安，辽宁恒仁，浙江富春江，广西大化等水利枢纽工程都采用这种导流方式。分段围堰法导流，前期都利用被束窄的原河道导流，后期要通过事先修建的泄水道导流，常见的有以下几种：底孔导流，坝体缺口导流，束窄河床和明渠导流。2.1.2全段围堰法导流就是在河床主体工程的上下游各建一道断流围堰，使水流经河床以外的临时或永久泄水道下泄，主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。全段围堰法导流，一般适用于山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实的河谷地段。其泄水道类型有以下几种：隧洞导流，明渠导流，涵管导流。2.1.3淹没基坑法导流这是一种辅助导流方法，在全段围堰法和分段围堰法中均可使用。尤其适用于洪水流量大，历时短，而枯水期流量则很小，水位暴涨暴落，变幅很大的山区河流。上述各种导流方式，应根据工程概况具体分析，在实际工作中由于枢纽布置，建筑物型式以及施工条件不同，必须进行恰当的组合，灵活运用，才能合理解决一个工程在整个施工期间的导流问题。（依据松涛水利枢纽工程的特点河床比较窄，且无通航要求，适合采用全段围堰法导流）2.1.4导流方案的选定选择导流方案时应考虑下列因素导流方案的选择受多种因素的影响，一个合理的导流方案，必须在周密研究各种影响因素的基础上，拟定几个可能的方案进行技术经济比较，从中选择技术经济指标优越的方案。选择导流方案时应考虑的主要因素如下：（1）水文条件。河流的流量大小，水位变化的幅度，全年流量的变化情况，枯水期的长短，汛期洪水的延续时间，冬季的流冰及冰冻情况等，均直接影响导流方案的选择。一般来说，对于河床宽，流量大的河流宜采用分段围堰法导流。对于水位变化幅度大的山区河流，可采用允许基坑淹没的导流方法，在一定时期内通过过水围堰和基坑来宣泄洪峰流量。对于枯水期不长的河流，如果不利用洪水期进行施工，就会拖延工期。对于有流冰的河流，应充分注意流冰的宣泄问题，以免流冰壅塞，影响泄流，造成导流建筑物失事。（2）地形条件。坝区附近的地形条件，对导流方案的选择影响很大。对于宽阔的河流，尤其在施工期间有通航，过伐要求的河流，宜采用分段围堰法导流。当河床中有天然石岛或沙洲时，采用分段围堰法，更有利于围堰的布置，特别是纵向围堰的布置。在河床狭窄，河岸陡峻，山岩坚实的地区，宜采用隧洞导流。至于平原河道，河流的两岸或一岸比较平坦，或有河弯，老河道可资利用，则宜采用明渠导流。（3）地质及水文地质条件。河道两岸及河床的地质条件对导流方案的选择与导流建筑物的布置有直接影响。若河流两岸或一岸的岩石坚硬，风化层薄，且抗压强度足够时，则选择隧洞导流较有利。如果岩石的风化层厚且破碎，或有教厚的沉积滩地，则适合采用明渠导流。此外，选择围堰型式，基坑是否允许淹没，能否利用当地材料修筑围堰等等，也都与地质条件有关。水文地质条件则对基坑排水工作，围堰型式的选择，导流泄水建筑物的开挖等有很大的关系。因此，为了更好地进行导流方案的选择，要对地质和水文地质勘测工作提出专门要求。（4）水工建筑物的型式及其布置。水工建筑物的型式和布置与导流方案的选择相互影响，因此在决定水工建筑物型式和布置时，应该考虑并初拟导流方案，而在选定导流方案时，则应该充分利用建筑物型式和枢纽布置方面的特点。（5）施工期间河流的综合利用。施工期间，为了满足通航、伐运、供水、灌溉、生态保护或水电站运行等要求，使导流问题的解决更加复杂。在通航河道上，大都采用分段围堰法导流。要求河道在束窄以后，河宽仍能便于船只的通行水深要与船只吃水深度相适应，束窄断面的最大流速一般不得超过。2.0米/（6）施工进度、施工方法及施工场地布置。水利水电工程的进度与导流方案密切相关。通常是根据导流方案安排控制性进度计划。在水利水电枢纽施工导流过程中，对施工进度起控制作用的关键性时段有：导流建筑物的完工期限，截断河床水流的时间，坝体拦洪的期限，封堵临时泄水建筑物的时间，以及水库蓄水发电的时间等。