阴坪水电站施工导流建筑物与永久建筑物结合的应用

唐海北, 刘 华, 牟小玲

(中国水利水电第五工程局有限公司第三分局,四川成都 610225)

1 工程概况

阴坪水电站位于四川省平武县境内的涪江一级支流火溪河上,为火溪河水电梯级开发的最后一级,采用低闸引水式开发。

阴坪水电站总装机容量 100 M W,枢纽主要建筑物为Ⅲ级,根据《水利水电工程施工组织设计规范》S D J 338-89规定,其导流建筑物为Ⅴ级。

首部枢纽建筑物从左到右由左岸挡水坝 6#～1#坝段、2孔泄洪闸、1孔冲沙闸段和右岸取水建筑物等组成。闸(坝)顶高程为 1 249.5 m,闸(坝)顶轴线长 147.5 m。左岸挡水坝 6#～1#坝段为重力坝,坝高 14～29.5 m;泄洪、冲沙闸建基高程为 1 215.5 m,底板高程为 1 220.5 m,最大闸高 34 m,闸室长 50 m,宽 28 m,设两边墩和两中墩,墩厚分别为 3 m和 3.5 m。泄洪冲沙闸前设置混凝土铺盖,长 25 m,下游设置护坦和防护段,护坦长 50 m,防护段长35 m。取水建筑物位于河道右岸,由进水闸和岸坡连接墙等组成。

2 导流方式

根据工程的实际情况,采用分期导流方式。导流分三个阶段:第一阶段为导流明渠施工阶段,导流建筑物为新填筑的纵向围堰,在其挡水后由束窄的河床过流;第二阶段为冲沙闸、泄洪闸施工阶段,由二期上游横向土石围堰和下游横向土石围堰围成基坑,导流明渠过水;第三阶段由明渠封堵围堰挡水,由三孔泄洪冲沙闸过水,其中一期和二期均采用全年导流方案,三期采用枯期导流方案。

3 导流明渠方案的选定

导流明渠在本工程中的平面位置见图 1。

根据原设计方案,导流明渠轴线穿过 2#坝挡水坝段,右侧为混凝土重力式挡墙,左侧为贴坡混凝土(图 2)。

经现场察看发现九环线跨坝肩通过,高程较高,明渠左边墙又紧贴九环线改线公路边坡,为保证过流断面,明渠开挖边线几乎影响到九环线路面宽度,更谈不上九环线的边坡安全了。九寨沟为国家级旅游风景区,其九环线每天过往车辆非常多,为交通要道,必须保证其安全。通过对现场的勘察,结合设计图纸,对导流明渠位置进行了调整。具体调整为:将导流明渠调整到 1#坝段,并结合护坦左边墙作为明渠右边墙进行导流。此方案不仅远离了九环线,同时也利用了护坦左边墙,既节约了大量成本,又保证了九环线安全。

4 明渠设计方案

4.1 总体布置

为最大可能平顺水流,改善水流流态,将导流明渠紧贴永久建筑物布置。为确保在开挖时导流明渠的抗滑稳定,增设了固坡齿槽;出口段与护坦左边墙连接,利用护坦左边墙作为明渠右边墙进行挡水,将左侧边坡由原方案的 1∶1.25调整为 1∶1,在护坦段出口接钢筋防冲石笼进行消能。

由于防护段不具备施工明渠条件(主要确保九环线畅通),因此将原布置在防护段的下游围堰上移至护坦段,护坦段的底板、右边墙待下闸蓄水及隧洞过流后再进行施工。

4.2 进口段布置

图 1 导流明渠平面布置图

图 2 导流明渠原设计方案示意图

进口段根据现场实际情况全部调整为圆弧,底板为 60 c m厚混凝土,底宽 12 m,进口点高程为 1 221.5 m,底板坡度为 0.005;右边墙底部为 1 m高的 C 15混凝土,上部为 M 10浆砌石,迎水面为垂直面,背面坡度为 1∶0.7,顶部宽 1 m,墙顶高程为 1 228 m,在边墙与底板连接处设 651型橡胶止水;左边墙采用浆砌石护坡,坡度为 1∶1.25,直接开挖形成(对于局部地形缺失部位,采用洞渣料分层回填和碾压,反铲削坡成型),浆砌石护坡厚度为 60 c m,浆砌石分缝处预留缺口,缺口采用C 20混凝土作永久沉降缝(缝间设 651型橡胶止水)。典型布置情况见图 3。

4.3 坝体段布置

明渠段在 1#坝段处,与 1#坝段永临结合,保证过流宽度为 12 m。边墙顶部高程为 1 229 m,为增强 1#坝段底板的抗折能力,在底板增设了φ 16钢筋,并将防渗墙下游的底板钢筋与防渗墙钢筋连接。

图 3 调整后的导流明渠平面位置示意图

4.4 出口连接段的布置

1#坝段与护坦边墙连接的部位为连接段,连接段长 20 m,底板为 C 15钢筋混凝土结构,底板厚 60 c m,底坡宽度由 12 m渐变为 8 m,高 程 由1 221 m降为 1 219.2 m,底板坡度为 0.072;左边墙为扭面布置,混凝土标号为C 15,顶宽1 m,顶部高程由 1 228 m渐变为 1 224 m,迎水面由直坡渐变为 1∶1,背侧由 1∶0.3渐变为 1∶1,左边墙利用设计开挖边坡,衬砌 1 m厚 C 15混凝土,每 8 m设一道沉降缝,缝间设651型橡胶止水。对于1#、2#坝段因振冲超挖部位,采用洞渣料分层回填;右边墙采用 C 20埋石混凝土(埋石率为 20%),为扭面布置,顶宽 1 m,顶部 高程 由 1 228 m渐变为1 224 m,迎水面由直坡渐变为 1∶0.7,背侧由 1∶0.7渐变为直坡。为确保泄洪闸开挖时明渠的稳定,增设了固坡齿槽,齿槽底宽 4 m,底部高程与泄洪闸建基高程一致。

