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坝体度汛及导流泄水建筑物洪水标准研究与探讨

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第42卷第16期 2 0 1 1年8月 文章编号:1001—4179(2011)16—0069—04 人 民 长 江 Yangtze River Vo1.42,No.16 Aug., 201I 坝体度汛及导流泄水建筑物洪水标准研究与探讨 徐唐锦,李 蘅,马永锋 (长江勘测规划设计研究有限责任公司施工设计处,湖北武汉430010) 摘要:为了进一步研究大坝度汛及导流泄水建筑物设计洪水标准问题,在收集我国已建与在建大型梯级水利 枢纽大坝度汛标准及导流泄水建筑物导流设计标准和实际运用情况的基础上,研究分析了影响大坝度汛标 准及导流泄水建筑物导流标准选取的因素,提出了合理选取的依据与原则。同时,结合现行规范使用中存在 的问题,对大坝度汛及导流泄水建筑物标准若干问题进行分析探讨,提出相应的规范编制建议。 关键词:坝体度汛;导流泄水建筑物;洪水标准;规范编制 文献标志码:A 中图法分类号:TV551.1 1问题的提出 近十几年来,我国相继开工建设了一大批大中型 水利水电工程,施工技术和施工管理水平得到了很大 段,如金沙江下游梯级向家坝、溪洛渡、白鹤滩以及乌 东德等水电站的相继兴建,由于这些坝址河床普遍存 在深厚的覆盖层,且多处于高山峡谷和高烈度地震区, 因此存在地质条件十分复杂,施工环境恶劣,施工水流 提高,取得了显著的经济和社会效益。通过不断积累 总结经验,国家有关部委组织对水利水电行业施工组 织设计规范进行了修订,分别颁布施行了《水电工程 施工组织设计规范》(DL/T 5397—2007)和《水利水电 工程施工组织设计规范》(SL 303—2004),新规范更 能适应当前施工技术发展和国家法律、法规以及建设 过程控制复杂等问题。在此条件下,相应的导流、截流 和围堰建筑物的安全性都存在尚未认识的新问题亟待 深入研究。为此,开展“深厚覆盖层条件导截流及围 堰安全控制技术”研究具有十分重要的意义。该课题 已列入“十一五”国家科技支撑计划重点项目“特大型 梯级水利水电工程安全及高效运行若干关键技术研 究”课题之一,其中对大型水利水电工程导截流标准 改革的需要¨ 。但在工程实践及规范应用上, 我们认为,上述规范中的设计洪水标准规定还存在一 些值得进一步探讨的问题。譬如,①规范规定:当坝 体筑高到超过围堰顶部高程时,应根据坝型、坝前拦洪 库容,确定坝体施工期临时度汛洪水设计标准。对于 问题列为专题进行研究。本文是对以上专题研究部分 成果的提炼总结。 2施工期坝体度汛标准的合理选取 2.1 影响度汛方案的因素 影响度汛方案的因素较多,主要有如下4个方面。 (1)水文特性。径流量的大小、洪枯流量的变幅、 洪枯水时段的长短、洪水峰量及出现的规律等均直接 影响工程度汛方案。对于大流量的河流,特别是洪枯 特大型梯级枢纽工程,临时度汛洪水设计标准相较围 堰挡水标准提高较多,且在某个时间点大幅提高,不利 于坝体施工进度安排和均衡施工。②对于西部高山 峡谷深厚覆盖层条件下的特大型梯级水电工程,施工 导流程序复杂,导流时段的划分及界定、导流标准的过 渡衔接对施工导流安全都非常重要,但现行规范规定 不够明确。 水位变幅较大的河流,当不具备分期导流条件时,常采 随着西部地区进入水电梯级开发的全面建设阶 收稿日期:201l一06—28 基金项目:国家“十一五”科技支撑计目l项目(2008BAB29B02) 用过水围堰。即枯水期由围堰挡水,截流后至大坝具 作者简介:徐唐锦,男,高级工程师,主要从事水电工程施工导(截)流工程设计工作。E—mail:xutangj@yahoo.tom 70 人 民 长 江 备挡水条件前,汛期围堰和坝体过水度汛。对于流量 较小,洪枯水位变幅不大的河道,当截流后一个枯水期 坝体不能施工至具备挡水条件时,宜采用全年挡水的 不过水围堰,以争取更多的有效工期;当截流后一个枯 水期坝体能施工至具备挡水条件时,可采用挡枯水时 段的围堰,汛期由坝体挡水度汛。 (2)主体工程型式与布置。水工建筑物的结构型 式、总体布置、主体工程量等,是影响工程度汛方案选 择的主要因素之一。对于一般土石坝,一般不采用坝 面过水度汛方式。对于混凝土面板堆石坝,可利用垫 层料挡水,有利于在截流后抢填挡水经济断面,且大多 采用枯水期围堰挡水。