各项工程的施工方法和施工进度直接影响到各时段中导流任务的合理性和可能性。在选择导流方案时，除了综合考虑以上各方面因素外，还应使主体工程尽可能及早发挥效益，简化导流程序，降低导流费用，使导流建筑物既简单又适用可靠。2.2导流方案选择2.2.1水文特性松涛水利枢纽坝址河段径流量主要来自降雨，以及融雪的补给。洪水由暴雨形成，汛期为6月至10月，河谷水位暴涨，暴落。多年各月平均流量，最大流量和最小流量见表2·1，各频率施工洪水成果见表2·2。表2·1坝址多年流量统计表（单位：m3／s）20年一遇月份123456789101112全年月最大流量430371615107018163570421040304610301015207015130月平均流量32733843249956971110201050870630579421638表2·2坝址施工洪水成果表频率1%2%5%10%20%全年最大流量（m3／s）6390587051304560381011.1～5.312050192017501610145011.16～5.10134012701170109099710.1～6.304710429037103260279010.16～6.1528402670243022402020月平均流量116925794894001243042140637813483273222652345338327269346943241030045864994583275959569480425611207116074822.2.2导流方案的拟定在水利水电工程导流方案的选择时，要考虑地形，地貌，水文特性，工程主体的形式和布置，施工因素等诸多因素，其中地形和地貌条件往往是决定导流方案的主要因素。松涛水利枢纽选定坝址位于峡谷尾部，距峡谷出口约1.7公里，坝址河床两岸山坡陡峻，成V字形，河床的宽度较窄，故不宜采用分段围堰导流。同时综合坝址处的地形和地貌特征，此枢纽也不具备开挖明渠，采取明渠导流的条件。主要因为坝址处的垭口处于高程较高处（处于520m以上，高出河床10m坝址河谷及两岸的变质岩主要由云母石英片岩和角闪岩组成，石质坚硬，相当于16级岩石分类中的第X级岩石，在岩石地质条件上具备了开挖隧洞的条件。一般情况下，坝型和河谷地形往往是导流方案选择的主要条件之一，此工程河床坝段采用混凝土重力坝。以坝长与坝高的比值η=L／H，表示河谷形状系数。据统计分析和工程经验，对于混凝土坝，η<3适合一次拦断截流和隧洞导流。经计算，松涛水利枢纽坝址所在地河谷状系数η=1.63<3,故适宜采用隧洞导流。虽然隧洞的投资高，但前期项目的施工干扰小，因开挖出渣，混凝土浇筑时段分散，总体强度不高，截流工期有保证，风险明朗，有利于防范。综合考虑比较，初步拟订隧动导流方式总体上是可行的，且优于其他导流方案。本设计最终决定采用隧洞导流。参考以往的工程经验和工程实例，在河谷地段，洪水期洪水多为暴雨形成，河谷水位暴涨暴落，可采用的围堰形式有过水和不过水围堰。采用过水围堰在技术上是可行的。但在本工程中，过水围堰对基坑冲刷严重，采用的浇注设备安装期较长，过水围堰的方案会拖后设备的安装和使用，影响工期较大。所以本设计采用不过水围堰，不过水围堰又分为全年挡水围堰和枯水期挡水围堰，两种围堰的选择比较详见围堰设计。2.2.3导流标准松涛水利枢纽系Ⅰ级建筑物，根据《水利水电工程施工组织设计手册》（I）表2-3-1的划分标准及表2-3-2的洪水标准，保护永久建筑物的导流建筑物级别为Ⅲ级，相应的设计洪水标准为20年一遇。枯水期挡水围堰的标准与全年挡水围堰按同样标准设计。见表2表2·3导流标准表项目枯水期围堰当水方案全年围堰挡水方案挡水时段11月-5月全年设计标准20年一遇20年一遇设计流量117051302.2.4导流时段的划分全年挡水围堰设洪水标准为20年一遇对于枯水期挡水围堰方案的导流标准，根据《水利水电施工组织设计手册》（Ⅰ）的规定，并结合现场实际情况选用枯水期20年一遇的洪水。