连接段设永久沉降缝,缝间设 651型橡胶止水。为防止超标准洪水,右边墙顶部在特殊情况下采用浆砌石作临时挡水子堤。

4.5 护坦段明渠布置

护坦段明渠结合永久结构物进行布置,将护坦左边墙作为导流明渠的右边墙(为便于止水布置,将护坦边墙钢筋在止水处打折后通过),坡度为 1∶0.5,顶宽为 1.5 m;底板采用洞渣料分层回填并碾压至相应高程后,浇筑 60 c m厚钢筋混凝土底板,底板宽度不低于 8 m,坡度为 0.02;左边墙为水平宽度 1 m的 C 15混凝土,坡度为 1∶1。

该段底板及左贴坡每隔8 m设一道永久沉降缝,缝间设 651型橡胶止水。

根据设计文件并考虑沉降关系,施工顺序为先闸室、后护坦。为防止因先施工护坦边墙而造成止水失效,在与泄洪闸左边墙止水连接处,采用预留二期混凝土的方式进行处理。一期混凝土不设止水,待泄洪闸右边墙浇筑完成后再进行护坦部位的止水混凝土浇筑。

4.6 出口防护段布置

护坦出口处的高程为 1 218.2 m,天然河床的高程为 1 216 m左右,为防止水流对原河床造成冲刷,在 0+100～0+120处完成底板混凝土浇筑,底板以上部位采用钢筋石笼进行防护。钢筋石笼采用 φ 20钢筋编制,笼内装块石,钢筋石笼间采用 φ 20钢筋连成整体;边墙采用 C 20混凝土防护,水平宽度为 1 m。

5 结构验算

5.1 过流能力验算

导流明渠按 P=20%标准进行全年导流,相应流量为 245 m3/s。但受出口段九环线限制,导流明渠在闸坝出口段转折较大,断面急速缩小,致使过流壅水曲线偏高,严重影响到明渠的过流量。根据设计提供的水位流量关系曲线图(图 4),明渠实际过流能力约为 150 m3/s。

图 4 导流明渠水位流量曲线图

由于为保证九环线改线公路的安全而不能达到原设计的 P=20%的防洪标准,相应降低了防洪能力,为确保安全,需根据水文资料制定出相应的防洪预案,在特殊情况下,可以利用改线九环线已通的现状,临时将出口段进行扩挖,扩大出口断面,改善流态,增加行洪能力(图 5)。九环线附近地势较为平缓,在将道路临时改道后,仍能保证九环线的正常通行。

5.2 稳定计算

图 5 扩挖平面布置图

导流明渠的结构设计考虑了临时建筑与永久建筑结合的方法,重点对 1#坝段出口段至护坦左边墙的挡墙结构进行稳定性计算。由于新建挡墙紧临永久建筑物,其基础高程高于永久建筑的底高程,为防止后期施工永久建筑时开挖对明渠挡墙基础造成失稳,同时考虑基础振冲对明渠挡墙基础液化的影响,在明渠挡墙离永久结构较近的基础下部设置了一固坡齿槽,底宽 4 m,底部高程与泄洪闸建基高程一致。

导流明渠新建挡墙的稳定计算如下(主要为(闸)0+029.50～ (闸 )0+050.00断面):

抗滑稳定计算:

式中 W为挡土墙每延米的自重,k N;Pa为作用于墙面每延米的总压力,k N;斜墙 Pa=γ◦z◦ta n2(45°-φ/2),竖向 Pa=1/2◦ K0◦ γz(K0为静止土压力系数,γz为土体重度),该处 K0为 1。μ为挡土墙基底面与地基间的摩擦系数,该处选0.5。抗滑稳定取最不利的断面(闸)0+050.00(图 6)进行计算,该段挡墙的抗滑系数为:

图 6 挡墙受力计算图

计算结果 1.51＞1.3,满足抗滑稳定要求。抗倾稳定计算:

式中 a,b,h分别为 W,Pay,Pax对墙址 0点的力臂,m。

同样,取最不利断面(闸)0+050.00进行计算:

计算结果 1.71＞1.5,满足抗倾覆稳定要求。

经验算,导流明渠新建挡墙的抗滑、抗倾覆均满足要求。

挡墙抗折应力计算:

在护坦边墙墙背回填砂砾石,地下水位线位于挡墙 10 m高位置,挡墙配筋已经过设计单位多次验算校核,此处不再校核。

坝基应力计算:

1#、2#坝段及护坦边墙基础均采用振冲桩,且已经设计单位多次验算,满足要求,此处不再校核。

2008年 5月 12日四川汶川发生 8.0级特大地震,工程所处的平武县为重灾区,导流明渠经受了严峻考验。地震后,经现场检查导流明渠稳定,无渗透现象,充分说明设计可靠,施工质量完好。

6 结 语

通过对导流明渠轴线进行调整,既保证了九环线安全,又减少了土石方开挖工程量、临时混凝土工程量及钢筋等,为工程节约了大量资金,同时也保证了工程顺利、安全导流,为在非溢流坝段导流施工积累了一些经验。

[1] 张伯平,党进谦.土力学与地基基础.高等学校精品规划教材[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2] 陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学出版社,1997.