水利工程施工(第6版)
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第二节 围堰工程

围堰是导流工程中的临时挡水建筑物,用来围护基坑,保证水工建筑物能在干地施工。在导流任务完成以后,如果围堰对永久建筑物的运行有妨碍,或没有考虑作为永久建筑物的一部分时,应予以拆除。

水利水电工程施工中经常采用的围堰,按其所使用的材料可以分为土石围堰、草土围堰、袋装土围堰、胶凝砂砾石(CSG)围堰、钢板桩格型围堰、混凝土围堰等。

按围堰与水流方向的相对位置可以分为横向围堰和纵向围堰。

按导流期间基坑淹没条件可以分为过水围堰和不过水围堰。过水围堰除需要满足一般围堰的基本要求外,还要满足堰顶过水的专门要求。

选择围堰型式时,必须根据当时当地具体条件,在满足下述基本要求的原则下,通过技术经济比较加以选定。

(1)具有足够的稳定性、防渗性、抗冲性和强度。

(2)就地取材,造价便宜,构造简单,修建、拆除方便。

(3)围堰的布置,应力求使水流平顺,不发生严重的局部冲刷。

(4)围堰接头、与岸坡联结处要可靠,避免因集中渗漏等破坏作用而引起围堰失事。

(5)必要时应设置抵抗冰凌、船筏冲击破坏的设施。

围堰的基本型式及构造

1.不过水土石围堰

土石围堰能充分利用当地材料,对地基适应性强、施工工艺简单,应优先选用。不过水土石围堰是水利水电工程中应用最广泛的一种围堰型式,如图1-11和图1-12所示。它能充分利用当地材料或废弃的土石方,构造简单,施工方便,可以在动水中、深水中、岩基上或有覆盖层的河床上修建。但其工程量大,堰身沉陷变形较大,如柘溪水电站的土石围堰一年中累计沉陷量最大达40.1cm,为堰高的1.75%,一般为0.8%~1.5%。此外,除非采取特殊措施,土石围堰一般不允许堰顶过水,所以汛期应有防护措施。

若当地有足够数量的渗透系数小于10-4cm/s的防渗料(如砂壤土)时,土石围堰可以采用图1-11(a)、(b)两种型式。其中图1-11(a)适用于基岩河床;图1-11(b)适用于覆盖层厚度不大的场合。斜墙和水平铺盖在大多数情况下均需水下抛填,一般坡度很缓,这与水深和抛填土料性质有关。例如湖北丹江口水利工程,在水深3~9m的条件下抛填壤土,水下稳定坡度达1:6~1:7。黏土的水下稳定坡度更缓,一般不宜采用。在吉林白山水电站,用风化砂作斜墙和铺盖,水下稳定坡度为1:1.7~1:2.0,抛填3天后,渗透系数达到10-5cm/s,取得了良好的防渗效果。

若当地没有足够数量的防渗料或覆盖层较厚时,土石围堰可以采用图1-11(c)、(d)两种型式,用混凝土防渗墙、高喷墙、自凝灰浆墙或帷幕灌浆来解决基础和堰身的防渗问题。这也是最近几年主流的不过水围堰型式,若围堰较高,则可采用图1-12所示围堰型式,用土工膜代替图1-11(d)中的黏土心墙。

图1-11 不过水土石围堰

(a)斜墙式;(b)斜墙带水平铺盖式;(c)垂直防渗墙式;(d)帷幕灌浆式

1—堆石体;2—黏土斜墙、铺盖;3—反滤层;4—护面;5—基岩;6—覆盖层;7—垂直防渗墙;8—帷幕灌浆;9—黏土心墙

图1-12 小湾水电站上游围堰断面图(单位:m)

1—土工膜心墙;2—高压旋喷灌浆防渗墙(三排);3—截流戗堤;4—堆石;5—过渡料;6—水中抛填砂砾石;7—水中抛填石渣;8—水中抛填堆石;9—排水棱体

2.过水土石围堰

当采用允许基坑淹没的导流方式时,围堰堰体必须允许过水。如前所述,土石围堰是散粒体结构,不允许堰体溢流。因为土石围堰过水时,一般受到两种破坏作用:①水流沿下游坡面下泄,动能不断增加,冲刷堰体表面;②由于过水时水流渗入堆石体所产生的渗透压力,引起下游坡面连同堰顶一起深层滑动,最后导致溃堰的严重后果。因此,过水土石围堰的下游坡面及堰脚应采取可靠的加固保护措施。目前采用的有大块石护面、钢筋石笼护面、加筋护面及混凝土板护面等。应用较普遍的是混凝土板护面。

