西藏直孔水电站工程一期围堰导截流设计.doc

1、1西藏直孔水电站工程一期围堰导截流设计1. 工程概况直孔水电站位于西藏自治区墨竹工卡县境内拉萨河中下游交界处，距上游墨竹工卡县直孔区 3 公里，距下游墨竹工卡县 22 公里，再下行 78 公里至拉萨市。直孔水电站站工程属二等工程，永久性主要水工建筑物为二级，永久性次要水工建筑物为三级，拦河闸坝设计洪水重现期为 500 年，相应流量为 3200 m3/s，校核洪水采用10000 年一遇洪水加 10%，相应流量为 4430 m3/s，坝体临时挡水渡汛设计洪水标准为 50年一遇，相应流量为 2530 m3/s。直孔水电站正常蓄水位 3888.00m，设计水头 30m，水库库容 1.75 亿 m3，总

2、装机容量 425MW。直孔水电站由混凝土坝、堆石坝、引水系统及岸边式厂房系统组成。建筑物布置从左至右依次为：碎石土心墙堆石坝、混凝土连接挡墙、三孔溢流坝段（坝段长度 183m，最大坝高 57.6m） 、冲沙底孔坝段（坝段长度 16m，孔口尺寸 54m，最大坝高 57.6m） 、右岸混凝土接头坝段及取水口组成。右岸平行布置 2 条引水隧洞，分别各向两台机组供水。发电厂房位于右岸山体后坡，为岸边式地面厂房，厂房尾水与溢流坝和底孔坝段下游消力池汇合后入河床。2. 水文、地质条件 2.1 气象特征距坝址 21km 的墨竹工卡县气象站有较长的气象观测资料，经分析，其气象特征值可以代表坝址气象要素。据墨竹

3、工卡站实测资料统计，多年平均气温为 5.6，极端最高气温为 26.7（1979 年 6 月 17 日） ，极端最低气温为-23.1（1981 年 12 月 26 日） ；均相对湿度为 44.7%；冬季多大风，但在夏季的某些月份也会出现年最大风力，本地区最大风速为 19m/s，相当于八级大风。在坝址附近的河道内，每年十一月至翌年 2 月末、3 月初有岸冰，在最冷的 12 月坝址下游水流较平缓的地方有时会出现全河封冻，据观测，年最高气温发生在 68 月，年最低水温出现在 12 月，多年平均水温 5.5。2.2 地质条件直孔水电站施工导流采取利用河心岛及滩地，作为纵向围堰，采取先右岸后左岸的分期导流

4、方式。CI 标涉及的右岸一期围堰包括上游围堰、纵向围堰、下游围堰。上游围堰：堰基为第四系全新统冲积漂卵砾石层（alQ4） ，厚 08m，下伏基岩为中厚2层状弱风化石英砂岩夹粉砂岩，以及砂质板岩、云母片岩。基础承载力可满足要求，唯冲积漂卵砾石层具强透水性。纵向围堰：围堰基础,部分为基岩，具微透水性；其它多为漂卵砾石层，该层厚623m。其中，上部 35m 为冲积漂卵石层（alQ4） ，结构松散，具强透水性；中下部为冰水积卵砾石层（fglQ2） ，结构相对密实，具中等强透水性。下游围堰：堰基由漂卵砾石层组成，厚 2580m，其中：上部 5m 为冲积漂卵砾石层（alQ4） ，该层结构松散，具强透水性；

5、中下部为结构相对密实，具中等强透水性的冰水积水积卵砾石层（fglQ2）组成，地基承载力可满足要求，唯漂卵砾石层渗透性强。2.2 径流特征拉萨河的径流来源主要是降水，其次是融雪和地下水。根据由拉萨站插补延长后的唐加站 31 年（1956.61987.5）径流系列统计，多年平均流量 237m3/s，径流模数为11.6dm3/（s.km2） ，多年平均年径流深 367mm，折合年水量为 74.7 亿 m3。径流的年内分配不均匀，丰水期（69 月）径流量占年径流量的 76.6%；春汛期（45 月）径流量占年径流量的 5.9%；平水期（1112 月）径流量占年径流量的 12.9%；枯水期（13 月）径流