当选择采用挡水围堰时，须对枯水期施工时段进行选择时段短时，导流流量小，导流建筑物布置和施工简单，造价低，但基坑施工期较短，施工强度大；时段长是，对施工进度有利，但导流建筑物规模大，造价高，施工难度大。因此，须对进行导流设计和施工有效工期的综合比较，选定也是选择导流的重要因素之一。枯水期时段的划分见小表2·4。表2·4枯水期时段比较施工期枯水段的选择枯水施工时段（月.日～月.日）项目单位11.1～5.3111.16～5.1010.1～6.3010.16～6.15设计最大流量m3／s1750117037102430截流难度简单较简单较困难困难施工有效时间月6587由上表可知，在时段选择的分析结果中，在一和枯水期内完成截流，基坑排水，基础开挖和围堰的施工是可行的。选择11月16日～5月3.隧洞设计3.1导流隧洞的布置3.1.1隧洞路线的选择与布置原则本设计采用隧洞导流，但隧洞的选择与合理布置，对减少工程量，降低造价，方便施工，缩短工期等关系很大。隧洞的布置主要考虑地形和地质条件，水流流速和流态要求。枢纽水工建筑物的布置及是否与永久建筑物结合等。一般要求如下：（1）充分利用地形条件，尽量使洞线最短。当坝址位于河湾地段时，宜将隧洞布置在凸岸，成直线布置。如无河湾，利用冲沟布置进口，也能使洞线顺直。（2）当洞线必须转弯时，应尽量避免急转，其弯曲半径一般不小于5倍洞宽转角不宜大于60°，即弯道切线交角不宜小于120°。曲线段首尾均应保持直线段连接，直线段长度不小于5倍洞宽为宜。（3）为使水流顺畅，防止出口水流冲刷对岸及进出口对上下游围堰的影响，出口段洞线与河道主流方向的交角一般不大于30°为宜，进口段交角视具体情况可适当放宽。当有通航、放木要求时，其交角应按通航等要求确定。进、出口距围堰堰脚应有一定的安全距离，一般不应小于10～20m。（4）洞线应尽量选择在岩石新鲜，岩性坚硬，断层较少，裂缝不发育的地层，避免通过较大断层破碎带。洞线方向与岩层走向尽量呈正交，交角一般不小于45°为宜。避开不利地质构造。（5）进出口位置，在选择洞线的同时，应放在地质条件较好的部位，以利洞口稳定。从地形上看，一般选择在坡度较陡，岩石出露的位置为好，避免明挖过大，进洞困难。进洞处顶部岩层厚度一般在1.0～3.0倍洞径之间。（6）进出口高程选择，需考虑：截流，通航，放木要求封堵条件，泥沙淤积或磨损，方便施工等。一般情况，截流与通航、放木均要求进口高程低一些，通常取枯水位以下1.0～1.5m。如果高程过低，可能造成泥沙淤积或门槛磨损，影响封堵闸门沉放，对施工出渣、排水也不利。（7）隧洞底坡的选择与进出口高程密切相关，常取1‰～4‰，也有采用平底的。对于无压隧洞，加大底坡可增大泄水能力，应设计成陡坡为好，对于有通航放木要求的河道，底坡不宜过大，宜设计成缓坡。（8）隧洞应有足够的埋深。局部地段（如通过冲沟，垭口时）的最小埋深一般不小于3倍洞径。隧洞与永久建筑物的距离应尽量避免相互影响，必要时，需采取适当措施。（9）当导流隧洞与永久隧洞结合时，其布置还应满足永久建筑物的要求。3.1.2隧洞的布置综上所述结合本工程设计资料及地形图，综合分析：左岸靠右岸岸坡陡峭，且为河湾突岸，右岸也较陡，但河床靠右岸有一深槽，深槽处水深约10米，覆盖层厚约10—12米，此深槽系河水沿构造裂隙侵蚀冲刷而成。若布置在右岸，需挖明渠，使冲沟中的积水引入河道，同时为防止围堰的冲刷，需要设挡水设施，增加施工难度和施工经费。故经比较选择在左岸开挖隧洞。同时为便于组织施工，节省人力物力，免修大型施工桥，将两条隧洞布置在一岸。又由水文资料知此河流量不是很大且无通航及其他要求，故两条隧洞采用相同断面，底坡取4‰，因含沙量大，为防止泥沙淤积或门槛磨损，本着无通航等要求的河道在截流许可的条件下，进出口高程应尽量高些的原则，进口高程取枯水位以下1.0米，即418.0—1.0=417.0米3.2隧洞的断面形式与尺寸选择隧洞的断面形式与尺寸的选择，应首先考虑隧洞的工作状态。