某水电站施工的临时纵向围堰优化分析

摘 要：根据某水电站的围堰施工实践，分析影响实现项目目标的的关键施工制约因素，并对主导性的临时纵向围堰进行优化，验算纵向围堰结构的稳定性，有效确保了临时工程及主体结构的施工安全。

关键词：围堰；导流；优化

中图分类号：TV43 文献标识码：A

一、概述

一般来讲，在水利工程中，围堰结构适用于临时、附属的工程，也可用于构造海域、溪流等沿线护岸、堤岸的“堤芯”主体结构。采取围堰结构施工，无论是作为临时、附属或主体工程，其发挥的功能不可小视，对拟建项目的主体工程实施，起到非常独特、显著的作用。因此，围堰的安全、稳定，关系到主体结构的施工部署，以及能否成功实施、实现预期目标，至关重要。

二、工程概况与简析

拟建水电站位于某流域的干流上，坝址距城关约16km，距上游已建的某水电站6km，装机容量1万kW。枢纽建筑物主要由橡胶坝、河床式发电厂房、挡水坝段、冲砂孔坝段、开关站等组成。

查阅项目招标文件、地勘报告等水文资料情况，本工程的导流标准为3年一遇，施工导流设计标准表1。

该流域内，存在梯级水电站开发及水田灌溉等，施工导流拟采用束窄河床的方式，在上、下游横向围堰与纵向围堰构成的U型围堰保护下，工程实体（水下部分）在围堰区域内进行干处施工。在招标文件中，对施工导流的临时围堰（上、下游横向）采取“土石围堰”、（纵向）采取“浆砌石围堰”的施工工艺，进度目标为“在枯水期内（即汛前）完成厂房进、出口闸门的安装和一期大坝的水下施工”。

考虑浆砌石围堰的施工备料、止水效果、工效问题以及进度安排等工作要求，如按浆砌石围堰施工，较难实现项目预期目标，特别是环境因素影响、施工组织不力等，一旦施工进度延误，将导致临时围堰的施工时段转入该流域的汛期期间，项目主体施工的预期目标偏离程度也将加大。

针对块石运输与储备历时较长，也远不及充分利用河床开挖的卵石粗集料作为砼施工的拌合骨料，且可利用自备的砼拌合系统、提高设备的使用效率，一旦拟定方案，即可安排实施，施工准备期较短、各项资源投入及时；一方面，浆砌块石施工，采取止水措施的工艺难度将加大，止水效果也难以有效保证和控制，反而不及采取砼结构（渗透系数较低）；另一方面，人工砌筑块石的施工作业工效，相对于拟选采取砼浇筑工艺也偏低，影响、制约项目预期目标的实现，且安全风险因素在一定程度上也会有所增加。

因此，纵向围堰的断面及形式宜适当调整，据所述的分析情况判定、选取为砼结构，并可进行结构断面的优化、改进。根据拟建水电站的现场实际情况综合分析，本工程为河床式电站枢纽，采用分期导流方式，视工程施工实际情况，将上、下游土石围堰适当加高。围堰分期实施、主体施工具体如下：

（1）第一期：在纵向砼围堰和右河床上、下游土石围堰的防护下，施工右河床的厂房及右岸挡水坝段、冲沙闸及橡胶坝右半部。其中，橡胶坝右半部在年内汛前施工完成，具备过洪条件；右岸挡水坝、冲沙闸、厂房在纵向砼围堰和右河床上、下游土石围堰（汛期加高）的防护下，全年施工。

（2）第二期：在纵向砼围堰和左河床上、下游土石围堰的共同防护下，施工左河床部位的左岸挡水坝、左岸防洪堤、橡胶坝左半部。

下述按一期围堰布置，仅涉及枯水期；二期围堰布置从略。

三、围堰布置方案

围堰布置，以满足坝体施工时的开挖线和基础轮廓线，以及施工场地内的人员、机械、设备的活动要求为准，并预留2～5m的安全距离，确保水电站的主体结构及临时围堰的施工安全。

（1）上、下游土石围堰

围堰顶宽为6.0m，迎水面为1：2.2，背水面为1：1.5。土石围堰结构剖面图如图l。

围堰迎水面以粘土斜墙防渗，铺设碎石及大块石护面，上游堰顶高程为189.02m，与纵向围堰上游高程一致；下游堰顶高程为186.40m，衔接段与纵向围堰堰顶标高渐变、顺接，加高至187.63m。

