陰坪水電站施工導流建筑物與永久建筑物結合的應用

唐海北, 劉 華, 牟小玲

(中國水利水電第五工程局有限公司第三分局,四川成都 610225)

1 工程概況

陰坪水電站位于四川省平武縣境內的涪江一級支流火溪河上,為火溪河水電梯級開發的最后一級,采用低閘引水式開發。

陰坪水電站總裝機容量 100 M W,樞紐主要建筑物為Ⅲ級,根據《水利水電工程施工組織設計規范》S D J 338-89規定,其導流建筑物為Ⅴ級。

首部樞紐建筑物從左到右由左岸擋水壩 6#～1#壩段、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘段和右岸取水建筑物等組成。閘(壩)頂高程為 1 249.5 m,閘(壩)頂軸線長 147.5 m。左岸擋水壩 6#～1#壩段為重力壩,壩高 14～29.5 m;泄洪、沖沙閘建基高程為 1 215.5 m,底板高程為 1 220.5 m,最大閘高 34 m,閘室長 50 m,寬 28 m,設兩邊墩和兩中墩,墩厚分別為 3 m和 3.5 m。泄洪沖沙閘前設置混凝土鋪蓋,長 25 m,下游設置護坦和防護段,護坦長 50 m,防護段長35 m。取水建筑物位于河道右岸,由進水閘和岸坡連接墻等組成。

2 導流方式

根據工程的實際情況,采用分期導流方式。導流分三個階段:第一階段為導流明渠施工階段,導流建筑物為新填筑的縱向圍堰,在其擋水后由束窄的河床過流;第二階段為沖沙閘、泄洪閘施工階段,由二期上游橫向土石圍堰和下游橫向土石圍堰圍成基坑,導流明渠過水;第三階段由明渠封堵圍堰擋水,由三孔泄洪沖沙閘過水,其中一期和二期均采用全年導流方案,三期采用枯期導流方案。

3 導流明渠方案的選定

導流明渠在本工程中的平面位置見圖 1。

根據原設計方案,導流明渠軸線穿過 2#壩擋水壩段,右側為混凝土重力式擋墻,左側為貼坡混凝土(圖 2)。

經現場察看發現九環線跨壩肩通過,高程較高,明渠左邊墻又緊貼九環線改線公路邊坡,為保證過流斷面,明渠開挖邊線幾乎影響到九環線路面寬度,更談不上九環線的邊坡安全了。九寨溝為國家級旅游風景區,其九環線每天過往車輛非常多,為交通要道,必須保證其安全。通過對現場的勘察,結合設計圖紙,對導流明渠位置進行了調整。具體調整為:將導流明渠調整到 1#壩段,并結合護坦左邊墻作為明渠右邊墻進行導流。此方案不僅遠離了九環線,同時也利用了護坦左邊墻,既節約了大量成本,又保證了九環線安全。

4 明渠設計方案

4.1 總體布置

為最大可能平順水流,改善水流流態,將導流明渠緊貼永久建筑物布置。為確保在開挖時導流明渠的抗滑穩定,增設了固坡齒槽;出口段與護坦左邊墻連接,利用護坦左邊墻作為明渠右邊墻進行擋水,將左側邊坡由原方案的 1∶1.25調整為 1∶1,在護坦段出口接鋼筋防沖石籠進行消能。

由于防護段不具備施工明渠條件(主要確保九環線暢通),因此將原布置在防護段的下游圍堰上移至護坦段,護坦段的底板、右邊墻待下閘蓄水及隧洞過流后再進行施工。

4.2 進口段布置

圖 1 導流明渠平面布置圖

圖 2 導流明渠原設計方案示意圖

進口段根據現場實際情況全部調整為圓弧,底板為 60 c m厚混凝土,底寬 12 m,進口點高程為 1 221.5 m,底板坡度為 0.005;右邊墻底部為 1 m高的 C 15混凝土,上部為 M 10漿砌石,迎水面為垂直面,背面坡度為 1∶0.7,頂部寬 1 m,墻頂高程為 1 228 m,在邊墻與底板連接處設 651型橡膠止水;左邊墻采用漿砌石護坡,坡度為 1∶1.25,直接開挖形成(對于局部地形缺失部位,采用洞渣料分層回填和碾壓,反鏟削坡成型),漿砌石護坡厚度為 60 c m,漿砌石分縫處預留缺口,缺口采用C 20混凝土作永久沉降縫(縫間設 651型橡膠止水)。典型布置情況見圖 3。

4.3 壩體段布置

明渠段在 1#壩段處,與 1#壩段永臨結合,保證過流寬度為 12 m。邊墻頂部高程為 1 229 m,為增強 1#壩段底板的抗折能力,在底板增設了φ 16鋼筋,并將防滲墻下游的底板鋼筋與防滲墻鋼筋連接。

圖 3 調整后的導流明渠平面位置示意圖

4.4 出口連接段的布置

1#壩段與護坦邊墻連接的部位為連接段,連接段長 20 m,底板為 C 15鋼筋混凝土結構,底板厚 60 c m,底坡寬度由 12 m漸變為 8 m,高 程 由1 221 m降為 1 219.2 m,底板坡度為 0.072;左邊墻為扭面布置,混凝土標號為C 15,頂寬1 m,頂部高程由 1 228 m漸變為 1 224 m,迎水面由直坡漸變為 1∶1,背側由 1∶0.3漸變為 1∶1,左邊墻利用設計開挖邊坡,襯砌 1 m厚 C 15混凝土,每 8 m設一道沉降縫,縫間設651型橡膠止水。對于1#、2#壩段因振沖超挖部位,采用洞渣料分層回填;右邊墻采用 C 20埋石混凝土(埋石率為 20%),為扭面布置,頂寬 1 m,頂部 高程 由 1 228 m漸變為1 224 m,迎水面由直坡漸變為 1∶0.7,背側由 1∶0.7漸變為直坡。為確保泄洪閘開挖時明渠的穩定,增設了固坡齒槽,齒槽底寬 4 m,底部高程與泄洪閘建基高程一致。