一般情况下,对于混凝土坝是 允许坝体过水的,在坝体不具备挡水条件前,大多采用 预留缺口过水度汛方式。 (3)施工进度。工程度汛方案与工程施工进度和 导流程序密切相关,工程度汛方案对施工进度影响较 大,反过来施工进度又影响施工度汛方案的制订。 (4)施工方法。随着大型土石方和混凝土机械设 备的应用,施工机械化水平不断提高,加上施工技术、 新工艺、新材料的利用,使工程施工强度不断加大,施 工速度更快,有利于大规模的围堰、导流隧洞、导流明 渠等工程的快速施工,使大坝有可能在较短时间内抢 填至应具备的挡水高程。 2.2选取依据与原则 为合理选取坝体度汛标准,应把握好以下依据与 原则。 (1)施工期坝体度汛标准的选取应以我国现行规 范为依据,主要是《水电工程施工组织设计规范》(DL/ T 5397—2007)和《水利水电工程施工组织设计规范》 (SL303—2004)。 (2)对应不同导流阶段分别确定施工期坝体度汛 标准。现行规范将大坝筑高到超过围堰高度直至工程 完工统称为后期导流,对于西部陆续开发的梯级高坝 大库,不利于导流时段的划分及界定、导流标准的过渡 衔接等。本专题对高坝大库工程导流阶段划分进行了 专门研究。对于一次拦断河床的导流方式建议划分为 初期导流、中期导流和后期导流3个阶段。围堰挡水 阶段划入初期导流阶段;坝体临时挡水至最后一批导 流泄水建筑物下闸前划人中期导流阶段;最后一批导 流泄水建筑物下闸后至坝体具备永久挡水条件且永久 泄洪设施具备运用条件时,划入后期导流阶段。施工 期坝体度汛标准对应中期导流和后期导流阶段分别选 取。 (3)不同坝型施工期坝体度汛标准选取原则。① 混凝土坝遇特大洪水漫顶时抗御能力较强,同等条件 下,其施工期坝体度汛洪水标准可比土石坝低。②一 般土石坝通常不允许过水,而面板堆石坝可利用坝体 (堆石料和垫层)在汛期挡水度汛或在汛期短时间内 过流泄洪,其度汛问题通常要比一般土石坝简单。因 此,在相同拦蓄库容和级别条件下,一般土石坝施工期 坝体度汛标准宜选用规范规定的上限值,面板堆石坝 则可适当降低。③混凝土重力坝施工期坝体度汛问 题容易解决,而混凝土高拱坝存在封拱灌浆问题,且坝 身比较单薄,因此在同等条件下,混凝土重力坝施工期 坝体度汛标准可取低值。与其他混凝土坝型相比,由 于碾压混凝土坝施工进度快,相应缩短了施工期,可在 施工期安排上减少度汛次数,其施工期度汛标准可选 较低值。 (4)中期导流阶段坝体l临时度汛洪水标准选取原 则。①与同等规模的围堰相比提高一个量级,与下闸 发电后坝体的度汛标准相比降低一个量级。②下游 洪水影响区分布有重要城镇或交通设施时,坝体的度 汛标准不应低于城镇或交通设施的设防标准。③当 坝体筑高到超过围堰顶部高程时,按坝体临时度汛确 定洪水设计标准。汛前或汛期内部分时段坝体未超过 围堰顶部高程,仍按围堰挡水标准度汛,同时应考虑围 堰的运行使用期。 (5)后期导流阶段坝体度汛洪水标准选取原则。 ①水库下闸蓄水后的第一个汛期,坝体仍处于初期运 行阶段,泄水建筑物尚未具备设计的过水能力,因此坝 体度汛设计洪水标准比建成后的大坝正常运用洪水标 准低,用正常运用时的下限值作施工期运用的上限值。 由于混凝土坝施工期运用的标准应比土石坝低,故取 土石坝的下限值作混凝土坝的上限值。②在机组具 备发电条件前、导流泄水建筑物尚未全部封堵时,坝体 度汛可不考虑非常运用洪水工况,即校核洪水工况。 2.3 汛前坝体超堰顶高程时的应对措施 根据规范规定,当汛前坝体刚超过围堰顶部高程 时,应采用坝体施工期临时度汛洪水设计标准,此时坝 体度汛标准突然大幅度提高,坝体施工高程无法满足 挡水度汛要求。因而在施工安排上,一般考虑以下两 种方式:①控制坝体施工高程不超过围堰顶部高程, 仍按围堰挡水标准度汛,考虑围堰运行使用期。对于 坝体施工处于施工进度中关键路线上的大型水电工 程,此种安排将坝体汛期上升,影响施工进度和总 工期。②加大汛前坝体施工强度,在汛前将坝体抢筑 到坝体度汛高程以上,则需加大资源投入,不利于均衡 施工。为缓解上述矛盾,可研究采用下列措施: (1)研究适当抬高围堰挡水设计洪水标准。鉴于 利用围堰全年挡水施工的水电工程存在不同导流阶段 第l6期 徐唐锦,等:坝体度汛及导流泄水建筑物洪水标准研究与探讨 7l 设计洪水标准改变问题,在拟定围堰挡水设计洪水标 准时,为便于初期导流与中期导流泄水建筑物泄流能 力的衔接,可结合工程水文、施工条件与难度、工程投 资等因素,研究适当抬高围堰挡水设计洪水标准的可 行性 。