6、量仅占年径流量的 4.6%，枯期径流平稳，一般在 40 m3/s 左右，流域内天然最枯量出现在 13 月份。2.3 洪水2.3.1 峰量频率计算根据唐加站实测及插补的 19542000 年最大流量、24h、三日、五日、七日洪量系列，加上调查的 1917、1927 年历史洪水（其中 1917 年有位无量） ，共同组成不连序系列，采用钱穆公式计算实测系列经验频率，用 P-型频率曲线适线调整矩法计算的计参数。直孔电站设计洪水直接采用唐加站成果如表 1 所示。表 1 单位：流量 m3/s 洪量亿m3项目洪峰流量（ m3/s）24h 洪量（亿 m3）三日洪量（亿 m3）五日洪量（亿 m3）七日洪量（亿

7、m3）均值 1430 1.2 3.38 5.31 7.06Cv 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3Cs/Cs 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5P=0.01% 4030 3.38 9.53 15.0 19.9P=0.2% 3200 2.69 7.57 11.9 15.83P=2% 2530 2.13 5.98 9.39 12.5P=5% 2240 1.88 5.29 8.32 11.12.3.2 分期设计洪水根据唐加站洪水年内分布特性结合施工要求，将全年分为 13 月枯水期、4 月、5 月（9 汛前过渡期） 、69 月（主汛期） 、10 月、11 月、12 月（汛后退水期）等 7 个时

8、段。通过唐加与拉萨站各分期洪峰流量相关，由拉萨站插补出唐加站缺测期的洪峰流量，按年最大值法独立取样进行频率计算。由于 4、5 月汛前过渡期的洪水有可能提前发生，将4、5 月的分期洪水分别提前 5 天和 10 天使用，即使用期分别为 3 月 26 日至 4 月 20 日、4月 21 日至 5 月 31 日。分期设计洪水成果见表 2。表 2 流量单位： m3/s设计频率分期 使用期P=3.33% P=5% P=10% P=20%13 月 1.13.25 83.8 81.1 76.1 70.44 月 3.264.20 410 348 249 1605 月 4.215.31 629 569 466 3

9、6069 月 69 月 2370 2240 2010 175010 月 10 月 654 607 525 43811 月 11 月 201 192 177 16112 月 12 月 109 106 99.9 92.7施工阶段补充的唐加水文站 1011 分旬的径流资料如表 3：表 3 流量单位： m3/s10 月 11 月时间上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬旬平均流量 298 214 160 125 103 84.5P=2% 567 349 248 185 150 121P=5% 522 317 228 171 139 113P=10% 441 291 211 160 130 106P=20%

10、 376 260 191 146 120 97.6 43.导流设计要求3.1 导流设计标准、导流时段本工程装机容量为 100MW，正常蓄水位以下库容 1.75 亿 m3，属二等工程，其主要建筑物为级，临时建筑物为级。拦河建筑物由混凝土溢流坝、底孔坝段、连接坝段和碎石土心墙土石坝段组成；导流建筑物的使用年限为 2 年，围堰最大高度为 12m，围堰的拦洪库容 0.0774 亿 m3。根据水利水电工程施工组织设计规范 （SDJ338-89） ，导流建筑物的级别为级。对于级导流建筑物、土石类围堰，相应的设计洪水标准为重现期 2010年，结合施工合同要求，导流设计洪水标准选用 20 年一遇，根据施工进度

