讲课大纲chapter109.docx
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讲课大纲chapter109
绪论
(一)本课程的性质与任务
.是一门理论与实践紧密结合的专业课。
.本课程的主要任务是:
使学生具有水利水电工程施工技术和施工组织的基本知识,了解水利水电枢纽工程主要水工建筑物的施工方法,了解施工学科的新技术和发展的新动向。
为今后从事大、中型水利水电工程的开发、施工、组织、管理、经营和科学研究等工作打下基础。
(二)施工的任务和特点
工程施工指的是合理组合资源,使设计兰图变为现实的一个生产过程;
.施工的任务包括:
施工组织设计:
施工机械;施工技术施工组织与管理;
规划设计阶段:
按规范要求编制施工组织设计报告和图件
施工阶段:
确定施工方案的可行性
实施中的组织及管理:
科研试验及施工反馈设计:
施工期的观测、试验、研究及经验教训
.水利工程施工的特点:
水流控制问题突出;
受自然条件影响大;
工程综合性要求全面规划,综合统筹;
工程质量的保证;
施工准备工程量大;
现场施工组织管理难度高;
应注意施工中的安全问题。
(三)施工组织管理的基本原则
.全面贯彻执行多快好省的施工原则;
.按基本建设程序办事;
.按系统工程的原理合理组织施工;
.实行科学管理;
.一切从实际出发遵从施工的科学规律;
其根本目的为:
做好人力物力的综合平衡,实现均衡、连续、有节奏的施工。
.体系(与一般施工程序有关);
内容:
施工技术、施工机械、施工组织及施工管理;
水利工程施工的特点决定了本课程的特点
.它涉及到工程建设的各个阶段,并且是其中的一个关键环节;
.实践性强,综合性强,具有挑性;
.内容丰富,知识面宽,涉及到多个学科。
教学环节:
课堂讲授、教学录象;作业、课程设计;实习
注意:
以施工程序为线索;掌握基本概念;系统工程原则;
第一章施工导流
施工导流设计主要任务:
分析基本资料;导流设计流量;导流方案及导流建筑型式;导流建筑物的布置、构造及尺寸;导流建筑物施工;截流、拦洪度汛和基坑排水;
河水蓄泄与干地施工之间的矛盾---即:
解决水流与施工场地争河床空间的问题;并尽可能不(少)影响河流的综合利用;
采用的方法为,
导:
临时建筑物引导水流;
截:
截断原河床水流;
拦:
拦、挡水,形成干地施工条件;
蓄:
施工期间河水的贮蓄及水资源综合利用;
泄:
施工期间河水下泄和洪水渲泄。
施工水流控制-施工导流设计的主要任务
:
分析基本资料,选定导流标准,划分导流时段,确定导流设计流量;
:
选择导流方案及导流建筑型式;
:
确定导流建筑物的布置、构造及尺寸;
:
导流建筑物修建、拆除、堵塞等施工方法;
:
截流、拦洪度汛和基坑排水等环节的措施;
1.1导流方式与泄水建筑物
导流方法分为:
河床外:
利用河床以外空间引导水流,形成施工基坑。
即,全段围堰法导流;
河床内:
利用河床部分空间引导水流,形成施工基坑。
即,分段(分期)围堰法导流;
汛期过水:
汛期不在河床内施工,基坑过水。
即,淹没基坑法导流。
一、全段围堰法导流(河床外导流方法)
(一)特点及适用条件
利用一次断流围堰拦断河流,水流经旁侧的临时泄水建筑物下泄,基坑内全线施工。
适用于河床较狭窄,施工面较小的河流中。
按泄水建筑形式不同,全段围堰的导流方法可分为:
隧洞导流、明渠导流及其它形式导流。
(二)导流建筑物的组成
.临时挡水建筑物:
上游围堰、下游围堰;
.临时泄水建筑的形式:
导流隧洞、导流明渠、其它形式;
(三)泄水建筑物形式及布置
1.导流隧洞
适用于:
山区河流,河谷狭窄,两岸地形陡峻。
(1)特点:
小挖方,高单价;永临结合;超泄能力较低;
(2)布置:
.布置中应注意改善隧洞的过流条件:
.平面布置上:
>洞内水力条件:
洞线宜直;转弯半径大于5D。
>进出口水流衔接:
与河流交角30;
>防冲刷:
距上下游围堰距离宜大于50m。
>隧洞衬砌及n值:
临时过水,光面爆破,降低n.