如二滩水电站上游土石围堰挡水设计洪水 标准提高至30 a一遇洪水流量。 (2)研究利用上游梯级水库的调蓄作用,适当降 低坝体临时度汛设计洪水流量值。随着我国梯级水利 水电工程开发的进展,施工导流设计中遇到上游已建 有梯级水库的情况会越来越多。当上游梯级水库库容 较大时,可控制其下泄流量,并根据上游水库库容及水 情测报进行调峰错峰调度,适当降低坝体临时挡水度 汛设计洪水流量值,减少施工期坝体防洪度汛压力。 坝体临时度汛设计洪水应由两部分组成:一部分 是上游梯级水库泄流包括正常发电等水库运行的下泄 流量和汛期调蓄后的泄流量;另一部分是区间来水。 前者需根据水库调度和导流洪水标准确定下泄量,后 者是根据导流标准分别按上游梯级水库遇导流标准洪 水加区间相应组合,以及区间遇导流标准洪水加上游 相应组合两种情况,分别进行比较后确定。 按我国现行规范规定的范围选定坝体临时挡水度 汛洪水标准后,结合上游水库的调蓄洪水的具体情况, 拟定几个坝体度汛流量方案进行比较,通过对电能损 失、工程投资、工期保证性等因素的综合分析,最后确 定拟采用的坝体度汛流量方案 。方案的拟设、比 较,可按以下几种情况进行:①施工期间不考虑上游 水库调蓄作用;②考虑在施工期问上游水库对洪水的 调蓄作用,降低汛限水位;③出库流量降至机组发电 下泄流量;④充分考虑上游水库调蓄洪水作用,最大 限度地发挥作用,减少出库流量。 (3)研究并优化导流时段划分,适当延长枯水期, 缩短汛期,延长坝体施工时间。选择导流时段是为了 确定主体工程施工顺序和在施工期间不同时段宣泄不 同导流流量的方式。影响导流时段选择的主要因素有 河道水文特性、主体建筑物型式、导流方式、施工进度 等。选择导流时段,应研究降低导流设计流量的可能 性和合理性,使导流方案达到安全性与经济性的统一。 由于河道来水的随机变化,选择不同的导流时段, 对于同一设计频率标准,对应的设计流量的大小也就 不同,有时对应的导流设计流量迥然不同,相差幅度很 大。导流设计流量应按不同导流时段(如春汛期、汛 前期、主汛期、汛后期、枯水期)分别拟定。 通过优化导流时段划分方案,在不影响围堰挡水 标准的条件下,达到适当延长枯水期,缩短汛期,延长 坝体施工时间是可行的。由于坝体临时度汛标准洪水 流量一般受主汛期水文条件控制,通过争取坝体施工 时间,可以抢在主汛期之前将坝体筑高到施工期临时 度汛高程以上,主汛期坝体仍可继续上升。 3 导流泄水建筑物导流标准的合理选取 3.1选取依据与原则 导流泄水建筑物的设计洪水标准应与主要导流挡 水建筑物(或坝体度汛)设计洪水标准相配套,为合理 选取导流泄水建筑物的设计洪水标准,应把握好以下 原则。 (1)导流泄水建筑物导流标准的选取,应以我国 现行规范为依据。导流泄水建筑物应与导流挡水建筑 物配套选取设计洪水标准,一般采用上游主要挡水建 筑物相同的标准。 (2)对应不同导流阶段分别确定导流泄水建筑物 设计洪水标准。对于大型水利水电工程,一般均存在 3个如前所述的特征导流阶段。导流泄水建筑物在不 同导流阶段相应选取不同的导流标准。 (3)不同型式导流泄水建筑物设计洪水标准选取 原则。导流泄水建筑物为隧洞、涵管等封闭式结构时, 其超泄能力比开敞式结构(如分期束窄河床、导流明 渠等)要小,失事后修复也较难,其设计洪水标准应高 一些,而开敞式导流泄水建筑物导流设计洪水标准可 适当降低。如三峡工程二期上游土石围堰按1%频率 洪水流量83 700 m /s设计,而相应泄水建筑物导流明 渠则采用2%频率洪水流量79 000 m /s设计。 (4)导流泄水建筑物与永久水工建筑物结合时, 结合部分应按满足导流与永久运用要求对应的控制工 况标准进行设计。 3.2 泄水与挡水建筑物设计洪水标准的匹配 导流泄水建筑物设计洪水标准通常应与同一施工 期上游导流挡水建筑物围堰设计洪水标准一致,如构 皮滩水电站上游碾压混凝土围堰挡水标准为10 a一 遇洪水流量13 500 m /s,导流隧洞设计洪水标准也与 其相同。但因导流隧洞运行期较围堰长,需参与中期 导流(大坝临时挡水度汛阶段),而此时大坝度汛洪水 标准远高于围堰设计洪水标准(如构皮滩水电站大坝 度汛设计洪水标准为100 a一遇洪水21 000 m /s),因 此,在导流隧洞设计过程中,还应按大坝挡水度汛确定 洪水标准,并有校核洪水标准。三峡工程二期上游士 石围堰为Ⅱ级建筑物,其设计洪水标准为100 a一遇 洪水流量83 700 m /s;而导流明渠为Ⅲ级建筑物,其 设计洪水标准为50 a一遇洪水流量79 000 rn /s,这说 明在导流泄水与导流挡水建筑物设计洪水标准的选取 72 人 民 长 江 2O11年 上,先要依据建筑物重要性确定建筑物等级,然后依据 建筑物等级确定其设计洪水标准。 