导流隧洞常有明流和压力流两种工作状态，明、压流交替不可避免。即使前期导流按明流设计，中、后期施工渡汛也可能成为压力流。因此，隧洞断面形式与尺寸，不仅满足前期导流，还必须考虑中、后期施工渡汛的要求。在一般情况下，都按压力流设计，也有少数设计成明流。由于明、压流交替过度段的流态极不稳定，隧洞工作状态的设计，应力要求避免在围堰最高挡水位置发生明、压流交替过度状态。常用的隧洞断面形式有圆形、马蹄形、拱门形等，应根据地质条件、水利条件（有压、无压、水头的大小）、截流和通航要求、方便施工等经过技术比较确定。对于拱门形断面，由于底部过水面积大，有利于截流、通航、放木、施工也比较方便。调整高宽比还有利于围岩的稳定。其高宽比一般用1.0～1.7，顶拱圆心角为120°～180°，据统计，国内导流隧洞单位面积的过水流量一般在6～20m3／（s·m2）之间。初步拟定拱形断面尺寸：顶拱圆心角取为120°直墙高宽比=1.25。本设计采用全年挡水围堰，其设计流量为5130m3／s，取隧洞单位面积的过水流量为18m3／（s·m2），则所需隧洞的过流面积为：A=（3·1）将Q=5130m3／s，V=18m3A=285本设计采用两条隧洞泄流，故所需单条隧洞过流面积：m2断面尺寸计算过程：如图3·1，令弧形半径R=2f，则根据几何关系可得f=3.08，取f=3.1m，则底宽：底高：考虑到隧洞衬砌等实际情况，需要适当加大隧洞的开挖面积，故取L=11m,h=13.5m。孔高H=h+f=16.6m，适当的拱高f=3.1图3·1隧洞断面3.3隧洞的进口高程及坡降由于水利枢纽属于大型建筑物，坝址河床高程为410m,隧洞处顶部岩层通常在1～3倍的洞径之间。因为没有通航、放木等要求，河中含沙量大，最大约为5kg/m3,考虑到泥沙的淤积，进口高程选在枯水位以下1m，即418对于无压隧洞的底坡取决于进口高程，为了自流排水，便于检修，底坡应于2‰，为了便于开挖出渣河衬砌施工，有轨运输的隧洞底坡宜小于1%.经综合分析考虑，本设计采用底坡为4‰。有松涛水利枢纽坝址区地形图上量的布置导流隧洞的长度，一号洞=590m，二号洞=7201号洞：417-4‰=414.64m2号洞：417-4‰=414.12m3.4隧洞的进口设计洞口的位置，取决于地形，地质条件，洞顶岩层厚度应满足隧洞的要求。通常尽量减少明挖，避免开挖高边坡，不仅有利于缩短工期，在经济上也是合理的。进口段采用塔式建筑物，在山坡前的水库里建造封闭式的塔，塔顶设置操纵室和启闭机的进口结构形式。封闭式塔身横断面可以是矩形，圆形。本设计采用矩形断面，由于隧洞进口位置覆盖层较薄，不能满足结构稳定要求，塔式进水口能够满足要求。良好的进口形状，对于提高泄流能力和防止气蚀破坏具有明显的效果，在闸门前设置渐变段，渐变断的长度通常为1～3倍洞宽，采用椭圆曲线，即：（3·2）式中：a,b分别为椭圆的半长轴和半短轴依据《水利水电施工组织设计手册》（Ⅰ）表2-4-8即表3·1,表3·1推荐值表a／h0.88～1.41.4～2.12.1～2.422.42～3.0a／b2.02.53.03.5对于两侧和顶部收缩的矩形空口，一般采用=1.0～1.5（h为孔高），=3～4，本设计h=16.6m，取=1.5，则a=1.5h=1.516.6=24.9m，取a=25.0m，由表2-5查得=2.5则：所以椭圆曲线方程为：（3·3）隧洞进口段是由喇叭口段的矩形逐渐演变成拱门形，为了使水流连接平顺，减少水力损失，渐变段长度一般不小于1～3倍的洞宽，故取渐变段长为30m。其进口形状见图3图3·2进口断面渐变形状3.5隧洞的出口设计隧洞出口的布置，应保持水流的良好衔接，达到消能防冲的目的，出口的高程和型式，不仅影响出口的水流状态，而且影响洞内的流态。因此，出口型式与布置，应同进口及洞内的流态成为整体考虑，并通过水工模型试验验证。