- 施工组织设计(2014年度论文集)
- 水利水电工程施工组织设计信息网 中水东北勘测设计研究有限责任公司
- 3498字
- 2021-04-25 18:59:23
禹门河反调节水库工程施工期水流控制
孙鹏辉,郑宇 蓝祖秀
(黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州,450003)
作者简介:孙鹏辉 (1973—),男,河南尉氏人,高级工程师,从事水利水电工程施工组织设计。
摘要:禹门河反调节水库位于黄河支流洛河干流上,为已建故县水库的反调节水库,坝址处河道狭窄,山势较陡,洛河洪枯流量变化大,采用一次拦断围堰隧洞导流方式,过水围堰。施工期导流工程施工滞后造成大坝不能在汛期达到度汛高程,影响大坝施工。
关键词:导流标准 导流设计 施工与度汛
1 工程概况
禹门河反调节水库位于河南省洛宁县兴华乡禹门河村,黄河一级支流洛河干流上,为上游已建故县水库的反调节水库。坝址流域面积6104km2,多年入库径流12.62亿m3。工程主要由大坝和坝后式电站等组成,大坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高61.5m,正常蓄水位413.50m,死水位411.00m,混凝土溢流坝段长80m。坝后式电站,共3台机组,总装机容量10.5MW。
2 施工条件
2.1 水文气象
施工区属温带山地季风气候,年平均降水量为634.3mm,年平均蒸发量为1469.2mm。年平均气温13.65℃,极端最高气温42.1℃,极端最低气温-21.3℃。禹门河坝址多年平均流量42.5m3/s,多年平均径流量12.59亿m3。坝址处洪水由故县水库以上和故禹区间的洪水叠加而成,考虑故县水库调控,汛期5年一遇洪水流量为1000m3/s,非汛期5年一遇洪水流量为150m3/s,非汛期10年一遇洪水流量为194m3/s[1]。
2.2 地形地质
坝址河谷剖面形态为两岸不对称的U形谷,河谷平面形态为向北突出的弯道。两岸有黄土覆盖,河床有较厚的砂砾石层,最深27m。坝址区基岩主要为下元古界上熊耳群流纹岩、安山玢岩、流纹凝灰岩等。左岸及河床主要为流纹岩,右岸主要为安山玢岩。右岸山体覆盖有较多的黄土,且发育有F8、F9、F10这3条较大的断层。
3 施工导流
3.1 导流标准
本工程为中型水库工程,大坝、电站分别为3级、4级建筑物。根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2004)规定,导流建筑物为5级[2]。导流标准为以5年洪水一遇作为临时建筑物的设计,相应汛期洪峰流量为1000m3/s,非汛期150m3/s。当大坝上升高出围堰时,由大坝临时拦洪度汛。第三、四年非汛期利用排沙孔泄流,大坝临时度汛标准为10年一遇洪水,相应洪峰流量为194m3/s;第三、四年汛期利用排沙孔和溢流坝段联合泄流,大坝临时度汛标准为20年一遇洪水,相应洪峰流量为2900m3/s。
3.2 导流方式
坝址处河道狭窄,河床宽约100m,两岸没有台地,山势较陡,不具备分期或明渠导流的地形条件,因此选定一次拦断围堰隧洞导流方式。由于洛河洪枯流量变幅大,按照正常工期围堰只度一个汛期,结合水文条件和工程进度,对拦洪围堰和过水围堰进行方案比较,选择了过水围堰,围堰除满足非汛期不过水外,汛期可挡中常水,对工期影响不大,导流洞布置在右岸山体内,初期方案考虑改建为引水发电洞,断面为圆形,内径6m。施工导流程序见表1[1]。
表1 导流程序表
3.3 导流建筑物
在过水围堰挡水流量为150m3/s和194m3/s两种情况下,对导流洞洞径分别为5.0m、6.0m、7.0m、8.0m进行方案比较。根据水文资料分析围堰的过水次数,测算围堰过水损失费用。经综合分析,确定过水围堰挡水流量为150m3/s,相应导流洞洞径为6.0m。
3.3.1 导流洞设计
导流洞布置在右岸山体内,右岸发育有F8、F9和F10这3条较大断层。经过洞线比较和布置,导流洞布置时避开了F10断层。导流洞大部分时间为明流,只在汛期中很短时间内呈半有压或有压流,根据本工程的地质条件和河流的水文特点,以及考虑导流洞改建为引水发电洞,隧洞断面拟定为圆形,洞径为6m,洞长180m,全断面钢筋混凝土衬砌;进口底板高程390.50m,底坡6‰,出口底板高程389.42m,出口与下游地面缓坡平顺连接,扩散式消能。
导流洞所处地层为上熊耳群的安山玢岩、辉绿岩,上覆岩体厚度15~66m,所遇断层为F8 (走向30°~50°、倾向300°~320°、倾角70°~80°、宽度0.4°~1.4m)、F9 (走向40°~50°、倾向310°~335°、倾角70°~85°、宽度1.0~1.8m)。
导流洞采用锚喷支护,Ⅱ类围岩采用按需喷0.1m厚C20混凝土,随机锚杆φ22mm,L=3.0m,梅花形布置,间排距2.0m。Ⅲ类、Ⅳ类围岩采用喷0.1m厚C20混凝土,随机锚杆φ22,L=3.0m,梅花形布置,间排距2.0m。另外,在Ⅳ类围岩和进口渐变段挂6@150mm×150mm的钢筋网。
