某水电站工程一期围堰导截流设计资料.docx
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某水电站工程一期围堰导截流设计资料
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3200m3/s，校核洪水采用10000年一遇洪水加10%，相应流量为4430m3/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2530m3/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，总装机容量4×25MW。
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18×3m，最大坝高57.6m）、冲沙底孔坝段（坝段长度16m，孔口尺寸5×4m，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1～2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6～8月，年最低水温出现在1～2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0～8m，下伏基岩为中厚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6～23m。
其中，上部3～5m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25～80m，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；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（1956.6～1987.5）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（6～9月）径流量占年径流量的76.6%；春汛期（4～5月）径流量占年径流量的5.9%；平水期（11～12月）径流量占年径流量的12.9%；枯水期（1～3月）径流量仅占年径流量的4.6%，枯期径流平稳，一般在40m3/s左右，流域内天然最枯量出现在1～3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1954～2000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-Ⅲ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m3）
均值
1430
1.2
3.38
5.31
7.06
Cv
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
Cs/Cs
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
P=0.01%
4030
3.38
9.53
15.0
19.9
P=0.2%
3200
2.69
7.57
11.9
15.8
P=2%
2530
2.13
5.98
9.39
12.5
P=5%
2240
1.88
5.29
8.32
11.1
2.3.2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1～3月枯水期、4月、5月（9汛前过渡期）、6～9月（主汛期）、10月、11月、12月（汛后退水期）等7个时段。
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
分期
使用期
设计频率
P=3.33%
P=5%
P=10%
P=20%
1～3月
1.1～3.25
83.8
81.1
76.1
70.4
4月
3.26～4.20
410
348
249
160
5月
4.21～5.31
629
569
466
360
6～9月
6～9月
2370
2240
2010
1750
10月
10月
654
607
525
438
11月
11月
201
192
177
161
12月
12月
109
106
99.9
92.7
施工阶段补充的唐加水文站10～11分旬的径流资料如表3：
表3流量单位：
m3/s
时间
10月
11月
上旬
中旬
下旬
上旬
中旬
下旬
旬平均流量
298
214
160
125
103
84.5
P=2%
567
349
248
185
150
121
P=5%
522
317
228
171
139
113
P=10%
441
291
211
160
130
106
P=20%
376
260
191
146
120
97.6
3.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Ⅱ级，临时建筑物为Ⅳ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Ⅳ级。
对于Ⅳ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（Q5%=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（3-7×8m）。
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。
4.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。
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3862.0m～3858.0m，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S59059′59.4″E；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149000′59″，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高程，其中w2-w3段走向为S29000′0.41″E长度为240m,w3-w4段走向为S19050′18.9″E，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S30000′0.4″W，与纵向围堰夹角为130009′40.62″。
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%=2240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+000~0+050m、0+300~0+609.5m范围坡比为1：
2.0，0+050~0+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,上铺20cm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
用图解求最小安全系数。
2
圆弧二
1.067
3
圆弧三
1.028
4
圆弧四
1.654
5
圆弧五
1.027
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5m；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+050~0+300m。
上游围堰（0+000~0+050m）、纵向围堰下游段（0+300~0+424.5m）、下游围堰（0+424.5~0+609.5m）迎水面边坡取1：
2.0，能够满足稳定要求，无须处理。
4.2.3土石围堰填料设计
4.2.3.1防渗碎石土设计
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
10~25
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
<1×10-4cm/s
天然含水量
最好接近最优含水量或塑限
一般以不偏离最优含水量的1%~25为宜
根据对碎石土料场的现场勘测及试验得出该料场土料参数如下：
颗粒级配<5mm平均含量85.73%，<0.1mm平均含量69.42%，<0.005mm粘粒含量9.13%，天然含水量12.83%，击实最大干密度1.64g/cm3，最优含水量19.1%，渗透系数1.1×10-6cm/s，塑性指数平均7.74%。
实测粘粒含量不能满足要求，但浸水试验5min后全部崩解，能够满足围堰心墙填筑要求。
心墙料铺土厚度40cm，含水量控制在12%～17%。
4.2.3.2堰壳料设计
坝基开挖砂砾料根据试验测得参数如下：
卵砾石含量76.42%，不均匀系数Cu=226.8，属不良级配的大卵石。
天然干容重2.25，含泥量0.8%，渗透系数k=0.25cm/s，内摩擦角410。
能够满足围堰填筑要求。
4.2.3.3反滤料设计
围堰反滤料技术指标如表6。
表6
项目
指标
级配
尽量均匀，要求这一粒组的颗粒，不会钻入另一粒组的孔隙中去，为避免堵塞，颗粒小于0.1mm的在数量上不应超过5%。
不均匀系数
≤8
颗粒形状
无片状、针状颗粒，坚固抗冻
含泥量（粘、粉粒）
<3%
渗透系数
１×10-４cm/s~１×10-３cm/s
根据规范要求：
粒径均匀的材料必须达到
（1）D/d<7~20，（D为反滤料颗粒直径，d为防渗心墙土料颗粒直径——5mm；故D要求在35~100mm之间）；
（2）不均匀系数Cu<20（Cu=d60/d10）；（3）细颗粒（d<0.1mm）含量不得超过5%；（4）相邻两层间的层间系数ξ=D20/dk≤5~7（Cu≤5时，dk取d70；Cu>5时，dk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0.42，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M=D15/d85>15，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：
3540MPa
水量：
70L/min风压：
0.20.4MPa
风量：
1.02.5m3/min浆量：
6080L/min
浆液配合比：
水：
水泥=（0.70.8）:
1（重量比）
浆液比重：
1.601.65g/cm3（采用32.5普硅水泥）
摆动速度：
2535回次/min
摆角：
30o
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k≤1×10-5cm/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25~80m，要求围堰轴线桩号0+00~0+396m范围做封闭式防渗墙（深入基岩深度不小于50cm），围堰0+396~0+610m及W5点以右延伸25m范围做悬挂式防渗墙，防渗墙深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H2（m）
q
Q
每小时渗流量（m3/h）
1
3850.000
3835.000
1.76E-03
0.291
1047.58
2
3851.000
3835.000
1.88E-03
0.310
1117.41
3
3852.000
3835.000
2.00E-03
0.330
1187.25
4
3853.000
3835.000
2.12E-03
0.349
1257.09
5
3854.000
3835.000
2.23E-03
0.369
1326.93
6
3855.000
3835.000
2.35E-03
0.388
1396.77
7
3856.000
3835.000
2.47E-03
0.408
1467.06
8
3857.000
3835.000
2.50E-03
0.414
1490.76
9
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=250×200×100㎝，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W2~W3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。
5.2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，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=376m3/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Ｂ （m）
龙口泄流量Ｑg（m3/s）
分流量Ｑd（m3/s）
上游水位▽Ｈ （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Ｚ （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）
1
20.00
133.42
242.58
3853.89
2.87
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