11、安排，一期基坑采用全年挡水施工，相应的导流设计流量为 2240m3/s。一期围堰河道截流安排在 10 月中旬进行，如果水情允许可以提前进行截流，一期围堰截流标准按 10 月上旬 5 年平均流量选定，相应的设计流量为 376m3/s；3.2 导流方式拉萨河在坝址处由河心岛分为左右两支，水工枢纽布置将厂房设置于右岸山脊下游的缓坡阶地上，河心岛右缘设一纵向混凝土导墙，其右依次为溢流坝、永久底孔和联结坝段等混凝土建筑物；河心岛坐侧河床和左岸台地为土石挡水坝段。根据坝址区地形地貌特征、地址条件、河道水文特性、枢纽布置特点、施工总进度安排等因素，施工导流采用全年断流围堰、分期导流方式。3.3 导流方案根据

12、合同文件要求，直孔电站采用断流围堰、河床分期导流、基坑全年施工的导流方式。一期导流：围右侧河床。2003 年 9 月先进行左岸河床扩挖，并在河心岛上形成一期纵向围堰，2003 年 11 月上旬进行右侧河道截流，堆筑一期围堰上下游段，形成一期基坑，河水由左侧河道宣泄。一期围堰按 20 年一遇频率洪水（Q 5%=2240m3/s）设计，全年进行右岸引渠扩挖、底孔坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段、进水口和岸边厂房的施工。由于二期导流的要求，在溢流坝段 3852.0m 高程处，分别设置三个导流底孔(3-78m)。2005 年 10月，在一期工程完建的混凝土坝体具备挡水条件后，拆除一期围堰上下游段，河水由导

13、流底孔和永久底孔过流。二期导流：(不属于本标范围)围左侧河床。2005 年 10 月下旬进行左侧河道截流。利用一期工程完建的底孔坝段过流和顺河混凝土导墙作为二期纵向围堰，堆筑二期上下游枯水围堰，形成二期基坑，进行左岸堆石坝段的施工，河水全部由导流底孔和永久底孔宣泄。54.导流工程挡水建筑物设计4.1 导流建筑物类型选择西藏直孔水电站处于高寒地区，冬季气温较低，混凝土施工将受到低温气候的影响，施工工期不能保证，故不能选择混凝土围堰；坝轴线上游河床狭窄，覆盖层深厚，基础处理、施工布置较困难，以土石围堰为宜。根据坝址附近料场勘测情况，坝址上游右岸侧有能满足围堰防渗要求的碎石土，而且距离较近，容易开采

14、。堰体采用碎石土心墙防渗，基础以高喷混凝土防渗墙防渗。4.2 围堰设计4.2.1 围堰平面布置一期围堰轴线总长度为 610m，堰顶高程 3862.0m3858.0m，最大堰高 11.6m，顶宽度9m，堰体采用碎石土心墙防渗、堰基采用振孔摆喷混凝土防渗墙，最深约 20m。围堰共分为三段，由上游围堰、纵向围堰和下游围堰组成。上游围堰 w1-w2 段长度为 50m，堰顶高程 3862m，方向为 S5905959.4E；纵向围堰段沿河心岛布置 w2-w4 段，长度 374.6m，与上游围堰夹角为 14900059，坝轴线以上堰顶高程 3862.0m，坝轴线以下按 3.33%坡降均匀降至 3858.0m

15、 高程，其中 w2-w3 段走向为 S290000.41E 长度为 240m,w3-w4 段走向为 S1905018.9E，长度为 134.6m。下游围堰 w4-w5 段，位于下游，横跨右侧河床布置，堰顶高程 3858.0m，堰高 6m；设计长度为 185.4m，走向为 S300000.4W，与纵向围堰夹角为 13000940.62。4.2.2 围堰断面设计围堰断面形式采用碎石土心墙堆石围堰。碎石土心墙直接建造于经过表面清理的砂卵石地基上。对上游围堰转角处和纵向围堰及纵向围堰下游转角处均采用铅丝块石笼护底、钢筋石笼护坡以满足抗冲要求，并对左岸河床进行部分扩挖，以满足汛期过流要求。按 Q5%=2