連接段設永久沉降縫,縫間設 651型橡膠止水。為防止超標準洪水,右邊墻頂部在特殊情況下采用漿砌石作臨時擋水子堤。

4.5 護坦段明渠布置

護坦段明渠結合永久結構物進行布置,將護坦左邊墻作為導流明渠的右邊墻(為便于止水布置,將護坦邊墻鋼筋在止水處打折后通過),坡度為 1∶0.5,頂寬為 1.5 m;底板采用洞渣料分層回填并碾壓至相應高程后,澆筑 60 c m厚鋼筋混凝土底板,底板寬度不低于 8 m,坡度為 0.02;左邊墻為水平寬度 1 m的 C 15混凝土,坡度為 1∶1。

該段底板及左貼坡每隔8 m設一道永久沉降縫,縫間設 651型橡膠止水。

根據設計文件并考慮沉降關系,施工順序為先閘室、后護坦。為防止因先施工護坦邊墻而造成止水失效,在與泄洪閘左邊墻止水連接處,采用預留二期混凝土的方式進行處理。一期混凝土不設止水,待泄洪閘右邊墻澆筑完成后再進行護坦部位的止水混凝土澆筑。

4.6 出口防護段布置

護坦出口處的高程為 1 218.2 m,天然河床的高程為 1 216 m左右,為防止水流對原河床造成沖刷,在 0+100～0+120處完成底板混凝土澆筑,底板以上部位采用鋼筋石籠進行防護。鋼筋石籠采用 φ 20鋼筋編制,籠內裝塊石,鋼筋石籠間采用 φ 20鋼筋連成整體;邊墻采用 C 20混凝土防護,水平寬度為 1 m。

5 結構驗算

5.1 過流能力驗算

導流明渠按 P=20%標準進行全年導流,相應流量為 245 m3/s。但受出口段九環線限制,導流明渠在閘壩出口段轉折較大,斷面急速縮小,致使過流壅水曲線偏高,嚴重影響到明渠的過流量。根據設計提供的水位流量關系曲線圖(圖 4),明渠實際過流能力約為 150 m3/s。

圖 4 導流明渠水位流量曲線圖

由于為保證九環線改線公路的安全而不能達到原設計的 P=20%的防洪標準,相應降低了防洪能力,為確保安全,需根據水文資料制定出相應的防洪預案,在特殊情況下,可以利用改線九環線已通的現狀,臨時將出口段進行擴挖,擴大出口斷面,改善流態,增加行洪能力(圖 5)。九環線附近地勢較為平緩,在將道路臨時改道后,仍能保證九環線的正常通行。

5.2 穩定計算

圖 5 擴挖平面布置圖

導流明渠的結構設計考慮了臨時建筑與永久建筑結合的方法,重點對 1#壩段出口段至護坦左邊墻的擋墻結構進行穩定性計算。由于新建擋墻緊臨永久建筑物,其基礎高程高于永久建筑的底高程,為防止后期施工永久建筑時開挖對明渠擋墻基礎造成失穩,同時考慮基礎振沖對明渠擋墻基礎液化的影響,在明渠擋墻離永久結構較近的基礎下部設置了一固坡齒槽,底寬 4 m,底部高程與泄洪閘建基高程一致。

導流明渠新建擋墻的穩定計算如下(主要為(閘)0+029.50～ (閘 )0+050.00斷面):

抗滑穩定計算:

式中 W為擋土墻每延米的自重,k N;Pa為作用于墻面每延米的總壓力,k N;斜墻 Pa=γ?z?ta n2(45°-φ/2),豎向 Pa=1/2? K0? γz(K0為靜止土壓力系數,γz為土體重度),該處 K0為 1。μ為擋土墻基底面與地基間的摩擦系數,該處選0.5。抗滑穩定取最不利的斷面(閘)0+050.00(圖 6)進行計算,該段擋墻的抗滑系數為:

圖 6 擋墻受力計算圖

計算結果 1.51＞1.3,滿足抗滑穩定要求?？箖A穩定計算:

式中 a,b,h分別為 W,Pay,Pax對墻址 0點的力臂,m。

同樣,取最不利斷面(閘)0+050.00進行計算:

計算結果 1.71＞1.5,滿足抗傾覆穩定要求。

經驗算,導流明渠新建擋墻的抗滑、抗傾覆均滿足要求。

擋墻抗折應力計算:

在護坦邊墻墻背回填砂礫石,地下水位線位于擋墻 10 m高位置,擋墻配筋已經過設計單位多次驗算校核,此處不再校核。

壩基應力計算:

1#、2#壩段及護坦邊墻基礎均采用振沖樁,且已經設計單位多次驗算,滿足要求,此處不再校核。

2008年 5月 12日四川汶川發生 8.0級特大地震,工程所處的平武縣為重災區,導流明渠經受了嚴峻考驗。地震后,經現場檢查導流明渠穩定,無滲透現象,充分說明設計可靠,施工質量完好。

6 結 語

通過對導流明渠軸線進行調整,既保證了九環線安全,又減少了土石方開挖工程量、臨時混凝土工程量及鋼筋等,為工程節約了大量資金,同時也保證了工程順利、安全導流,為在非溢流壩段導流施工積累了一些經驗。

[1] 張伯平,黨進謙.土力學與地基基礎.高等學校精品規劃教材[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2] 陳仲頤,周景星,王洪瑾.土力學[M].北京:清華大學出版社,1997.