上游土石围堰，自右岸岸边（坝上90.0m），横向河道戗堤进占；左侧与砼纵向围堰在坝上35.0m位置相交。下游土石围堰，自右岸岸边（坝下120.0m），横向河道戗堤进占；左侧与砼纵向围堰在坝下45.0m位置相交。

（2）纵向砼围堰

在橡胶坝第一个中墩（由右岸往左岸计）轴线上设一道砼围堰。在坝体部位，砼围堰向外侧绕开，两侧底边线距离为5m。纵向围堰上下端为坝上50.0m，坝下75.0m。纵向围堰上游高程189.02m，下游高程187.63m，均与上、下游的横向土石围堰高程顺接。纵向砼围堰的横剖面图，基本上按梯形断面考虑设置，并予以优化后组织实施。

四、纵向围堰断面优化

坝址处拟建纵向围堰的位置，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，以此进行优化分析和稳定性验算。

（1）优化方案I

围堰基础高程以182.5m计，采用迎水面、背水面均为1：0.25，堰顶宽度为1.0m。横剖面图如图2：

对方案I进行抗滑稳定分析，根据《混凝土重力坝设计规范》中规定，当坝基内不存在可能导致深层滑动的软弱面时，应按抗剪断强度公式验算。重力式砼围堰采用抗剪断强度公式计算时，安全系数Ks'≥3.0；若考虑排水失效情况，Ks'≥2.5。

计算公式：Ks'=（f'（∑W-U）+c'A）/ ∑P

式中：Ks'——抗剪断稳定安全系数；

f'——抗剪断摩擦系数；

∑W——作用于基础截面上的总垂直力；

c'——抗剪断凝聚力；

A——基础面积；

∑P——作用基础截面以上的总水平力。

抗剪断摩擦系数f'及抗剪断凝聚力c'，结合本工程现场实际，并参考已建类似工程进行分析、拟定。一般情况下，f'=0.9～1.5，c'=0.7～1.5MPa（7～15kgf/cm2）。

验算过程如下：

参考《简明施工计算手册》，取砼强度等级≤C15，计算容重为2360Kg/m3×9.8N/kg=23.13kN/ m3；

经验取值：f'=1.0，c'=10kgf/cm2；

以H=6.52m的水头计算，P=0.5×9.8×6.522=208.30kN/m；

计入扬压力U=0.5×9.8×6.52×（1.0+6.52×0.25×2）=136.10kN/m的影响，∑W-U=[1.0+（1.0+6.52×0.25×2）]

×6.52/2×23.13-136.10=260.52kN/m；

校核控制断面，安全系数Ks'=[1.0×260.52+10×9.8×（1.0+6.52×0.25×2）]/208.30=3.25>2.5。因此，该优化方案是可行的。

（2）优化方案II

围堰基础高程以182.0m计，采用迎水面为直立面，背水面坡度比为1：0.5，堰顶宽度为1.0m。横剖面图如图3。

对方案II进行抗滑稳定分析，验算过程如下：

C15砼的容重，f'、c'的经验取值，与优化方案I一致；

以H=7.02m的水头计算，P=0.5×9.8×7.022=241.47kN/m；

计入扬压力U=0.5×9.8×7.02×（1.0+7.02×0.5）=155.13 kN/m的影响，

∑W-U=[1.0+（1.0+7.02×0.5）]×

7.02/2×23.13-155.13=292.21kN/m；

校核控制断面，安全系数Ks'=[1.0×292.21+10×9.8×（1.0+7.02×0.5）]/241.47=3.04>2.5。因此，该优化方案也是可行的。

结语

在围堰内进行工程实体施工，临时围堰的安全性与施工质量同等重要。上述优化方案I、II的围堰横剖面图，均适用于该水电站的纵向砼围堰施工。在施工过程中，定期观测堰顶设置的沉降观测点，观测数据显示堰体基本趋于稳定、无异常沉降；同时，加强U型围堰范围的安全巡检，特别是纵向砼围堰与横向上、下游土石围堰的交接部位检查，均未发现围堰两侧及端头有产生明显沉陷、滑移或失稳现象，围堰整体稳定性高。

因此，优化后的砼围堰方案，更为该水电站的基础与主体施工创造了良好的工作条件；该围堰结构的安全稳定系数富余，具备施工可行性，工艺可靠，成功实现了项目预期目标。

参考文献

[1]沙沱水电站纵向围堰水下混凝土导管法浇筑施工[J].大众科技.