水头较低时，出口演变不需要设置特殊的消能设施。由于松涛水利枢纽坝址区隧洞出口处，岩石坚硬，隧洞的出口布置，应保持水流的良好衔接，达到消能，防冲的目的。故本设计采用扩散消能的形式，扩散消能的扩散角一般采用5°～7°，本设计扩散角为6°。3.6隧洞的气蚀破坏及防止措施导流隧洞多数时间处于明流状态，汛期出现有压流，常有明、压流交替过渡，需防止出现气蚀。只有适当选择进口的形式和洞内流态，一般不会出现气蚀。对于导流与泄洪结合的隧洞，洞内流速有可能超过40由于本设计允许最大流速为18m／s一般不会出现严重的气蚀。为了提高抗气蚀能力，还必须正确选择衬砌材料和混凝土标号。试验表明，混凝土标号提高（大于R250）,水灰比降低（不大于0.4～0.5），坍落度减小（不大于7～8）都能使抗气蚀性能增强。混凝土骨料小而均匀对抗气蚀也有利，即一级配混凝土优于二级配，最大粒径不超过3.7围堰介绍围堰时导流工程中的临时挡水建筑物，用来维护基坑，保证水工建筑物能在干地施工。在导流任务完成以后，如果围堰对永久建筑物的的运行有妨碍或没有考虑作为永久建筑物的一部分时，应予以拆除。围堰作为临时性建筑物，除应满足一般挡水建筑物的基本要求外，其特点为：（1）施工期短，一般要求在一个枯水期内完成，并在当年汛期挡水。（2）一般需进行水下施工，而水下作用质量往往不易保证。（3）围堰常拆除，尤其是下游围堰。因此，对围堰的基本要求有：（1）具有足够的稳定性、防渗性、抗冲性和一定的强度要求，在布置上应力求水流顺畅，不发生严重的局部冲刷。（2）围堰基础及其岸坡连接的防渗处理措施要安全可靠，不致产生严重集中渗漏和破坏。（3）围堰结构宜简单，工程量小，便于修建和拆除，便于抢进度。（4）围堰型式选择要尽量利用当地材料，降低造价，缩短工期。（5）必要时应设置抵抗冰凌，船筏冲击破坏的设施。围堰虽是一种临时性挡水建筑物，但对工程施工作用很重要，必须按照设计要求进行修筑，否则，轻则渗水量大，增加基坑排水设备容量和费用；重则可能造成溃堰的严重后果，拖延工期，增加造价。这种严重的教训，以往也曾发生过，应引起足够的重视。3.7.1常用的围堰型式及适用条件（1）土石围堰结构简单，可就地取材，充分利用开挖弃料，既可机械化施工，又可人工填筑；既便于快速施工，又易于拆除；并可在任何地基上修建。所以，是用得最广泛的一种围堰型式。但其断面尺寸较大，抗冲能力差，一般用于横向围堰。在宽阔河床中，如果有可靠的防冲措施，也可作纵向围堰。土石围堰一般不允许过水；堰面采取保护措施后，也常用作过水围堰，如上犹江、柘溪、大化等工程的土石围堰，单宽流量达到。（2）混凝土围堰具有抗冲能力大，防渗性能好，断面尺寸小，易于同永久性建筑物结合，并允许过水等优点，故虽造价较高，国内外仍广泛使用。混凝土围堰一般要求修建在基岩上，并同基岩良好结合。在枯水期基岩出露的河滩上修建纵向围堰，较易满足上述要求，故我国多采用混凝土纵向围堰，并常与永久导墙相结合。混凝土横向围堰，以采用拱型居多如刘家峡、乌江渡、紧水滩等工程。乌江渡上游拱围堰，成功地在动水中进行了水下施工。（3）钢板桩格型围堰断面尺寸小，抗冲能力强，可以修建在基岩上或非基岩上，堰顶浇筑混凝土盖板也可以作过水围堰。修建时可进行干地施工或水下施工，钢板桩的回收率可达70%以上，故在国内外得到广泛使用。我国葛洲坝工程采用了圆筒形钢板桩格型围堰作为纵向围堰的一部分。（4）竹笼围堰在我国南方盛产南竹地区，充分利用当地材料的型式之一。如果采用铅丝笼填石代替竹笼也是同一种类型。竹笼的使用年限，一般为1～2年，竹材经防腐处理后可达2～4年。竹笼围堰允许过水，对岩基或软弱地基均能适用。它的断面尺寸较小具有一定的抗冲能力，可用于纵向围堰，也可用于横向围堰。但竹笼填石施工不易机械化，一般需人工进行。采用竹笼围堰的工程有富春江等。（5）木笼围堰在50年代施工的工程中使用较多。它具有断面尺寸小、抗冲能力强、施工速度快等优点。堰顶加混凝土盖板后可以过水。