3.3.2 围堰设计
上、下游围堰均为土石过水围堰。
上游围堰堰高7.27m。枯水期最高挡水位397.27m,溢流堰顶高程397.70m,顶宽6.0m,上、下游边坡分别为1∶2.5和1∶3.5;堰顶轴线长138.24m。溢流面为混凝土面板,板厚0.5m,下设0.5m干砌块石。溢流坡面下游设长18m、0.5m厚混凝土护坦。
下游围堰堰高3m,顶宽7.0m。枯水期挡水位为391.72m,堰顶高程为392.00m,堰顶轴线长92.32m。上、下游坡比均为1∶3,溢流面为混凝土面板。
上、下游围堰基础防渗采用高压摆喷防渗墙,最大深度22m。上游防渗墙面积2488m2,下游围堰防渗墙面积2706m2。摆喷间距1.3m,墙厚不小于0.3m,渗透系数k≤5×10-6cm/s,摆喷角为30°,防渗墙深入基岩0.5m,上面与混凝土面板相接[1]。
3.4 导流建筑物施工
3.4.1 导流洞的施工
导流洞工程于第一年5月28日开工,第二年5月,导流洞完工并过水。
导流洞开工后,进、出口地质条件基本与设计描述对应,均位于强风化带。进口强风化带较薄,为了减少开挖工程量,进洞提前了5m。
根据岩石揭露情况,F9断层与地质勘查描述有较大出入,其宽度是5~6m,走向与洞线交角仅有15°左右,而且蜿蜒变化,跨洞长33m,是设计推测的2倍。因此增加了锚杆长度和随机锚杆数量。
后期根据进度要求,考虑到提前发电,经与业主研究确定导流洞后期不再改建为引水发电洞,全洞衬砌改为仅对断层和进出口24m衬砌。衬砌厚度0.6m,内外侧每米4根φ22mm主筋,在衬砌段顶拱120°范围内进行回填灌浆。
3.4.2 围堰施工
3.4.2.1 基础高压摆喷防渗墙施工
围堰基础高喷墙工程第二年2月初开工。由于堰基地质条件较为复杂,大粒径比例较大,卵石占22.9%~78.7%,且有少量大漂石,直径为2~3m,承包商对设计方案进行了修改,主要是围堰临水第一排为高压摆喷桩0.6m,间距为1.8m;第二排采用直径为1.2m混凝土灌注桩,间距为1.8m;排距为1.2m。
开工后进度滞后,原因在于基础覆盖层比较密实,大粒径比例较大,选用钻孔设备冲击钻头较轻,效率低。
工程施工采用的是CJ-3型冲击式钻机,有两种:一种功率15kW,重锤重量4t,用于钻直径1.2m孔;另一种功率10kW,重锤重量1.5t,用于钻直径0.6m孔。冲击式钻机主要优点在于操作简便;缺点是效率低,成孔一般需要7~8d,有的孔甚至需要超过20d。计划第二年5月完工,但截至第二年8月底,仅完成2/3合同工程量。
高喷采用二管法,使用双通道的二重灌浆管,在管的底部侧面有一个同轴双重喷嘴,高压浆液以20MPa左右的压力从内喷嘴中高速喷出,在射流的外围加以0.7MPa左右的压缩空气喷出,在土体中形成直径明显增加的柱状固结体。采用设备主要有空压机、进浆泵和高喷台车等。空压机的功率为37kW,压力为0.7~0.8MPa。进浆泵的功率为90kW。高喷台车,功率150kW,喷浆压力为35MPa。
混凝土灌注桩与高压喷射灌浆结合的防渗墙形式,具有防渗墙整体性好的优点,但工艺复杂,造成成本增大和工期延长,给后续工作的施工进度增加了压力。
3.4.2.2 围堰上部结构施工
施工过程中,承包商对围堰上部防渗和防冲结构进行了修改。其用黏土心墙代替了混凝土防渗墙。黏土取自右坝肩开挖土方,经试验防渗性能满足设计要求。另外,取消了对围堰下游坡的混凝土和干砌石防护。
由于施工中弃渣较多,承包商对上、下游围堰进行了加高和培厚。上游围堰由397.70m加高至400.00m高程,下游围堰也加高了2m,堰顶宽度均超过了10m。
大坝、电站及上下游围堰(含大坝金属结构、机电安装)为主体工程标,承包商于第二年8月进场,第二年11月,工程截流。第三年1月完成了上、下游围堰填筑工程,标志着该工程的导流工程已全部完成。
4 度汛
第二年汛期,导流洞过水泄流,河床过水,11月工程截流成功。
第三年7月,大坝浇筑至377.00m高程,没有达到河床高程393.00m,导流洞泄流,过水围堰过水。因业主改制,工程停工,9月底基坑淹没。10月3日,下泄流量超过1120m3/s。
第四年汛期,导流洞泄流,围堰过水,工程暂时停工。
第五年7月28日洪水来临,大坝浇筑至393.6m,不具备挡水条件,围堰过水,导流洞泄流,7月30日最大洪峰流量约1300m3/s。由于大坝已出河床高程,基坑淹没损失较小。
5 结语
导流工程为临时工程,但它是主体工程顺利实施的关键。承包商经监理工程师批准、业主同意进行了修改,将摆喷桩改为桩、摆结合,提高防渗墙整体性能,但钻孔和混凝土工程量增加,相应成本增大,工期延长,造成大坝不能按期达到度汛高程。
进行过水围堰加高,可能减少了基坑过水次数和相应的基坑淹没造成的损失,但过水围堰没有进行防冲防护,围堰过水造成了围堰本身的毁坏,同时围堰加高抬高了上游水位,围堰毁坏后容易造成其保护对象的损毁,由此造成的维修费用也比较高。