江西省永修縣柘林水電站設(shè)計(jì)分析

江西省永修縣柘林水電站設(shè)計(jì)分析

0過(guò)洪水計(jì)算的數(shù)據(jù)分析沱林水庫(kù)位于秀河支流末端的江西省永修縣。這是一個(gè)集水區(qū)主要功能于防洪、灌溉（灌溉農(nóng)田近2.7萬(wàn)米hm）、交通運(yùn)輸、水產(chǎn)等綜合效應(yīng)的大型（1）水利水電工程?，F(xiàn)有安裝功率為180mw。樞紐由主壩、3座副壩、2座溢洪道、泄洪放空洞、引水發(fā)電系統(tǒng)、船筏道、竹木過(guò)壩機(jī)及灌溉引水洞等建筑物組成;主要擋水及泄洪建筑物的級(jí)別為1級(jí),設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇(P=0.1%)洪水設(shè)計(jì)、可能最大洪水(PMF)校核。柘林水庫(kù)壩址以上流域面積9340km2,總庫(kù)容79.2億m3,設(shè)計(jì)洪水位70.13m,校核洪水位73.01m,正常蓄水位65.0m,汛期限制水位64.0m,死水位50.0m;正常蓄水位以下庫(kù)容50.17億m3,防洪庫(kù)容32億m3,死庫(kù)容15.73億m3。水庫(kù)在各洪水重現(xiàn)期(頻率)下運(yùn)行的調(diào)洪成果如表1。該電站主要承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)峰及事故備用任務(wù)。進(jìn)入90年代以來(lái),江西省經(jīng)濟(jì)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,電力供需矛盾日益突出,特別是電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰的需求更為尖銳,為此柘林水電站進(jìn)行了擴(kuò)容。擴(kuò)建工程的裝機(jī)容量規(guī)模為240MW,根據(jù)現(xiàn)有的柘林水電站樞紐布置及主要建筑物現(xiàn)狀,以及地形、地質(zhì)條件,擴(kuò)建的發(fā)電引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、尾水渠、開(kāi)關(guān)站等,集中布置于原泄洪放空洞北側(cè)鯽魚(yú)山的上、下游。進(jìn)口引水渠利用北側(cè)庫(kù)灣擴(kuò)挖形成,進(jìn)水口緊靠鯽魚(yú)山腳西側(cè)布置,引水隧洞穿越鯽魚(yú)山底部,廠房布置于鯽魚(yú)山下游的地基山南側(cè)。主要建筑物中進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管等建筑物級(jí)別為1級(jí),其設(shè)計(jì)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)與擋水及泄洪建筑物相同;擴(kuò)建的發(fā)電廠房為2級(jí)建筑物,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇(P=1%)設(shè)計(jì),500年一遇(P=0.2%)洪水校核。1水隧道施工進(jìn)水口施工包括引水明渠的開(kāi)挖、襯砌,以及2條(5號(hào),6號(hào))引水隧洞施工,高程均在水庫(kù)運(yùn)行水位以下,圍堰的設(shè)計(jì)要保證以上施工項(xiàng)目的干地施工。根據(jù)地形、地質(zhì)條件,需要布置兩道圍堰才能滿足施工要求,即:引水明渠進(jìn)口圍堰(北圍堰)和引水隧洞右岸圍堰(南圍堰)。1.1圍堰設(shè)計(jì)期確定由于柘林水庫(kù)下游有重要城鎮(zhèn)(包括九江、南昌等重要城市)、大量工礦企業(yè)(昌、九工業(yè)走廊)和重要的交通干線,若圍堰失事產(chǎn)生的后果將是無(wú)法彌補(bǔ)的。為了降低圍堰的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)先對(duì)施工程序等作了明確的規(guī)定,主要有:a.在引水隧洞貫通前,引水明渠和進(jìn)水口在南、北圍堰的保護(hù)下施工,如果發(fā)生超標(biāo)洪水或者圍堰失事,只是淹沒(méi)進(jìn)水口基坑,不會(huì)產(chǎn)生太大的經(jīng)濟(jì)損失;b.引水隧洞開(kāi)挖施工時(shí)要預(yù)留巖石堵頭段,待進(jìn)水口完工、進(jìn)水口閘門能夠擋水工作后,才挖除預(yù)留巖石堵頭段貫通整個(gè)引水隧洞;c.