某水電站施工的臨時縱向圍堰優化分析

林志偉

（廈門興海灣監理咨詢有限公司，福建 廈門 361012）

一、概述

一般來講，在水利工程中，圍堰結構適用于臨時、附屬的工程，也可用于構造海域、溪流等沿線護岸、堤岸的“堤芯”主體結構。采取圍堰結構施工，無論是作為臨時、附屬或主體工程，其發揮的功能不可小視，對擬建項目的主體工程實施，起到非常獨特、顯著的作用。因此，圍堰的安全、穩定，關系到主體結構的施工部署，以及能否成功實施、實現預期目標，至關重要。

二、工程概況與簡析

擬建水電站位于某流域的干流上，壩址距城關約16km，距上游已建的某水電站6km，裝機容量1萬kW。樞紐建筑物主要由橡膠壩、河床式發電廠房、擋水壩段、沖砂孔壩段、開關站等組成。

查閱項目招標文件、地勘報告等水文資料情況，本工程的導流標準為3年一遇，施工導流設計標準表1。

該流域內，存在梯級水電站開發及水田灌溉等，施工導流擬采用束窄河床的方式，在上、下游橫向圍堰與縱向圍堰構成的U型圍堰保護下，工程實體（水下部分）在圍堰區域內進行干處施工。在招標文件中，對施工導流的臨時圍堰（上、下游橫向）采取“土石圍堰”、（縱向）采取“漿砌石圍堰”的施工工藝，進度目標為“在枯水期內（即汛前）完成廠房進、出口閘門的安裝和一期大壩的水下施工”。

考慮漿砌石圍堰的施工備料、止水效果、工效問題以及進度安排等工作要求，如按漿砌石圍堰施工，較難實現項目預期目標，特別是環境因素影響、施工組織不力等，一旦施工進度延誤，將導致臨時圍堰的施工時段轉入該流域的汛期期間，項目主體施工的預期目標偏離程度也將加大。

針對塊石運輸與儲備歷時較長，也遠不及充分利用河床開挖的卵石粗集料作為砼施工的拌合骨料，且可利用自備的砼拌合系統、提高設備的使用效率，一旦擬定方案，即可安排實施，施工準備期較短、各項資源投入及時；一方面，漿砌塊石施工，采取止水措施的工藝難度將加大，止水效果也難以有效保證和控制，反而不及采取砼結構（滲透系數較低）；另一方面，人工砌筑塊石的施工作業工效，相對于擬選采取砼澆筑工藝也偏低，影響、制約項目預期目標的實現，且安全風險因素在一定程度上也會有所增加。

表1

圖1 土石圍堰結構剖面圖

因此，縱向圍堰的斷面及形式宜適當調整，據所述的分析情況判定、選取為砼結構，并可進行結構斷面的優化、改進。根據擬建水電站的現場實際情況綜合分析，本工程為河床式電站樞紐，采用分期導流方式，視工程施工實際情況，將上、下游土石圍堰適當加高。圍堰分期實施、主體施工具體如下：

（1）第一期：在縱向砼圍堰和右河床上、下游土石圍堰的防護下，施工右河床的廠房及右岸擋水壩段、沖沙閘及橡膠壩右半部。其中，橡膠壩右半部在年內汛前施工完成，具備過洪條件；右岸擋水壩、沖沙閘、廠房在縱向砼圍堰和右河床上、下游土石圍堰（汛期加高）的防護下，全年施工。

（2）第二期：在縱向砼圍堰和左河床上、下游土石圍堰的共同防護下，施工左河床部位的左岸擋水壩、左岸防洪堤、橡膠壩左半部。

下述按一期圍堰布置，僅涉及枯水期；二期圍堰布置從略。

三、圍堰布置方案

圍堰布置，以滿足壩體施工時的開挖線和基礎輪廓線，以及施工場地內的人員、機械、設備的活動要求為準，并預留2～5m的安全距離，確保水電站的主體結構及臨時圍堰的施工安全。

（1）上、下游土石圍堰

圍堰頂寬為6.0m，迎水面為1：2.2，背水面為1：1.5。土石圍堰結構剖面圖如圖l。

圍堰迎水面以粘土斜墻防滲，鋪設碎石及大塊石護面，上游堰頂高程為189.02m，與縱向圍堰上游高程一致；下游堰頂高程為186.40m，銜接段與縱向圍堰堰頂標高漸變、順接，加高至187.63m。

上游土石圍堰，自右岸岸邊（壩上90.0m），橫向河道戧堤進占；左側與砼縱向圍堰在壩上35.0m位置相交。下游土石圍堰，自右岸岸邊（壩下120.0m），橫向河道戧堤進占；左側與砼縱向圍堰在壩下45.0m位置相交。