因此，用做纵向围堰具有明显的优越性。但它的木材耗量大，木材较难回收和重复使用。在当前木材短缺的情况下，使用范围受到限制。如果用预制钢筋混凝土构件代替木笼，也是同一类型。（6）草土围堰它是我国劳动人民长期同洪水斗争的智慧结晶之一。早在1761年前，已在宁夏引黄灌区渠口工程上应用，至今黄河流域的堵口工程中仍普遍采用。在西北地区的水利水电工程中广为应用。草土围堰施工简单、速度快、造价低，便于修建和拆除。并具有一定的抗冲防渗能力，对基础沉陷变形适应性好，可用于软基或岩基。可作为纵向围堰或横向围堰，但堰顶不能过水。一般使用年限为1～2年。（7）其他围堰杩槎围堰、粘土草袋或麻袋围堰、木板桩围堰等，一般用于小型工程。杩槎围堰在四川地区治河改流工程中广为应用。也可用钢材代替杩槎，则适应性更大。草袋或麻袋围堰常用与防洪抢险的临时加高后基坑抽水后的子堰。木板桩围堰只能用于软弱的土质或砂质地基，桥墩施工使用较多，小型水利工程也有采用。3.7.2围堰形式的选择本设计松涛水利枢纽采用隧洞导流，围堰形式的选择应结合实际情况而定，现对上述形式分析如下：由于杩槎围堰、粘土草袋围堰，木板桩围堰等，一般用于小型工程，而本水利枢纽工程属于大型工程，故不宜采用这几种堰形。对于草土围堰，一般使用年限为1～2年，而本工程挡水建筑物属于Ⅳ级建筑物，使用年限为3年，且本枢纽坝址附近不能满足草土围堰材料要求，故也不宜采用。竹笼围堰和木笼围堰由于材料取用受限制，倘若采用需要浪费大量人力、物力和财力，增加工程造价，故也不宜采用。对于土石围堰，混凝土围堰和钢板桩格型围堰，时目前国内外普遍采用的三种围堰形式。由于本工程采用隧洞导流，开挖隧洞产生大量的土石材料，适宜用于修建土石围堰，降低工程造价，而混凝土围堰与钢板桩格型围堰，需要进行加工处理，增加工程造价，故本工程采用土石围堰。3.7.3围堰的平面布置围堰的平面布置时一个很重要的问题，如果平面布置不当，围护基坑的面积过大会增加排水设备容量；过小会妨碍主体工程施工，影响工期；更有甚者，会造成水流宣泄不顺畅，冲刷围堰及其基础，影响主体工程安全施工。围堰的平面布置一般应按大量方案，主体工程轮廓和对围堰的要求而定。本设计采用全段围堰法导流，基坑时由上、下游横向围堰和两岸围成的。上、下游横向围堰的布置取决于主体工程的轮廓。通常，基坑坡址与主体工程轮廓之间的距离不应小于20～30m，以便布置排水设施，交通运输道路及堆放材料和模板等。至于基坑开挖边坡的大小，则与地质条件有关。此外，布置围堰时，应尽量利用有利地形，减小围堰的高度与长度，从而减小围堰的工程量。同时，还应结合泄水建筑物考虑围堰的布置，以保证围堰的安全。松涛水利枢纽工程坝址区的实际情况，本设计选取基坑坡趾与主体工程轮廓之间的距离为20m，参考《水利工程施工》，本设计围堰布置见图3·3图3·3围堰布置图（单位：m）3.8土石围堰设计3.8.1土石围堰的结构形式土石围堰按其材料组成可分为均质土围堰和土石混合围堰；按防渗体结构分为斜墙围堰和心墙围堰；按防渗材料又有塑性和刚性斜墙围堰，塑性和刚性心墙围堰等。（1）均质土围堰堰体采用均一土料，一般采用沙壤土或砂质粘土，也有采用风化砂。它具有结构简单、施工方便、防渗性号等优点。单断面较大，坝址附近需具有丰富的料源。（2）塑性斜墙围堰一般用土料作防渗结构，石渣作堰体，可充分利用开挖弃料，斜墙与墙体施工干扰少，便于抢进度和深水施工。并且，基础防渗处理与堰体填筑可同时进行，以利基坑提早抽水。但水中抛填土质斜墙坡度较缓、断面较大，往往增加了纵向围堰或隧洞。明渠的长度。也可采用塑料作斜墙，则断面尺寸可减小，这是一种新型防渗结构，需要进行研究试验，以利推广。（3）塑性心墙围堰同斜墙围堰一样可充分利用开挖弃料外，其断面尺寸较斜墙围堰小，有利于纵向围堰、隧洞或明渠的布置。单心墙围堰施工水深不宜过深，在深水中抛土料时心墙断面较大，坡度不易控制。并且，心墙和填筑壳体需循序升高，其落差不宜过大。