當(dāng)根據(jù)水情、水文預(yù)報(bào)可能發(fā)生超標(biāo)洪水時(shí),要迅速放下進(jìn)水口閘門,使洪水不能沿引水隧洞下泄。因此,進(jìn)水口圍堰只需承擔(dān)引水明渠及進(jìn)水口基坑的保護(hù)作用。根據(jù)部頒《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范(SDJ338-89)》,基坑施工、圍堰擋水期間進(jìn)水口圍堰級(jí)別為Ⅳ級(jí),設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的洪水重現(xiàn)期為20～10年;再結(jié)合本工程的特點(diǎn)和重要性,最后確定圍堰設(shè)計(jì)為不過(guò)水土石圍堰,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,相應(yīng)的圍堰擋水水位根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)洪成果(見(jiàn)表1)為66.82m;考慮超高后,確定進(jìn)水口圍堰(南、北圍堰)堰頂高程為67.5m。為了方便圍堰施工、減少水下拋投量、降低施工難度,同時(shí)要求盡可能降低水庫(kù)運(yùn)行水位,并在枯水期能維護(hù)連續(xù)3個(gè)月的施工期。但從1984～1994年歷年最低庫(kù)水位統(tǒng)計(jì)值中知;1987年最低水位50.07m,近3～5年內(nèi)水庫(kù)運(yùn)行正常,水庫(kù)水位很難降到死水位50m的水平。因此,確定水下堰體施工平臺(tái)高程為56.0m,在此施工期間要求水庫(kù)水位不高于55.0m。1.2大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.2.1小樣本南圍堰南圍堰布置在擴(kuò)建工程6號(hào)引水隧洞進(jìn)口與原大壩泄洪洞進(jìn)口之間,圍堰軸線長(zhǎng)140m,圍堰軸線北距引水明渠中心線75.53m,南距原泄洪放空洞80m。圍堰軸線附近的地形、地質(zhì)情況為:東側(cè)為大壩壩肩80m高程山包,西側(cè)為庫(kù)灣山脊(俗稱陰陽(yáng)山),堰基底部地面高程約43.0m,表層有厚度為3m左右的淤泥分布,靠東側(cè)有3m厚的人工堆積塊石;地層由西向東分別為Zbp(冰磧巖)、Zad6(砂巖)、Zad5(粗砂礫巖);堰基力學(xué)參數(shù)為:淤泥f′=0.09,C′=0.01MPa,K=0.09m/d;粘土夾碎石f′=0.27,C′=0.01MPa,K=0.09m/d;Zbp全～強(qiáng)風(fēng)化冰磧巖f′=0.35,C′=0.05MPa;Zad6強(qiáng)風(fēng)化砂巖f′=0.45,C′=0.1MPa;Zad5強(qiáng)風(fēng)化礫巖f′=0.40,C′=0.05MPa。可以看出,堰基淤泥層抗剪指標(biāo)很低,對(duì)堰體的抗滑穩(wěn)定很不利,需要采取處理措施。設(shè)計(jì)要求在圍堰進(jìn)占施工前,采用射流式挖泥船或其他清淤設(shè)備清除堰體位置的淤泥層。南圍堰堰頂寬8m,迎水、背水面邊坡都分為2級(jí),坡比均為1∶1.75,最大堰高32.5m,最大底寬104.5m。筑堰材料為:水下拋投部分為塊石和普通石渣,塊石用于施工前期的水下進(jìn)占以增強(qiáng)堰體穩(wěn)定性,要求85%以上填料粒徑大于20cm,軟化系數(shù)大于0.8;普通石渣用于防滲高噴板墻造孔區(qū),為減小鉆孔難度,加快施工進(jìn)度,要求粒徑小于20cm,含泥量小于30%。水上填筑部分為普通石渣、堆石:普通石渣要求粒徑小于30cm,含泥量小于30%;護(hù)坡塊石要求粒徑大于30cm,軟化系數(shù)大于0.8。水上部分堰體在填筑時(shí)要求采用振動(dòng)碾等碾壓設(shè)備進(jìn)行分層碾壓,使其碾壓后的最大干容重、孔隙率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。南圍堰的防滲型式采用高噴板墻接土工膜。高噴板墻防滲范圍從56.0m高程直至堰基覆蓋層底部,并伸入基巖50cm,防滲面積1290m2。高噴板墻型式為擺噴,擺噴角25°,折線型搭接;鉆孔68個(gè),孔距1.6m,最大孔深16m,平均孔深12.25m,要求板墻最小厚度40cm,結(jié)石強(qiáng)度大于C8,滲透系數(shù)K≤10-7cm/s。高噴施工分Ⅰ,Ⅱ序進(jìn)行,施工結(jié)束后要采用圍井法進(jìn)行檢查和驗(yàn)收。