>地形和地质:
符合相应要求,与明渠比较。
立面布置上:
>防淤高程:
>消能防冲:
>水面衔接:
>永临结合的形式:
>洞进出口地形:
2.导流明渠
适用于:
河岸坡平缓,有河滩地利用的河流。
(1)特点:
大挖方,低单价;可与引水渠结合;超泄量大,易于实现河流综合利用;
(2)布置原则:
.保证良好的水力条件;
.尽量减少开挖量,选择合理轴线及宽度;
.保证边坡稳定性.
.具体布置中应注意:
.断面形式
:
矩形、梯形、复式断面
.平面布置上
>进出口水流衔接:
与河流交角30;
>防冲刷:
距上下游围堰距离50-100m。
>衬砌及n值:
临时过水,光面爆破,降低n值.
>地形和地质:
符合相应要求,与隧洞比较。
.立面布置上:
>减少向基坑内的入渗
>防淤高程:
>消能防冲:
>水面衔接:
>永临结合及封堵:
3.其它辅助泄水建筑物
适用于:
河流流量较小时。
(1)特点:
常用于枯期或施工初期导流;简便易行;
(2)形式:
期涵管,渡槽。
二、分段围堰法导流:
(河床内导流方法)
(一)特点及适用条件
即在空间上把待施工的建筑物横河流向分成几段;在时间上把整个工期划分为几个施工时期;
初期利用束窄河床导流,泄流通道与基坑各占部分河床空间;后期利用初期已建成的临时泄水建筑物导流,完成坝体施工。
适用于河床较宽,施工工程量较大及有综合利用的河流中。
(二)导流建筑物的组成(以两段两期为例)
按不同分期,不同分段,导流建筑物的组成不同
一期导流建筑物:
挡水:
一期上、下游横向围堰、纵向围堰;
泄水:
为束窄河床(部分河床);
二期导流建筑物:
挡水:
二期上、下游横向围堰、纵向围堰;
泄水:
为一期预先建成的导流底孔、缺口及其它泄水建筑形式。
(三)泄水建筑形式及布置
1.束窄河床导流--用于分段围堰法的前期
特点:
泄流能力大,还可与导流明槽的布置相结合;
束窄河床水力学计算
2.底孔、缺口及联合导流—常用于后期
特点:
底孔引导枯期水流,缺口渲泻洪水
底孔与缺口联合水力学计算
3.其它泄水建筑形式
综上,分段围堰法导流建筑物的特点:
一、二期导流建筑物的不同体现为:
不同段\期,围堰位置不同,泄水空间不同;
不同段\期,建筑物高程不同,导流方式不同。
(四)确定分期和分段的原则
.
(1)段数和期数:
多为两期两段,段数与期数不一定相等。
影响因素:
施工强度、进度要求、河面宽度、综合要求等。
(2)分段位置:
(以两段两期为例)
可用河床束窄程度系数K来描述:
K=A1/A2×100%
即:
围堰和基坑所占过水面积的相对值。
K值通常取值为40-70%(详见表1-1)
影响因素:
河床通航等允许流速、围堰和河床的防冲流速、两期施工均衡性、地形、地质、水工建筑物特征、后期截流难度。
(3)分期施工顺序:
优先选择水电站、船闸等可提前受益的工程.
保证后期导流顺畅。
三、淹没围堰法导流
(河床内、外导流方法中均可采用)
(一)特点及适用条件
特点:
枯期围堰挡水,围护基坑,工程施工;汛期围堰过水,基坑过水,工程停工;
适用条件:
山区河流,水位变幅大;基坑淹没时间短;河流泥沙含量不高。
(二)关键问题
工期、淹没损失、导流费用
四、导流方法小结
着眼于工程整个施工期的水流控制
恰当组合,灵活应用
导流方法的合理组合
1.2围堰工程
围堰工程系临时挡水建筑物,用于围护基坑。
导流任务完成后,一般应予拆除。
一、概述
(一)围堰的分类
.
(1)按与水流相对关系分:
横向围堰、纵向围堰
.