基础防渗处理与心墙填筑也不能同时进行。（4）刚性斜墙围堰一采用混凝土、沥青或渣油混凝土作斜墙。其水下部分的防渗结构，可用冲击钻造孔混凝土防渗墙连接，也可用水下戗土或帷幕灌浆防渗。单结构复杂，如果堰体沉陷过大易引起斜墙裂缝。（5）刚性心墙围堰有混凝土。沥青或渣油混凝土心墙，冲击钻造孔混凝土防渗心墙及钢板桩心墙等，木板心墙也属于此类型式。一般都需建在岩基上，并与地基良好连接。但围堰水下填筑时无法压实，墙身应力条件较差。因此，单排墙的堰高一般不宜大于20m。堰高为25～40m时可采用双排墙，以分担渗透水位。根据松涛水利枢纽工程坝址的地形条件，水文和水流情况，材料来源，布置要求及施工条件等进行分析，并参考白山电站的工程经验，本设计上游围堰采用塑性斜墙围堰3.8.2土石围堰填料选择土石围堰的填料除淤泥、沼泽土外，任何土砾料都可用作填料。选择时，应根据具体情况，因地、因材制宜，以达到良好的经济效果。（1）防渗体土料，按颗粒组成来分，有粘土、砂质或粉质粘土，沙壤土，砾石土等；按土的成因来分，有坡积土、残积土、砂质或粉质粘土、冰积土、沉积砂砾土及风化砂等。以下主料均可采用，一般要求如下表3·2：表3·2水中抛填土料的一般要求项目指标备注宜用土料砂质粘土或沙壤土粘粒含量15%～35%含粘粒量大于40%～50%的粘土，浸水后不易崩解，不宜采用渗透系数（cm/s）～天然含水量6%～1.2倍塑限崩解性能良好30mm崩解50%～70%，24h完全崩解本工程坝址处没有理想的砂质土产地用于修筑围堰，但坝址左右岸基础上直接为黄土覆盖，且含量丰富其粘粒含量为25%，塑性指数为16，渗透系数为，含水量为17%，各项指标均能满足要求，故用黄土代替砂质土。（2）堰壳填料及反虑料堰壳填料，一般无很高要求，各类石料、石渣、砂卵石等都可使用，并尽量利用开挖弃料，但开挖弃料一般为风化料或土石混合料，料径变化较大，其特性变化也大，需进行认真分析。据以往工程试验，特性如下：a风化石渣在干湿循环作用下，其颗粒将发生变化。砂岩石渣3次循环，细粒料增加28%，15次循环增加58%；粘土岩石渣3次循环，细粒增加63%。表明其抗水性较差。b石渣混合料长期浸水，不受外力作用时，其颗粒级配变化不大，细粒料增加不多，但塑性指数有所提高。颗粒小于0.1mm的粒料在长期浸水下，粘粒含量略有增加，塑性至少也有提高，但内摩擦角和凝聚力基本不变或变化很小，这小于干湿交替循环作用。c石渣浸水沉陷率与填筑密度有关。在松散状态下，因浸水而引起的沉陷率达8.87%。在1.5压力下，浸水数小时的沉陷率为相同压力下稳定沉陷率的90%。d石渣混合料由于粒径变化很大，在运输填筑过程中易分离，尤其是水中抛填，分离尤甚，往往粗粒料集中，细粒料不足以填充孔隙，透水性较大。但级配石渣混合粒料，当细粒含量大于20%时，压实填料的渗透系数为；细粒含量小于30%时，其渗透系数为。反虑料一般采用砂、卵石或砾石，要求级配性能较好。粒径小于0.1mm的颗粒不宜大于5%10%。渗透系数应大于被保护土渗透系数的50100倍。对于沙砾石与块石之间的过渡层，还常用竹席、柴排等，也能起到反滤作用。3.9土石围堰断面尺寸设计3.9.1上、下游围堰断面尺寸设计堰顶高程取决于导流设计流量及围堰的工作条件。（1）下游围堰的堰顶高程由下式决定：（3·4）式中：—下游围堰堰顶高程，m；—下游水位高程，m；—波浪爬高，m；—围堰安全超高，m.本设计采用不过水围堰，围堰级别为Ⅳ级，查《水利工程施工》表1-3，取围堰安全超高=0.7m。根据已知柳河水文资料，从河流水位流量关系中查出下游水位=427.28m，计算波浪的平均爬高：参考《水工建筑物》土石坝的波浪平均爬高公式：（3·5）式中：—与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，本设计取=0.55；—经验系数，参考《水工建筑物》表5-2，本设计取=1.06；—堰坡系数，，为堰坡倾角，取=2；，—分别为平均波高和波长，m.