浅谈围堰设计

浅谈围堰设计

1地形地貌复杂目前，中国的水利水电工程，尤其是大型节水电工程，主要集中在西部地区，尤其是西南部的省份。为此在高山峡谷中修建拦河大坝往往选用全年断流、隧洞导流方式。一般主体工程施工阶段,首先进行导流建筑物及两岸坝肩或岸边溢洪道的开挖,从而产生大量开挖渣料。为充分利用开挖渣料,减少弃渣堆放引起的环境污染及渣场挡、排设施费用,常采用土石围堰,容易填筑和拆除,可达到经济合理、安全可靠的目的。2基础防渗方案2.1)堰体材料:土石围堰采用梯形断面,通常由壳体和防渗体两部分组成。围堰壳体材料可用碎石、砂砾石、卵砾石、石渣、堆石等,在设计与施工中应尽可能利用已开挖的废弃石渣料。2)围堰轮廓尺寸为:斜墙围堰壳体坡度:迎水面1∶2~2.5,背水面1∶1.4~1.8;心墙围堰壳体坡度:迎水面1∶1.5~1∶2.0,背水面1∶1.4~2.0。围堰顶宽依据运行期使用工况常用8.0~12.0m,有时由施工道路要求确定。3)围堰防渗材料。可分塑性和刚性两种,塑性材料有粘土、壤土、砂壤土、土工膜及沥青等;刚性材料有混凝土、木材等,有时采用钢板桩。4)堰体防渗型式。分为斜墙和心墙。(1)斜墙围堰一般在中、小型工程中应用较多,围堰高度一般较低,多采用单戗堤截流;要求河床覆盖薄、渗流量小;围堰基础不需做灌浆或混凝土防渗墙等防渗工程措施,而主要采用粘土类材料铺盖防渗。斜墙方案具有施工工艺简单、施工工期较短、工程量及占地范围稍大等特点。工程实践中粘土斜墙应用较广泛。(2)心墙围堰一般在大型工程中应用较广。围堰高度往往较高,可布置为双戗堤进占,以降低截流难度;当河床覆盖层厚或渗流量大时,截流后可做灌浆或混凝土防渗墙等基础防渗工程措施。心墙围堰方案具有工程量及占地范围较少,施工工艺较复杂,施工工期较长,基础防渗效果较好,心墙与基础防渗结构衔接效果较好等特点。在工程实践中,粘土心墙围堰和土工膜心墙围堰应用较为广泛。根据围堰承受水头大小,塑性心墙厚度一般取(式中为水头);迎水面坡度为1∶0.15~0.25,背水面坡度为1∶0.175~0.4;顶宽常用1.0~2.0m,当需在墙顶实施灌浆作业时应取宽值。心墙土工膜可根据承受水头大小估算,并对照生产厂家材料指标选用。3.1混凝土防渗墙一般河床常覆盖有砂卵砾石层,且透水性强,故围堰基础需进行地基防渗处理。目前主要防渗方法有帷幕灌浆、高喷板墙、混凝土防渗墙等典型方法。1)帷幕灌浆适用条件较广,但灌注浆液不易控制,防渗效果相对较差。2)高喷板墙施工速度快,防渗效果较能保证,多用于浅基;但受卵石颗粒占比限制。3)混凝土防渗墙施工技术成熟,防渗可靠,承压能力高,高土石围堰常选用。但费用较贵;当河床存在大孤石时,爆破、固壁及连墙处理较为复杂,且增加费用较多。3.2防渗墙与堰基接触面面积当围堰主体布置有上下游双戗堤时,防渗墙应置于上下游戗堤中间,且应先填筑砂砾石料或石碴料,以利防渗墙施工作业。防渗墙与堰基接触面处宽度一般为b=8~10m,以满足防渗墙墙体部位不被戗堤填筑滚石占据。戗堤内侧边坡坡度一般1∶1.25~1∶1.5,常取1∶1.5,双戗堤防渗墙布置见图1。当围堰布置单戗堤时,防渗墙应置于单戗堤上游。同样戗堤上游应先填筑砂砾石料或石碴料,以利防渗墙施工作业。墙体与堰基接触面处宽度一般为b=4~5m。4流量开口设计4.1提高截流合共享精度的措施设置龙口的主要目的在于减少截流工程量和缩短截流时间,布置原则如下:1)截流龙口一般宜布置在河床中的深水槽处。当河床有较宽滩地时,亦可将龙口置于滩地上,这样可减轻截流难度,也可减少截流合拢的填筑高度。2)当河流为“V”型或“U”型河谷、河床较窄时,龙口宜布置于岸边较宽阔场地一侧,有利于截流材料堆存和运载截流材料车辆的高强度运输。3)当河床宽阔及两岸平缓时,龙口一般布置在河床中部,利于两岸同时进占、提高围堰抛投石料强度、加速龙口合拢进程。4)在截流过程中,龙口段水流流速是最大的,为了避免河床受到冲刷而影响围堰稳定,宜将龙口尽可能布置于坚固河床上。无此条件,则需采用护底及护坡措施以提高河床及围堰边坡抗冲能力。总之,围堰龙口位置应根据具体河流的地形地质条件及截流与施工组织设计合理选择。4.2截流权工程措施在计划的截流时段内,计算截流龙口流量时,应考虑将龙口断面尺寸压缩到最小,力求最终减少合拢材料量和缩短截流时间。实际上龙口底宽是决定龙口断面尺寸的关键因素,而龙口底宽则与龙口河床基础性状和戗堤两侧裹头的抗冲能力有关。有时为提高河床粗糙度与抗冲性能,预先对龙口河床进行护底,如长江三峡水电站截流中,就采用先行护底的工程措施。