16、240 上游围堰相应洪水位为 3858.4m，考虑安全超高因素等，由此确定上游围堰顶高程为 3862m（偏于安全） ，最大堰高 11.6m；迎水面 0+0000+050m、0+300 0+609.5m范围坡比为 1：2.0，0+0500+300m 范围 3855m 高程以上部分坡比取 1：1.8，3855m 高程以下部分坡比取 1：2.0；背水面坡比取 1：1.75；堰体填筑料为坝基开挖砂砾石和进水口开挖的石碴料，心墙料取自上游土料场的碎石土料，心墙和堰体上下游均布置 50cm 的级配过渡料和反滤料；心墙下部厚度为 5m,上下游边坡均为 1：0.3，心墙顶高程为 3861.7m,上6铺 20c

17、m 碎石及 10cm 厚的碎石土作为路面；迎水面一侧增加土工格栅，每铺一层堰壳料增加一层土工格栅，土工格栅垂直于轴线方向的宽度分别为1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m；土工格栅不得穿入心墙内；考虑到纵向围堰形成后对左河道过流能力的影响；混凝土溢流坝施工期间，围堰将作为基坑开挖出碴和混凝土坝段施工的主要交通通道，顶宽取 9m,以满足施工交通要求。 沿上游围堰和纵向围堰，河床基础除有部分岩石出露外，大部分均为 alQ4(现代河床冲积堆积)，为保证基坑开挖顺利进行，需进行防渗处理。堰基基础防渗设计采用振孔摆喷混凝土防渗墙，振孔摆喷灌浆平台设计高程取原河道 20 年一遇洪水相应洪水位水为

18、3855.0m 高程，防渗轴线沿碎石土心墙轴线布置，深入基岩 0.5m，防渗墙最小厚度 0.5m，钻孔孔距 1.2m。粘土心墙与高喷灌浆的接触带，在心墙填筑时应将进行高喷灌浆的表层1.0 厚砂砾石挖除后进行粘土心墙的填筑，以保证堰体和堰基有良好的结合。纵向围堰下游小部分和下游围堰段河床部位，覆盖层深厚，上部 5-6m 为 alQ4(现代河床冲积堆积 )，该层结构松散，具有强透水性；中下部为结构相对密实，具有中强透水性冰水积卵砾石层(fglQ2)组成，需采取相应的防渗处理措施，考虑到围堰距开挖基坑较远，且围堰挡水水头不大，做封闭式高喷防渗墙的成本过大，不符合经济适用的原则，所以只在下游围堰河床段

19、做悬挂式高喷防渗墙防渗，辅助挖截水沟，增强排水措施，以满足施工要求。为验证边坡坡比为 1:1.8 部分是否稳定进行分析计算如表 4。表 4序号 圆弧 安全系数 备注1 圆弧一 1.111 2 圆弧二 1.067 3 圆弧三 1.028 4 圆弧四 1.654 5 圆弧五 1.027 用图解求最小安全系数。最小安全系数 1.027 迎水面边坡坡比为 1：1.8，最危险滑动面与围堰迎水坡面之间最大距离为 2m，刚好穿过钢筋石笼，不会出现滑动。圆弧二基本处于临界状态。围堰迎水面边坡加需增加土工格栅进行抗滑处理，处理方法如下：3855m 至 3857.4m 高程土工格栅沿垂直围堰轴线方向敷设宽度为 5

20、m；3858.2m 高程土工格栅沿垂直围堰轴线方向敷设宽度为 4m；3859.0m 高程土工格栅沿垂直围堰轴线方向敷设宽度为 3m；3859.8m 高程土工格栅沿垂直围堰轴线方向敷设宽度为 2m；3860.6m 高程土工栅格沿垂直围堰轴线方向敷设宽度为 1m。土工格栅上下层间距为 0.8m，以满足稳定要求。增加土工格栅的范围为围堰轴线 0+0500+300m。上游围堰（0+0000+050m） 、纵向围堰下游段（ 0+3000+424.5m） 、下游围堰（0+424.50+609.5m）迎水面边坡取 1：2.0，能够满足稳定要求，无须处理。74.2.3 土石围堰填料设计4.2.3.1 防渗碎石