(2)按构筑围堰的材料分:
土石围堰、砌石围堰、木围堰、草土围堰--当地材料
钢筋砼及砼围堰、钢板桩围
.(3)按围堰是否过水:
不过水围堰、过水围堰
(二)对围堰的的基本要求
(1)具有足的稳定性、防渗性、抗冲性和一定强度。
(2)就地取材造价便宜,构造简单,修建、拆除方便。
(3)围堰布置求水流平顺,不发生严重的局部冲刷。
(4)接头及联结可靠,不致因集中渗漏破坏引起失事。
(5)对过水围堰,沿须满足过水要求。
(6)在必要时,应设置抵抗冰凌、船筏冲击破坏的措施
二、围堰的基本型式及构造
土石围堰、过水土石围堰、混凝土围堰、钢板桩格型围堰、其它围堰形式
(一)土石围堰
(1)特点:
充分利用当地材料甚至开挖的废弃料,构造简单,施工方便,可在水流(深水)中施工,适应性广,可在岩基或软基上修建。
土石围堰的几种形式(重点在防渗措施)。
(2)具体形式,如图。
(3)土石围堰小结:
.坝壳填筑材料多用开挖料或任意料。
.堰体防渗多样化:
材料可用粘土、风化砂、砼、木板、土工膜,灌浆帷幕等。
形式包括心墙、厚心墙、斜墙,也可用灌浆或防渗墙形成。
.围堰基础防渗:
可用上游铺盖、帷幕、防渗墙。
.剖面形式:
多样化,常与施工方法有关。
(二)过水土石围堰:
1.过水土石围堰是一种特殊的土石围堰
(1)两种破坏作用:
泄流冲刷作用和渗透压力作用:
(2)采用的防护措施:
大块石护面、钢筋石笼护面、加筋护面及混凝土板护面;
2.形式及布置
(1)混凝土板护面过水围堰
A.几种形式施工方式;面板截面型式;面板连接方式;排水设施
B.工程实例江西上犹江水电站,如图。
(2)加筋土石过水围堰
一种简易过水围堰形式,如图。
(三)混凝土围堰:
1.特点:
断面紧凑,抗冲、防渗和整体性强,易于与永久砼建筑物相结合.但需在低围堰防护下的干地基坑条件施工。
可做纵向围和过水围堰。
2.形式及布置
(1)拱型混凝土围堰,如图。
(2)重力式围堰,如图。
(四)钢板桩格形围堰:
(1)围堰组成
钢板桩格形围堰采用机械化组成装,先在基础中打入桩板,呈闭合格形体,再向格体内填料,形成实体.如图。
(2)特点:
施工速度快,多数钢板桩可重复使用.堰体断面紧凑,整体性强,具有较强的抗滑和抗倾能力.
(3)钢板桩格形围堰的几组合形式及施工,如图。
(五)草土、竹笼、木笼等围堰
(1)围堰形式及施工
草土围堰:
图。
草捆与土层相间铺筑施工,可防渗。
竹、木笼围堰:
笼体整体沉水中,填以土石料形成混合体。
多采用面板防渗。
(2)围堰特点
历史悠久,就在取材,断面紧凑,有一定抗冲能力。
可在水中施工,便于拆除,施工速度快,常做纵向围堰。
但承受水头不大。
围堰型式小结
(1)围堰选型应满足围堰的基本要求;
(2)基坑不淹没时,不过水的上、下游围堰常采用土石围堰,以便水下施工和降低造价。
(3)纵向围堰常采用混凝土(或浆砌块石)围堰,已减小河床束窄程度,满足抗冲要求。
作用水头较小时可因地制宜采用竹笼类围堰。
(4)过水围堰可采用混凝土(或浆砌块石)围堰,在作用水头不高时也可采用过水土石围堰。
(5)围堰高程和布置由导流水力学计算确定。
三、围堰的布置与堰顶高程
包括围堰平面布置、立面布置和纵向围堰布置
1.平面布置
全段围堰法初期导流平面布置示意图。