圖2

圖3

（2）縱向砼圍堰

在橡膠壩第一個中墩（由右岸往左岸計）軸線上設一道砼圍堰。在壩體部位，砼圍堰向外側繞開，兩側底邊線距離為5m。縱向圍堰上下端為壩上50.0m，壩下75.0m。縱向圍堰上游高程189.02m，下游高程187.63m，均與上、下游的橫向土石圍堰高程順接。縱向砼圍堰的橫剖面圖，基本上按梯形斷面考慮設置，并予以優化后組織實施。

四、縱向圍堰斷面優化

壩址處擬建縱向圍堰的位置，在清基后，基底河床高程各不一致，分段平均高程按182.5m、182.0m控制，以此進行優化分析和穩定性驗算。

（1）優化方案I

圍堰基礎高程以182.5m計，采用迎水面、背水面均為1:0.25，堰頂寬度為1.0m。橫剖面圖如圖2:

對方案I進行抗滑穩定分析，根據《混凝土重力壩設計規范》中規定，當壩基內不存在可能導致深層滑動的軟弱面時，應按抗剪斷強度公式驗算。重力式砼圍堰采用抗剪斷強度公式計算時，安全系數Ks＇≥3.0；若考慮排水失效情況，Ks＇≥2.5。

計算公式：Ks＇=（f＇（∑ W-U）+c＇A）/ ∑P

式中：Ks＇——抗剪斷穩定安全系數；

f＇——抗剪斷摩擦系數；

∑W——作用于基礎截面上的總垂直力；

c＇——抗剪斷凝聚力；

A——基礎面積；

∑P——作用基礎截面以上的總水平力。

抗剪斷摩擦系數f＇及抗剪斷凝聚力c＇，結合本工程現場實際，并參考已建類似工程進行分析、擬定。一般情況下，f＇=0.9～1.5，c＇=0.7～1.5MPa（7～15kgf/cm2）。

驗算過程如下：

參考《簡明施工計算手冊》，取砼強度等級≤C15，計算容重為2360Kg/m3×9.8N/kg=23.13kN/ m3；

經驗取值：f＇=1.0，c＇=10kgf/cm2；

以H=6.52m的 水 頭 計 算，P=0.5×9.8×6.522=208.30kN/m；

計入揚壓力 U=0.5×9.8×6.52×（1.0+6.52×0.25×2）=136.10kN/m的影響，∑W-U=[1.0+（1.0+6.52×0.25×2）]×6.52/2×23.13-136.10=260.52kN/m；

校核控制斷面，安全系數Ks＇=[1.0×260.52+10×9.8×（1.0+6.52×0.2 5×2）]/208.30=3.25>2.5。因此，該優化方案是可行的。

（2）優化方案II

圍堰基礎高程以182.0m計，采用迎水面為直立面，背水面坡度比為1：0.5，堰頂寬度為1.0m。橫剖面圖如圖3。

對方案II進行抗滑穩定分析，驗算過程如下：

C15 砼的容重，f＇、c＇的經驗取值，與優化方案I一致；

以H=7.02m的 水 頭 計 算，P=0.5×9.8×7.022=241.47kN/m；

計入揚壓力 U=0.5×9.8×7.02×（1.0+7.02×0.5）=155.13 kN/m的影響，

∑ W-U=[1.0+（1.0+7.02×0.5）]×7.02/2×23.13-155.13=292.21kN/m；

校核控制斷面，安全系數 Ks＇=[1.0×292.21+10×9.8×（1.0+7.02×0.5）]/241.47=3.04>2.5。因此，該優化方案也是可行的。

結語

在圍堰內進行工程實體施工，臨時圍堰的安全性與施工質量同等重要。上述優化方案I、II的圍堰橫剖面圖，均適用于該水電站的縱向砼圍堰施工。在施工過程中，定期觀測堰頂設置的沉降觀測點，觀測數據顯示堰體基本趨于穩定、無異常沉降；同時，加強U型圍堰范圍的安全巡檢，特別是縱向砼圍堰與橫向上、下游土石圍堰的交接部位檢查，均未發現圍堰兩側及端頭有產生明顯沉陷、滑移或失穩現象，圍堰整體穩定性高。

因此，優化后的砼圍堰方案，更為該水電站的基礎與主體施工創造了良好的工作條件；該圍堰結構的安全穩定系數富余，具備施工可行性，工藝可靠，成功實現了項目預期目標。

[1]沙沱水電站縱向圍堰水下混凝土導管法澆筑施工[J].大眾科技.