时段上游挡水建筑物(围堰或坝体)设计洪水标准一 致。对于超泄能力较强的开敞式结构(如导流明渠), 4结论与建议 (1)一次拦断河床的围堰导流方式,导流阶段可 划分为初期导流、中期导流和后期导流3个阶段。对 于特殊情况下的高坝大库,为控制施工期蓄水上升水 其导流设计洪水标准可适当降低。 以上结论,可为将来相关施工导流规范修编时参 考。 参考文献: [1] 中华人民共和国水利部.国家发展与改革委员会中华人民共和国 水利部.DL/T 5397—2007水电工程施工组织设计规范[S].北 京:中国电力出版社,2007. 位或封堵闸门水头,个别导流泄水建筑物(如坝身导 流底孔)在后期导流阶段过程中下闸。 (2)对于特大型梯级水利水电枢纽,临时度汛设 [2] 中华人民共和国水利部.SL 303—2004水利水电工程施工组织设 计规范[s],上海:上海书店出版社,2004. [3] 长江勘测规划设计研究院,长江水利委员会中心.国内外大 型水电工程导截流标准实例选编[R].武汉:长江勘测规划设计 研究院,长江水利委员会中心,2010. [4] 全国水利水电施工技术信息网.水利水电工程施工手册(第5 卷):施工导(截)流与度汛工程[R].北京:中国电力出版社, 2005. 计洪水标准相较围堰挡水标准提高较多,且在某个时 间点大幅提高,不利于坝体施工进度安排和均衡施工。 为缓解上述矛盾,可研究采用下列措施:①适当抬高 围堰挡水设计洪水标准。②利用上游梯级水库的调 蓄作用,适当降低坝体临时度汛设计洪水流量值。③ 优化导流时段划分,适当延长枯水期,缩短汛期,延长 坝体施工时间。 (3)导流泄水建筑物设计洪水标准应与同一导流 (编辑:喻伟) Discussion on design flood standard of dam flood protection and flood diversion structure XU Tangjin,LI Heng,MA Yongfeng (Construction and Design Department,Changjiang Institute of Survey,Planning,Design and Research,Wuhan 430010,China) Abstract: In order to fuaher study the problem of design flood standard of dam flood protection and flood diversion structure, on the basis of the collection of the design flood standard of the large cascade hydropower stations in built and under construction and flood diversion stuctrure,and their operation conditions,we analyzed the influential factors for design flood standard selection of dam flood protection and diversion stucture,and trhen proposed the rational selection principle.According to the existed prob— lems in the design code,the related problems were discussed and several suggestions on the revision of design code were presen・ ted as wel1. 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Key words: steel silo;pressure of bulk materials;silo wall;stability;connection;calculation 

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