21、土设计围堰防渗体土料技术指标如表 5。表 5项目 指标 备注粘粒含量 斜墙或心墙围堰 15%30%为宜 大 于 50%60%的 重 粘 土 不 宜 采 用塑性指数 斜墙或心墙围堰 1025 大 于 30 时 ， 其 含 粘 粒 量 太 高 ， 不 宜 采 用渗透系数 斜墙或心墙围堰 5 时，d k取 d15；)根据左岸料场勘测资料，左岸砂砾料场砂砾料含砂率在 20%左右，砂平均粒径为80.42，属中砂，砾石成分为花岗岩、闪长岩、玄武岩、石英砂岩等，去除特大石后可直接用于围堰填筑反滤料。上游过渡料及下游反滤料，含水量控制在 9%15% 。4.2.4 围堰基础防渗墙设计围堰基础覆盖层较厚，可灌比

22、M=D15/d8515，所以根据关注规范要求灌注水泥浆。围堰基础覆盖层混凝土防渗采用振孔摆喷法施工工艺，该工艺是利用大功率振动器将高喷管直接振至预定深度，使造孔和下管一次完成，结合小孔距，充分利用高压水射流近喷嘴的高能区切割地层，从而实现快速提升的一种新工艺，其主要特点是施工不用分序实现重复切割地层，具有高效率、地层适应性强，成墙质量好，节省材料。振孔摆喷主要设计参数：孔距：0.8m 孔径：168mm孔深：15m（含围堰部分） 水压：35 40MPa水量：70L/min 风压：0.2 0.4MPa风量：1.0 2.5m3/min 浆量：60 80L/min浆液配合比： 水：水泥=（0.7 0.

23、8）:1(重量比)浆液比重：1.60 1.65g/cm3（采用 32.5 普硅水泥）摆动速度：25 35 回次/min摆角：30 o方向：摆角中心线与防渗墙轴线一致提升速度：砂（卵）砾石 2535cm/min；基岩 1015cm/min墙体指标：（1）灌浆材料为纯水泥浆（2）墙体渗透系数 k110 -5cm/s；（3）墙体厚度不小于 20cm。4.2.5 渗流计算纵向围堰下游段及下游横向围堰基础覆盖层厚度 2580m，要求围堰轴线桩号0+000+396m 范围做封闭式防渗墙（深入基岩深度不小于 50cm） ，围堰 0+3960+610m 及W5 点以右延伸 25m 范围做悬挂式防渗墙，防渗墙深

24、 18m（含围堰部分） 。由于纵向围堰下游裹脚处及下游横向围堰基础覆盖层厚度 25m 以上，做高喷灌浆时补充该段地质勘探，暂时按纵向围堰下游裹脚处基础覆盖层厚 25m、下游横向围堰基础覆盖层厚 60m 考虑，防渗墙深 18m 进行渗流计算参数如表 7。表 7序号 外侧水位 H1(m) 内侧基坑高程 q Q 每小时渗流量9H2(m) （m 3/h)1 3850.000 3835.000 1.76E-03 0.291 1047.582 3851.000 3835.000 1.88E-03 0.310 1117.413 3852.000 3835.000 2.00E-03 0.330 1187.25

25、4 3853.000 3835.000 2.12E-03 0.349 1257.095 3854.000 3835.000 2.23E-03 0.369 1326.936 3855.000 3835.000 2.35E-03 0.388 1396.777 3856.000 3835.000 2.47E-03 0.408 1467.068 3857.000 3835.000 2.50E-03 0.414 1490.769 3858.400 3835.000 2.52E-03 0.419 1508.84根据以上渗流计算并结合每沿米摆喷的造价情况，防渗墙深度选择在 18m（含围堰部分）左右比较经济合