计算平均坡高：由于柳河河面宽50～60m，取平面宽B=56m，库面狭长，取库面波浪吹程D=5B,则吹程D=556=280m，参考《水工建筑物》平均波高按下式计算：（3·6）式中：—重力加速度，取=9.81；—风速，；—吹程，m.将D=280，v=17代入上式计算得;=0.15m。计算波浪平均周期，按下式：（3·7）代入数据有：==1.55计算平均波长，按下式：（3·8）将=1.55代入上式，得：=3.75m。将数据，=0.55，=1.06，m=2，=0.15，=3.75代入公式（3·8），得：==0.20m下游围堰堰顶高程：=427.28+0.2+0.7=428.2m下游围堰高：=428.2410.0=18.2m（2）上游围堰堰顶高程由下式决定：（3·9）式中：—上游围堰堰顶高程，m；—上、下游水位差，m；本设计采用拱门形无压隧洞导流，上、下游水位差即为隧洞进出口断面的水位差，过流能力按管流公式计算，参考《水工建筑物》公式：（3·10）式中：—隧洞泄流量，；—隧洞出口断面面积，；—考虑隧洞沿程及局部阻力的流量系数，取=0.9；—作用水头，即隧洞进出口断面的水位差，m。考虑围堰在洪水期的作用，按最大设计流量计算，则单条隧洞的泄流能力==2565。取为隧洞全断面面积=171.68，代入上式，得：=14.1m上游围堰的堰顶高程：=427.3+14.1+0.2+0.7=442.3m3.9.2堰顶宽度及围堰边坡拟定堰顶宽度视围堰高度、结构型式及其材料组合而定。高于10m的围堰，其最小宽度不小于3.0m；堰高超过20～30m，宽度一般为4～6m。如果堰顶需要通行汽车等大型车辆，其宽度应视交通要求而定。当需要档御超标准洪水视，还应考虑设置子堰或防汛抢险材料堆存要求。结合松涛水利枢纽工程水文资料及工况，考虑围堰作为连接两岸交通的要求，初步选定上游围堰堰顶宽度均取8m，下游6m。土石围堰的边坡取决于土石料的性质，压实程度及地基的承压能力等。一般地基承压都无问题，主要决定于填筑材料的抗剪强度。参考《水利水电施工组织设计手册》（Ⅰ）表2-7-6，对土石坝拟定的粗估值。并结合国内以建工程水中抛填土料的稳定边坡值，选定上游围堰的迎水面坡度为，背水面坡度为。下游围堰迎水面坡度为，背水面为。其断面分别见图3·4，图3·5：图3·4上游围堰断面（单位：m）图3·5下游围堰断面（单位：m）3.10围堰的拆除围堰时临时建筑物，导流任务完成以后，应按设计要求进行拆除，以免影响永久建筑物的施工及运行。如果上游围堰的拆除不符合要求，势必会增加上下游水位差增加截流材料的重量及数量，从而增加截流难度。如果下游围堰拆除不干净，会抬高尾水位，影响水轮机的利用水头，降低了水轮机的出力，造成不应有的损失。本设计采用不过水土石围堰，因土石围堰断面较大，因此有可能在施工期最后一次度汛之后，上游水位下降时，从围堰的背水坡开始分层拆除，但必须保证依次拆除后所残留的断面能继续挡水和维持稳定，以免发生安全事故，使基坑过早淹没，影响施工。土石围堰一般可用挖土机械或爆破等方法拆除。考虑到技术经济合理及施工安全等方面因素，本围堰采用挖土机械分区分层进行拆除，上层用装载机开挖自卸车运走，迎水面区反斗挖掘机开挖自卸汽车运走。背水面区也采用装载机开挖自卸汽车运走。下游围堰拆除到一定高度时就不需要在进行拆除，对水库泄洪起消能作用，但应保证不影响水库泄洪、电站的正常运行。围堰拆除机械见下表3·3表3·3围堰拆除机械编号型号单位数量1CAT-980装载机台22CAR-240反向铲台23PC-400小松反铲台2420T载重汽车台204导流隧洞的水力计算导流水力计算的主要任务是计算各种导流泄水建筑物的泄水能力，以便确定泄水建筑物的尺寸和围堰高程。4.1隧洞截面参数由前节设计可知，本隧洞断面形式采用城门洞形，顶角为120截面参数：底宽：B=11m断面高：H=166m半径：r=62m面积：其中=402==13m水力半径：R==337m