南圍堰的斷面結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。土工膜防滲范圍從堰頂至56.0m高程高噴平臺(tái),防滲面積1370m2,通過(guò)蓋帽混凝土條帶和高噴板墻結(jié)合。土工膜型式采用兩布一膜復(fù)合式,主膜厚0.8mm,兩側(cè)粘有無(wú)紡布,設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為5.07kN/m2,斷裂延伸率為30%。土工膜施工時(shí)采用“之”字形鋪設(shè),折皺高度75cm,與堰體碾壓層厚度相適應(yīng),其連接采用粘合劑連接方式施工,土工膜兩側(cè)采用砂壤土作過(guò)渡保護(hù)。土工膜和岸坡結(jié)合方式為:在土工膜與岸坡的結(jié)合部位挖槽,清除岸坡覆蓋層直至基巖相對(duì)不透水層,在槽內(nèi)預(yù)埋土工膜,并澆筑混凝土形成刺墻。1.2.2土石圍堰邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算按照《水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)導(dǎo)則(DL/T5087-1999)》的有關(guān)規(guī)定,圍堰背水坡坡腳距水久建筑物基礎(chǔ)開(kāi)挖邊坡開(kāi)口線不宜小于10m;對(duì)永久建筑物基礎(chǔ)開(kāi)挖較深時(shí),應(yīng)對(duì)圍堰基礎(chǔ)巖層中的軟弱層面的穩(wěn)定進(jìn)行核算。由于南圍堰背水坡坡腳將在引水明渠開(kāi)挖時(shí)被部分挖除,并形成10m左右高度的直立邊坡(引水明渠右邊墻),有可能產(chǎn)生向引水明渠基坑的深層滑動(dòng)破壞,因此需要對(duì)背水坡基礎(chǔ)進(jìn)行支護(hù)處理,以保證南圍堰的抗滑穩(wěn)定安全。按照《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范(SDJ338-89)》,Ⅳ級(jí)建筑物土石圍堰的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求大于或等于1.05。南圍堰的抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)取值如表2,采用水科院編寫(xiě)的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程度(STAB)》按施工進(jìn)度分階段進(jìn)行計(jì)算。第一階段:圍堰施工完成后進(jìn)行基坑抽水,此時(shí)尚未進(jìn)行引水明渠開(kāi)挖施工,按照最不利工況(水庫(kù)水位66.82m,基坑水位抽水至最低高程)計(jì)算,背水坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.21,滿足規(guī)范要求。第二階段:引水明渠開(kāi)挖至底板高程35.0m,圍堰背水坡不考慮支護(hù)措施,按照最不利工況(水庫(kù)水位66.82m,基坑水位抽水至最低高程)計(jì)算,背水坡穩(wěn)定安全系數(shù)為0.9,達(dá)不規(guī)范要求,即會(huì)產(chǎn)生圍堰背水坡連同引水明渠邊坡的滑動(dòng),因此必須對(duì)圍堰背水坡以及引水明渠邊坡進(jìn)行支護(hù)處理。背水坡支護(hù)計(jì)算方法為:先用STAB程序計(jì)算,找出最危險(xiǎn)滑弧,再運(yùn)用“極限平衡—傳遞推力法”程序由滑坡體后部逐漸向前計(jì)算,直至算出滑出口的下滑力,再據(jù)此對(duì)堰腳不同基巖情況分段采取治理措施。按計(jì)算結(jié)果采取的具體措施是:樁號(hào)0-45～0-24m采用2根鋼筋混凝土抗滑樁;樁號(hào)0-24～0-15.136m采用15m長(zhǎng)3Φ32錨桿束;在樁號(hào)0-48.5,0-53.5,0-58.5m處采用3根1200kN預(yù)應(yīng)力錨索;對(duì)整個(gè)背水面堰基作15m長(zhǎng)Φ32系統(tǒng)錨桿,并進(jìn)行掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土,最后再澆筑引水明渠混凝土邊墻。加上支護(hù)后,經(jīng)計(jì)算南圍堰背水坡的最小安全系數(shù)為1.28(不考慮引水明渠混凝土邊墻的支擋作用)。鋼筋混凝土抗滑樁橫斷面為2.5m×3m,長(zhǎng)度19m,計(jì)算滑面以下樁體埋深8m,采用單側(cè)配筋(其余為構(gòu)造配筋),混凝土標(biāo)號(hào)為C20。