26、理。4.2.6 围堰抗冲设计一期围堰截流后，由于对原河床有较大的束窄，虽然截流前进行了主河道的扩挖，主河道的过流能力仍有较大的下降，相同流量下原主河道水位会有所抬升，流速有所加大。根据水力学计算，参考一期围堰水力学模型试验中间成果，发生二十年一遇设计洪水时，最大流速约在 4.67m/s，因此一期围堰上下游转角处和纵向围堰必须采用抗冲保护措施。根据水力学计算，对上游围堰及裹头处外侧采用铅丝块石笼护底、钢筋石笼护坡以满足围堰抗冲要求；对纵向围堰及纵向围堰下游裹头处外侧均铅丝块石笼护坡，铅丝块石笼厚度 100cm，水平宽度 300，长 500cm，装 30以上的块石。钢筋石笼尺寸为长宽高=25020

27、0100，装 30以上的块石。同时为防止左岸河床因冲刷严重致使纵向围堰失稳，对 W2W3 范围河床进行护底，护底宽度为 10m，其中靠围堰堰脚 5m 范围内采用铅丝石笼护底，其余 5m 用块石串护底，具体护底厚度参照水力学模型试验成果推荐方案。 为防止下游回水对下游围堰的掏涮，下游围堰河床段采用干砌块石护坡。5.截流设计5.1 截流方式根据现场实际情况本工程截流方式采用单戗堤立堵截流。先完成部分纵向围堰施工，并做好上游裹头，然后从右岸上游围堰纵向围堰进占，逐渐束窄龙口直到全部拦断。105.2 截流时间根据施工进度安排、水文气象资料分析，截流时间选在 2003 年 11 上旬进行。如果水情允许，

28、可适当提前。5.3 截流流量按照水利水电施工组织设计规范要求，截流流量选用 10 月上旬 5 年一遇洪水标准，P=20%，Q=376m 3/s，相应下游水位 3852.45m 。截流完成后上游水位 3854.57m。 5.4 截流戗堤设计5.4.1 戗堤的选择本工程考虑采用单戗堤立堵法截流，根据截流计算，截流完成后上游水位高程为3854.57m。根据规范要求戗体增加安全超高 0.5m，则戗堤顶高程取 3855.1m，戗堤作为围堰堰体的一部分。由于主河道过流能力强，截流时，龙口水深及落差小，平均流速小，预留龙口宽度可取 15m。考虑戗堤顶宽度 8m，截流戗堤设在纵向围堰上游段，戗堤断面为梯形，戗

29、堤上、下游抛投方向的边坡分别为 1:1.5、1:1.75。5.4.1 龙口位置根据地质资料，上游围堰河床为 alQ4(现代河床堆积)，最大厚度约 8m，靠河心岛处岸坡较陡， 有基岩出露为二叠第上统下段。根据一期围堰布置情况，上游横向围堰很短，如果将龙口位置设在上游横向围堰上，则纵向围堰填筑完成后，右岸河床基本已断流，无须截流，如此将造成纵向围堰上游段（河心岛以上 80m）填筑非常困难，而且在填筑过程中要对堰角采取必要的防冲措施。所以龙口位置选择在围堰轴线 0+70m0+90m 范围内。实际形成龙口宽度以抛投料中块石不被冲走为原则。5.4.2 截流水力学参数计算一期围堰截流时，为汛后退水时段。截流流量为 376m3/s 。截流参数如表 8。 表 8序号龙 口宽 (m)龙 口 泄流 量 g (m3/s )分 流 量 d (m3/s )上 游 水位 （ m）上 游水 头 H （ m）上 游静 水深 （ m）下 游 水位 （ m)龙 口上 、下 游落 差 (m)龙 口 平均 流 速 v (m/s )单 宽 流量 q (m3/s )单 宽 功率 N龙 口 底 高 程 (m)下 游 围堰 出 口水 位 (m)