应按导流方案、主体工程轮廓和对围堰的要求提出。
基坑坡趾与主体轮廓距离不应小于20~30m
(1)距离:
满足:
基坑内排水、交通道、堆放材料、开挖边坡。
见右图
(2)围堰平面形态
>分段围堰法导流时,上、下游围堰常呈梯形布置,已满足水流顺畅。
>全段围堰时,围堰常与河道垂直,以减少工程量。
>考虑与岸坡、基坑运输道路的布置和衔接。
(3)地形、永临结合及模型试验
>利用有利地形,如三峡、铜街子利用河心岛。
>结合泄水建筑物,如导墙做纵向围堰。
>重要的大、型工程的围堰布置通过模型试验确定。
2.立面布置,如图所示。
堰顶高程应高于堰前水位:
下游围堰堰顶高程Hd:
Hd=hd+ha+安全超高(安全超高查表)
上游围堰堰顶高程Hu:
Hu=hu+z+ha+安全超高
z为上下游水位差,m。
ha为吹程。
见右图。
3.纵向围堰高程及布置
上游段高程同上游围堰;
下游段高程同下游围堰;
见图。
四、围堰的防渗、接头和防冲
1.围堰的防渗
(1)防渗的基本要求
一般档水建筑要求,防止渗透破坏、减少渗漏量。
(2)防渗形式
因地制宜,多样化
(3)围堰的水中填筑
水中填筑防渗体的质量保证。
2.围堰接头处理
(1)接头位置,如图,
围堰与围堰;围堰与其它建筑物;围堰与岸坡
(2)防渗、绕渗,如图,
在接头处设剌墙。
3.围堰防冲,如图
>平面布置形态合理,
>与主流一致。
>并考虑与永久建筑物位置关系。
.五、围堰拆除:
导流任务完成后,应按设计要求拆除。
以免影响永久建筑物的施工及运行。
如图所示。
拆除方法:
机械开挖、人工拆除、爆破拆除。
拆除顺序:
从背水坡开始。
1.3导流设计流量
导流设计流量是进行导流方案选择、导流建筑物设计的基本依据。
确定方法:
在一定标准和时段下的流量;长期预报
一、导流标准
(一)导流标准的概念
选择导流进行施工导流设计的标准,包括初期导流标准、坝体拦洪度汛标准、孔洞封堵标准
确定方法:
规范(分级分类)标准;风险分析
按施工组织设计规范的规定的做法:
先确定导流建筑级别,再按级别和类型确定标准
(二)导流建筑物级别及标准
(1)导流建筑物级别划分:
几个因素:
保护对象\失事后果\使用年限\工程规模
Ⅲ 特殊Ⅰ级重大>3h>50m,V>1亿m3
ⅣⅠⅡ级较大1.5-315-50m,0.1-1亿m3
ⅤⅢⅣ级较小<1.5h<15m,V<0.1亿m3
特殊情况尚应做特殊处理,如
三峡工程二期上游围堰水头70余米,定为Ⅱ级建筑物
三期碾压砼上游围堰水头115米,定为Ⅰ级建筑物
(2)导流标准的选择
按导流建筑物级别和围堰类型选择初期导流标准:
见表
采用洪水重现期T表示,T=1/P(P为洪水出现频率)
如何在表中给出的重现期范围内选取一个合理的T?
方案技术经济比较,一个实例。
(三)导流标准风险度分析
导流标准低,不能保证安全施工;
导流标准高,增加导流费用,施工期加长。
可结合风险度分析,选择经济合理导流标准。
(1)导流标准的风险度(率)R
风险度的概念:
T年标准的洪水在L年中可能出现的机率
对风险度R与最优洪水重现期的定性描述:
T↑,导流标准高,导流设计流量大,导流建筑物造价高,但R↓,风险损失小;
L↑,围堰失事可能性增加,R↑,风险损失大,L对风险度影响明显;
如何合理评价风险损失是其关键?
