b)混凝土围堰、浆砌块石围堰堰顶宽度3m~6m,若有交通要求,其堰顶宽度不宜小于5m。
c)钢板桩格型围堰平均宽度为0.85D(圆筒格体直径),框架填石围堰宽度为高度的1.0倍~1.3倍。竹笼围堰高度10m~15m,顶宽5m~10m。
7.1.4围堰设计初拟断面参照国内外水电工程已建的各种型式围堰断面尺寸,建议如下主要参数,在围堰设计时需结合本工程围堰基础地质和围堰填料物理力学指标,通过结构计算最后确定围堰断面。
a)土石围堰:堆石体边坡1∶1.2~1∶1.5,砂砾石及石渣边坡1∶2~1∶1.8;堰体高度8m~10m,增设一道宽1.5m~2m的马道;防渗土料心墙顶宽1m~2m;边坡1∶0.2~1∶0.5;防渗体与堰壳之间反滤层最小厚度0.5m~1.0m。
b)混凝土围堰:迎水坡1∶0~1∶0.15;背水坡1∶0.6~1∶0.75。
c)浆砌块石围堰:迎水坡1∶0~1∶0.2;背水坡1∶0.65~1∶0.8。
d)钢板桩格型围堰:圆筒形格体直径(D)为高度(H)的0.9~1.4倍;相邻两圆筒中心距2L=(1.05~1.15)D;圆筒与连弧交角30°~90°。
e)框架填石围堰:围堰宽度B=(1~1.3)H(围堰高度)。
f)竹笼围堰:围堰宽度B=(1.1~1.5)H(围堰高度)。迎水坡1∶0.1,背水坡1∶0.6。
g)草土围堰:围堰宽度B=(2~2.5)H(围堰高度)。边坡1∶0.2~1∶0.5。
7.2水力计算
7.2.1围堰束窄河床后,改变了该段河道的天然水流状态,在围堰上游形成壅水区,被束窄河段水面跌落,纵向和横向均产生收缩,过水断面减小,流速加大,水流通过收缩断面后,水位又逐步降落至下游水位。束窄河床的壅水高度(实际为最大收缩断面与上游水位之差)计算可利用能量方程推导出的近似公式计算;通过束窄河床的水力计算,求出壅水高度和束窄段最大收缩断面的平均流速,以便确定上游横向围堰及纵向围堰沿线的水面线,横向围堰及纵向围堰堰顶高程和研究围堰及河床的防冲保护方案。对Ⅲ级、Ⅳ级建筑物围堰束窄河床的水位及流速分布和壅水高度还有赖于水工模型试验验证。
7.2.2过水围堰溢流水力计算可参照《水工设计手册》第六卷第二十八章消能与防冲中的有关公式,在设计洪水标准范围内通过选择最不利情况进行水力计算,求出堰体及下游河床最大流速,研究改善水力条件及防冲保护方案,对按Ⅳ级以上建筑物设计的围堰宜通过水工模型试验验证。
7.2.3土石围堰渗流计算确定堰体浸润线位置及堰体内渗流压力分布,以验算围堰边坡稳定,拟定堰基防渗铺盖及堰体斜墙或基础防渗墙和堰体心墙的厚度及长度;确定渗流坡降(引起堰体及堰基管涌和流土的渗透坡降),以便核算堰体及堰基的渗透稳定和防渗体的抗渗强度;确定墙体及堰基的渗流量,作为基坑排水设计的依据。土石围堰渗流计算可参照《水工设计手册》第三卷第十五章渗流计算中有关公式。对于高度大于50m,且按Ⅲ级建筑物设计的土石围堰渗流计算可采用有限元法,并用电拟法(电流水流动力比拟法)实验对公式计算成果进行校核修正。
7.2.4混凝土围堰基础为岩基时,需计算沿基础软弱层面的渗透稳定的渗流量,以便研究采取防渗处理措施;若堰基为有压渗流,要确定沿堰体基岩面的水头分布或扬压力线,以便核算堰体的稳定性。
对于建在覆盖层上的混凝土围堰,除计算渗流量外,需验算堰基是否会发生渗透变形(管涌、流土等)而引起覆盖层基础渗透破坏。通常,计算堰基下游渗流出口的渗流坡降,若计算值小于覆盖层的容许坡降,则需采取防渗处理,并在堰基下游渗流出口处设置反滤层盖重以防止堰基渗透变形。
7.2.5通常,围堰渗流计算按迎水侧设计水位、背水侧无水和迎水侧设计水位、背水侧最高水位(即基坑抽水前水位)两种水位组合条件计算即可。但对按Ⅲ级建筑物设计的重要围堰,尚需核算迎水侧最高洪水位(即校核水位或保坝水位)、背水侧无水和迎水侧最高洪水位、背水侧最高水位(即汛期基坑未抽水水位)两种水位组合条件。