龙口流量可按下式估算:式中:Q截—河床截流期设计流量或实际天然来流量,m3/s;Q泄—导流建筑物如导流洞、明渠等下泄流量,m3/s;Q戗—龙口两侧戗堤渗流量,m3/s;Q蓄—截流形成水库之相应调节流量,m3/s,一般工程可忽略不计。根据上式计算截流龙口流量,当已知龙口处基础或护底结构的允许流速时,可求出龙口断面面积A,按下式估算:式中:Q龙—龙口平均流量,m3/s;[V]—龙口允许流速,m/s。据此,考虑龙口底部宽度、龙口断面进占裹头坡度以及可能的围堰截流水深,经方案比较后便可拟定龙口的断面形态与尺寸要求。4.3截流马龙的收缩性截流龙口处纵横断面形态及水面线见图2。由图2和式(1)、(2),当已知Q龙、[V]、A时,可计算出截流龙口的水力要素为:代入(2)可得:当取用极限水深状况即控制状况,则h=hc,式(4)变为:解得:便可计算出龙口收缩水深及相应的断面尺寸。式中:hc—龙口收缩水深,即控制水深,m;b—龙口底部宽度,m;m—龙口断面进占裹头坡度系数,m=1.25~1.5,抛石时常取m=1.5,其余符号同前。5布置和设计断流口混凝土的四部分5.1抛投预制混凝土龙口合拢过程中可抛填砂卵石、碎石、石块等材料,但对于大中型水电工程截流,为提高抗冲性能常采用抛投预制混凝土四面体。据工程实践一般采用质量达15~25t的混凝土块,可抵抗水流流速V=5~6.5m/s,且截流合拢效果较好。多数大中型水电工程常选用混凝土四面体作为截流材料,下面介绍混凝土四面体设计。5.2流速较大时,动脉和真空压力块体除自身质量外,所受的外部作用力有动水压力、浮力;当流速较大时,尚有脉动压力及真空压力;另外还可能受到漂浮物或泥石等的撞击力,但该荷载难以估算,且在合拢较短时间内发生率较低,一般不予考虑。5.3抛入水的稳定性在实际截流过程中,块体抛投会出现两种情况,一种是块体抛入水中时处于悬浮状态,尚未沉底已被水流冲走流失,达不到截流效果。另一种是单个块体或用钢绳链成串的块体抛入水中,按预计沉至底部定位,在各种外力作用下能保持平衡稳定状态。这种情况可以依照块体抗滑稳定与抗倾稳定公式近似地进行估算,计算参数最好通过截流模型试验后确定,当缺乏试验数据时,可将稳定安全系数稍取大些以留余裕,因为有的作用力如动水压力、脉动压力以及复杂的边界条件很难准确掌握。混凝土四面体抗滑稳定和抗倾稳定计算。2)抗倾稳定:式中:Km—抗倾稳定安全系数,取Km≥2.0;∑M0—抗倾力矩总和;∑M—倾倒力矩总和。5.4ac—动水压力计算在块体所受的外部作用力中,动水压力是最主要的荷载之一;参照有关试验研究,拟用下述水力学动量方程近似估算:式中:α是指水流射线与冲击面的夹角,当流线垂直于迎水面,即α=90°时,则式中:P—动水压力,kN;k—块体流线型系数,2k=ξ,ξ为垂直迎水面上总平均负载系数,随块体顶部水深而加大,一般取ξ=0.7~1.0;γ—水容重,常取γ=1.0kN/m3;Q—龙口断面流量,m3/s;V—龙口断面平均流速,m/s;ω—四面体迎水面面积,m2;g—重力加速度,常取g=9.8m/s2。当块体沉降至底部并假定处于稳定状态,此时,块体处水流近似地以水力能线表示其上下游受力状态,如图3所示。块体下游面按静水压计;块体上游面除了承受静水压力外,还受动水压力,此时动水压力的作用点可按压力图重心估算。由于四面体的上下游水深一般差别不大,静水压力彼此抵消可不予计算,主要作用力是动水荷载。其值按上面推导成果,当水流垂直冲击四面体中某一面即为受力控制状态,计算时用流速水头表达,则动水压力通用公式为:需要指出,在龙口抛投块体中,由于受多种因素影响,块体并不一定按照预计的方向定位,必然会产生转向和倾斜。因此在设计中,应对不同方向与定位的状态下,予以估算。要保持块体适应流速、落差等复杂水力条件,目前最可靠的方法是在截流之前进行截流模型试验。6反滤料与填筑工艺的控制在施工截流中围堰戗堤所采用的材料主要为大块石料或混凝土四面体,因而形成的孔隙较大,透水性较强。为此在戗堤闭气设计中对所选用的反滤料与填筑工艺应予注意:1)优先选用天然砂砾石料,以节约投资,其颗粒级配宜具有连续性。2)填筑设计应满足反滤层设计原则,一般滤层总厚度δ=1.2~2.5m,常取用δ=2m,在水中抛填时围堰脚处反滤层应适当加厚。3)填筑中要控制反滤料分离,必要时可加宽反滤层厚度,并增加抛填砂砾石料,防止反滤层细料流失。7施工方便、整理方便、施工方便、省元金属围堰设计应尽量考虑利用当地材料,力求经济合