兩樁凈距6m,每根樁可提供抗滑力600t。1.2.3堰體及地質(zhì)條件北圍堰布置在擴(kuò)建工程引水明渠進(jìn)口,圍堰軸線長(zhǎng)137m。由于右岸堰頭附近地形較低,需要利用粘土草袋填筑至堰頂高程。北圍堰軸線附近的地形、地質(zhì)情況為:西側(cè)(引水明渠右岸)為高程67.0m單薄的山脊,東側(cè)為鯽魚(yú)山西坡,堰基高程約為40.0m。圍堰擋水方向下伏地基分布有2～8m厚的黃色粘土夾碎石,表層為3m左右厚度的淤泥層,基巖為Zbd(硅質(zhì)泥灰?guī)r夾頁(yè)巖)。堰體西側(cè)巖體為Zbde(硅質(zhì)頁(yè)巖夾泥巖)、Zbd(硅質(zhì)泥灰?guī)r夾頁(yè)巖),堰體東側(cè)巖體為Zbp(冰磧巖)、Zad6(砂巖)。堰基力學(xué)參數(shù)為:淤泥f′=0.09,C′=0.01MPa,K=0.001m/d;粘土夾碎石f′=0.27,C′=0.01MPa,K=0.09m/d;Zbp及Zbd全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化基巖f′=0.35,C′=0.05MPa。和南圍堰一樣,施工前需要對(duì)堰基淤泥進(jìn)行清除。北圍堰堰頂寬8m,迎水、背水面邊坡都分為2級(jí),坡比均為1∶1.75,1∶1.5,最大堰高27.5m。圍堰堰體及防滲型式均與南圍堰設(shè)計(jì)相同,斷面結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。2進(jìn)水口大壩的施工和運(yùn)營(yíng)2.1高噴支護(hù)施工南、北圍堰均于1998年12月下旬開(kāi)工,先進(jìn)行水下基礎(chǔ)清淤,然后開(kāi)始填筑56m高程以下堰體。1999年1月11日開(kāi)始施工北圍堰高噴板墻,1月13日試噴第一個(gè)孔,1月31日高噴板墻施工結(jié)束,完成鉆孔51個(gè),總進(jìn)尺869.55m(其中Ⅰ序孔26個(gè),進(jìn)尺436.24m;Ⅱ序孔25個(gè),進(jìn)尺433.31m),高噴板墻面積1391.28m2,總耗用水泥量314.02t。高噴施工參數(shù)為:擺角30°,水壓32MPa,氣壓0.5MPa,提升速度控制在10cm/min以內(nèi);1999年2月3日開(kāi)始施工南圍堰高噴板墻,2月4日開(kāi)噴,3月4日高噴板墻施工結(jié)束,完成鉆孔85個(gè),總進(jìn)尺1199.55m,總耗用水泥量763.94t。高噴施工參數(shù)為:擺角40°,水壓32MPa,氣壓0.5MPa,提升速度控制在10cm/min以內(nèi)。圍堰高噴板墻施工結(jié)束后,由于工期較緊,沒(méi)有按原設(shè)計(jì)要求作圍井壓水試驗(yàn),只作了滲水試驗(yàn)。3月中旬開(kāi)始施工南、北圍堰56m高程以上堰體,包括與岸坡接頭的混凝土刺墻、堰體填筑和鋪設(shè)土工膜,4月10日南、北圍堰達(dá)到堰頂設(shè)計(jì)高程。南圍堰填筑完工以后,由于沒(méi)有時(shí)間對(duì)背水坡坡腳作處理,因此決定1999年汛期不開(kāi)挖堰腳基坑,并用土石渣填塘反壓,增加渡汛安全。汛后開(kāi)始開(kāi)挖引水明渠,對(duì)南圍堰堰腳部分,做到邊開(kāi)挖邊按設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)施工的難點(diǎn)在于抗滑樁的開(kāi)挖,采用的方法是人工鉆孔,爆破開(kāi)挖,卷?yè)P(yáng)機(jī)配小車出渣,潛水泵抽取孔內(nèi)涌水。由于抗滑樁的施工就在堰腳進(jìn)行,為了減小爆破振動(dòng)對(duì)圍堰高噴板墻的影響,采取了多循環(huán)、小進(jìn)尺的開(kāi)挖措施,并對(duì)開(kāi)挖中的爆破振動(dòng)速度進(jìn)行控制。主要爆破參數(shù)為:循環(huán)進(jìn)尺1.5m,鉆孔深度1.8～2.0m,光面孔裝藥量150～200g/m,孔距0.8m;爆破孔裝藥量400～450g/m,孔距1m,爆破振動(dòng)速度(圍堰軸線處)不大于0.3cm/s。2.2堰體滲流情況圍堰完建以后,已安全度過(guò)1999年和2000年2個(gè)汛期,圍堰擋水水位最高達(dá)65m高程,最低為51m高程,堰體滲流情況為:北圍堰為3L/s,主要發(fā)生在堰體與西端山脊結(jié)合部,滲流穩(wěn)定;南圍堰為15L/s,滲流出水點(diǎn)有3處,主要為沿覆蓋層與基巖的交界面滲漏和圍