选择适当的风险度R,使导流建筑物的造价+风险损失费用→min
相应的T即为最优洪水重现期
引入---导流系统动态综合风险率R
导流系统动态综合风险率:
表达:
用堰前水位刻画。
影响因素:
施工洪水入库过程;导流建筑泄水过程;库容与水位的关系;起调水位。
(2)导流标准风险度的方法
(1)分析过程
首先,应计算导流系统的动态综合风险率;然后,综合考虑风险、投资与工期三者的关系;进行多目标决策。
(2)问题描述
风险率的表示:
R=f(Zu>Hu)
使用n年内:
R(n)=1-(1-R)n
分析模型:
多目标决策模型
如:
n年内风险损失与导流建筑价造最小;一定工期下风险与投资最少。
二、导流时段的划分
1.何谓导流时段
不同时期----不同导流方法,不同的挡泄水建筑物
这种不同导流方法的组合----导流程序
导流时段即按导流程序所划分的各施工时段的延续时间
不同导流时段,流量不同。
2.河流全年流量变化过程及时段划分
.影响导流时段划分的主要因素:
(1)河流水文特征:
几个典型分期
(2)水工建筑物型式和布置:
土石坝、重力坝、拱坝及布置特征
(3)导流方案:
不同时段,不同导流建筑物
(4)施工进度:
有效施工时间
三.导流设计流量的确定
概念:
某导流时段内的最大流量(按相应导流标准)
1.不过水围堰的导流设计流量
根据导流时段,即围堰挡水时段确定:
.挡全年洪水:
挡水与泄水建筑物相同;
.挡枯期来水:
挡水与泄水建筑物不同.
2.过水围堰的导流设计流量-允许基坑淹没.
.过水期标准:
标准同上,但用于过水措施设计;
.挡水期标准:
可参照上述标准,进行技术经济比较
若水文系列较长,由实测资料确定.
3.允许基坑淹没导流方案的技术经济比较
对导流时段的确定应进行技术经济比较。
.研究最优导流设计流量Qm
(合适的时段和标准)
以总费用最小确定:
导流建筑物费用+基坑淹没损失费用→min
相应的导流时段为最优导流时段
如图所示
某工程导流时段的选择实例略
复习与补充:
导流建筑物的水力计算
目的:
拟定泄水建筑物尺寸;确定围堰高程及高度;为计算导流方案工程量提供依据.
一、分段围堰法前期---束窄河床导流的水力计算
二、分段围堰法之后期---底孔与缺口导流的水力计算
三、全段围堰法的隧洞---隧洞导流的水力计算
四、全段围堰法的明渠---明渠导流的水力计算
一、分段围堰法之前期导流的水力计算
要求:
束窄河床流速校核;确定上、下游围堰的高程及长度;确定纵向围堰的高程及长度。
1.上游水位计算(上游水位壅高)
(下游水位按实测水位流量关系确定)
绘出束窄河床导流水位计算简图如下:
图中z为上下游水位差,m;
v0为上游围堰前(原河床)水流的行近流速,m/s;
vc为束窄河床段水流收缩断面处的流速,m/s;
图中z为上下游水位差,m;
v0为上游围堰前(原河床)水流的行近流速,m/s;
vc为束窄河床段水流收缩断面处的流速,m/s;
(1)计算公式[教材公式(1-3)]
上述计算简图中,可近似假定hc=hd,按能量方程:
式中,河床束窄断面处流vc为:
(公式1-4)
QD为导流设计流量,m3/s.
设上游围堰前水位壅高后,河床过水面积为Au:
则v0为而Au与河床地形与z有关.
Au=f(z)
(2)试算法求z:
已知:
导流设计流量QD;河床水位-面积曲线H-A;
下游水位-流量关系曲线hd-Q;K及其它系数。
计算步骤:
step1:
由QD,K求vc,校核vc是否小于允许流速[vc],
并选定各种系数值;
step2:
设z=zs,求hu,=hd+zs。
并查得Au;
step3:
求v0=QD/Au;
step4:
将vc和v0代入公式(1-3),
求出z;
step5:
比较判定|z-zs|e为计算控制精度,可取0.01m
计算至满足精度要求为止.
2.围堰剖面设计
>堰顶高程计算
>堰顶宽度拟定
>上、下游边坡拟定
>绘横剖面图
>上、下游围堰及纵向围堰布置
二、分段围堰法之后期导流的水力计算
枯期:
流量小,底孔引导水流,缺口上升。
汛期:
流量大,缺口与底孔联合渲泄洪水。
要求:
缺口、底孔的过流量及流速;
确定二期上、下游围堰的高程及长度;
确定二期纵向围堰的高程及长度。
流态:
底孔无压,底孔有压,
底孔+非淹没堰流,底孔+淹没堰流
1.上游水位计算(联合泄流计算工况)
假定:
几种建筑物泄水互不干扰。
(1)计算简图及公式
绘出底孔与缺口联合泄流计算简图如下:
计算公式:
略
水量平衡方程:
QD=Q1+Q2
QD为导流设计流量,m3/s.