7.2.6围堰防渗体及堰基的安全渗透比降,一般采用:黏土为5~10,壤土为4~6,轻壤土为3~4;防渗体与堰基础接触面的安全渗透比降,一般采用:黏土2.5~5.0,壤土2~3,轻壤土1.5~2.0。围堰防渗体及堰基的安全渗透比降可结合本工程的具体情况,参照上述参数初步拟定,再根据试验成果经论证后确定。
7.3稳定计算
7.3.1围堰稳定计算安全系数中土石围堰和混凝土围堰的抗滑稳定系数取用SDJ338。其他型式围堰稳定计算安全系数,钢板桩格型围堰稳定计算内容及安全系数为参照国外水电工程钢板桩格型围堰设计计算公式及安全系数;浆砌块石围堰、框架填石围堰、竹笼围堰、草土围堰稳定计算内容及安全系数系参照国内已建的围堰工程设计施工实践经验并与土石围堰及混凝土围堰采用值类比而拟定。
7.3.2围堰设计荷载一般包括围堰自重、设计洪水位的静水压力、浮托力、渗透压力、土压力、泥沙压力、风浪压力等,应根据围堰型式及其运用条件确定。对属Ⅲ级建筑物的围堰,尚需核算校核洪水位(或保坝洪水位)的静水压力和施工荷载作用下围堰的稳定。作用在围堰上的荷载计算方法可参照《水工设计手册》第三卷第十七章主要设计标准和荷载计算中的计算公式。
7.3.3土石围堰边坡稳定计算公式和浆砌块石围堰稳定计算参照《水工设计手册》第四卷土石坝中的有关公式。
框架填石围堰、竹笼围堰稳定计算可参照混凝土围堰按纯摩擦公式计算堰体沿建基面的抗滑稳定和沿背水侧底部倾覆稳定。
钢板桩格型围堰稳定计算内容及计算方法可采用《导流与截流》*一书中所列公式。
*《导流与截流》,书号为ISBN7-120-02119-2/TV.814,水利电力出版社,1995年出版。
7.3.4混凝土围堰稳定计算内容及计算方法可参照《水工设计手册》第五卷混凝土坝中有关公式。
7.3.5过水围堰应根据围堰型式确定其稳定计算公式,对不同运行水位和工况(充水、过流、退水)进行计算,围堰断面按最不利的运用条件设计。建在软基和深覆盖层上的过水围堰,应校核沿基础中最不利层面的抗滑稳定。
7.3.6过水围堰的结构设计除进行堰体稳定和强度计算外,必须对溢流面及其坡脚的消能防冲结构进行专项设计。对混凝土过水围堰、浆砌块石过水围堰,主要是拟定溢流面的型式及下游坡脚的防冲结构型式。若围堰建在岩基上,且下游河床地质条件较好,宜采用挑流消能;若围堰建在覆盖层上,宜采用面流消能,在围堰下游坡脚设陡坎及护底,保护堰体坡脚,防止围堰过水时造成下游坡脚冲刷破坏。对土石过水围堰,需研究围堰进水端及堰顶溢流结构型式、下游坡护面结构、下游坡脚消能防冲结构型式、围堰两岸基础的防冲措施。堰顶溢流结构型式通常采用平顶形、曲线形或圆弧形。堰体坡脚的防冲结构型式通常采用:
1)坡脚护底顺坡式,保护堰体坡脚及下游河床覆盖层,护底长度视覆盖层厚度而定。对流速小于5m/s可采用粒径0.5m~0.8m的大块石或铅丝笼块石保护;流速5m/s~7m/s,可采用3t~5t重特大块石或钢筋笼块石保护;流速大于7m/s,采用3t~5t重特大块石串混凝土块柔性排保护。
2)坡脚设挡墙的陡坡式,挡墙一般采用混凝土结构,宜建在基岩上。
3)坡面挑流平台式,借助平台挑流形成面流消能,例如:富春江水电站二期上游过水围堰在堰体溢流坡面设挑流平台。
7.4应力计算
7.4.1混凝土重力式围堰应力计算通常按材料力学公式计算。对于按Ⅲ级建筑物设计的围堰宜用平面问题的有限单元法求解堰体和基础的应力及位移,其计算公式参见《水工设计手册》第五卷第二十一章重力坝中坝体应力计算公式。
来源:长江水利委员会长江水利勘测规划设计研究院