可联解上面三个方程,求解.
2.图解计算法(联合泄流计算工况)
略
3.围堰高程计算
同前期导流计算方法
4.围堰布置及尺寸
与前期导流法布置类似;注意位置相互关系.
5.缺口设计
.缺口宽度B:
B=QD/[q]
[q]为临时缺口允许单宽流量,取60-80m3/s/m;
.缺口布置:
施工方便:
结构可靠:
6.底孔设计
.底孔面积:
ω=Q缺/[v]
.底孔数目:
N=ω/b/hb
.底孔布置:
结构要求:
封堵闸门设备:
底坎高程:
河流综合利用:
三、全段围堰法之隧洞导流的水力计算
要求:
隧洞的过流量及流速;
确定隧洞过水断面形式及面积;
确定上、下游围堰的高程及长度;
1.上游水位计算
(1)洞内流态:
明流:
按明渠水流计算;
明满交替流:
尽可能避免;
有压流:
按能量方程推导公式(计沿程损失);
(2)有压流计算简图及公式
隧洞有压流计算公式:
略
2.围堰高程及布置
同前
3.导流隧洞洞径D选择(洞径优化)
D大,Q大,围堰高度低;D小,Q小,围堰高度高,
隧洞开挖衬砌费用+围堰费用→min
应结合导流隧洞临时支护形式,进行方案的技术经济比较
4.导流隧洞消能防冲
四、明渠导流的水力计算
要求:
明渠的过流量及流速;确定明渠过水断面形式及面积;确定上、下游围堰的高程及长度;
1.上游水位计算
明渠进水口可初估为堰流形式.
1.上游水位计算
明渠进水口可初估为堰流形式.
2.渠内水面曲线推求
用于确定明渠边墙高度
3.明渠断面选择
4.其余计算同前
1.4导流方案选择
从工程开工,到工程完建,按导流程序进行,各种导流方法的组合,即为导流方案.
导流方案贯穿于工程施工的始终.
一、导流方案举例
教材:
表1-4的12个工程的导流方案实例
表中Ⅰ.Ⅱ.Ⅲ.Ⅳ.Ⅴ.为分期
二、影响导流方案选择的主要因素
1.水文条件
2.地形条件
3.地质及水文地质条件
4.水工建筑物形型及布置
5.施工期河流综合利用
6.施工进度、施工方法及施工场地布置
三、导流程序及控制性进度计划
导流程序一方面反映了不同时段采用不同的导流方式,另一方面反映了主体工程的整个施工过程。
即,导流程序决定工程控制性进度计划。
对河床内工期起控制作用的关键性时段:
导流建筑完工期限、截断河流时间、坝体栏洪期限、封堵临时泄水建筑物时间、水库蓄水发电时间等。
工程实例,略
第五节截流工程
截流工程即为截断原河床水流所进行的工作。
截流是导流程序中的一个重要环节。
一、截流方式
1.几种方法
戗提法、沉船法、打桩法、定向爆破法。
2.戗提法的基本形式
(1)立堵法
(2)平堵法
3.截流过程描述
戗提→进占→龙口→裹头→合龙→闭气
4.截流举例
略。
二、截流日期及截流设计流量
1.截流日期
既要把握截流时机,又要为后续工作留有余地
考虑以下要求
(1)河流水位显著下降时期(最枯期附近)
(2)截流后,基坑内后续工作的开展(抢渡汛形象)
(3)对航运影响较小的时段(对水位变幅的要求)
(4)北方河流避免开流冰期
2.截流设计流量
一般按P=10%-20%标准的旬或月平均流量.同时,根据实际情况和水文气象预报加以修正
三、龙口参数
1.龙口位置
选择龙口位置应考虑以下技术要求:
(1)水流顺畅:
龙口设在河床主流部分;
(2)河床耐冲:
校核及复底;
(3)场地开阔:
运输及材料堆放;
2.龙口宽度
原则:
在不引起龙口及其下游河床冲刷破坏的前提下,尽可能窄,以减少截流工程量.
3.戗