(1)混凝土板护面过水土石围堰。常用的混凝土护面板,按施工方式可分为现浇混凝土护面板和预制混凝土护面板;按面板截面型式可分为矩形板和楔形板;按面板连接方式可分为重叠搭接式和平顺连接式;按面板上有无排水设施可分为带排水孔面板和不带排水孔面板。面板与围堰下游坡之间一般需设置垫层,以削减板下水流压强,有利于面板的平整与稳定。对于面板型式、厚度、围堰下游坡度、垫层、(堰脚)保护型式和范围以及围堰整体的稳定性能,除了参考工程经验和进行有关的计算以外,一般应通过水工模型试验确定。

混凝土护面板的安装或浇筑应错缝、跳仓,施工顺序应从下游面坡脚向堰顶进行。

图1-13所示为天生桥一级水电站(20世纪90年代)采用的混凝土板护面上游过水土石围堰。围堰由维持堰体稳定的堆石体及土石混合料堆体、防止渗透的高喷板墙(高33m、厚0.5m)、满足过水要求的混凝土护面板(堰顶和高程645m挑流平台均采用厚1.0m 的钢筋混凝土护面板,堰顶至高程645m平台的斜坡段采用平均厚度 0.9 m 的混凝土楔型面板),以及上游压重体等部分所构成。设计最大过堰流速10.19m/s,单宽流量12~18m3/(s·m)。经过1995年12次、1996年7次过水,过堰水流平稳,围堰完好无损。

自20世纪50年代以来,混凝土护面板有逐渐变薄的趋势,例如,江西上犹江水电站(20世纪50年代)过水土石围堰,设计最大过堰流速15m/s,面板厚3.0m,单宽流量40m3/(s·m);湖北堵河黄龙滩水电站(20世纪70年代)上游过水土石围堰,实际最大过堰流速17m/s,面板厚2m,单宽流量21m3/(s·m);湖北清江水布垭水电站(2002年)上游土石过水围堰,模型试验最大过堰流速18m/s,面板厚1.5~1.0m,单宽流量50m3/(s·m)。

图1-13 天生桥一级水电站混凝土板护面上游过水土石围堰(单位:m)

1—压重;2—土石混合料;3—截流戗堤;4—淤积层;5—砂砾石;6—淤泥质黏土;7—高喷板墙;8—过滤料;9—反滤料;10—钢筋混凝土面板;11—混凝土楔型板;12—铅丝笼

有混凝土挡墙过水土石围堰的修建,一般需按设计断面分期施工。例如,江西上犹江水电站过水土石围堰,第一期修建所谓“安全断面”,即在围堰截流、闭气后,加高培厚戗堤,先完成临时断面,然后抽水排干基坑[图1-14(a)];第二期在安全断面挡水条件下修建混凝土挡墙[图1-14(b)],并继续加高培厚,修筑堰顶及下游坡护面等,直至完成设计断面[图1-14(c)]。

(2)加筋过水土石围堰。20世纪50年代以来,国内外已成功地修建了20多座加筋过水土石围堰。例如,广西大化水电站的加筋过水土石围堰,下游坡面最长38m,经受住了9130 m3/s [单宽流量超过40 m3/(s·m)]洪水的考验。加筋过水土石围堰(图1-15)是在围堰的下游坡面上铺设钢筋网,防止坡面块石被冲走,并在下游部位的堰体内埋设水平向主锚筋,以防下游坡连同堰顶一起滑动。下游坡采用钢筋网护面,可使护面块石的尺寸减小,下游坡角加大,其造价低于混凝土板护面过水土石围堰。

图1-14 带混凝土挡墙过水土石围堰施工程序图

(a)一期断面;(b)二期断面;(c)设计断面

图1-15 加筋过水土石围堰

1—水平向主锚筋;2—钢筋网

图1-16 钢筋网及水平向主锚筋构造图

1—水平向主锚筋;2—纵向主筋;3—横向构造筋;4—横向加筋

钢筋网及水平向主锚筋的构造见图1-16。钢筋网由纵向主筋、横向构造筋及横向加筋等组成。一般纵向主筋φ5~29,间距10~45cm;横向构造筋φ7~25.4,间距15~22.5cm;横向加筋φ19~29,间距1.5~3.0m。纵向主筋与横向构造筋所形成的网格尺寸,应能框住坡面块石,以免过水时被冲走。为防止钢筋网的隆起,设横向加筋加压,横向加筋应放置在纵向加筋的下面,以防止被水流所挟带的杂物冲断。水平向主锚筋一般采用19~38mm,其垂直间距1.5~3.0m、水平间距0.23~1.5m。钢筋网及水平向主锚筋可预制后在现场进行装配。钢筋构件的连接可用电焊,也可用φ15.9的U形螺栓,以便拆装。

必须指出的是:①加筋过水土石围堰的钢筋网应保证质量,否则水流挟带的块石会切断钢筋网,使土石料被水流淘刷成坑,造成塌陷,导致溃口等严重事故;②过水时堰身与两岸接头处的水流比较集中,钢筋网与两岸的连接应十分牢固,一般需回填混凝土直至堰脚处,以利钢筋网的连接生根;③过水以后要进行检修和加固。

3.混凝土围堰

混凝土围堰的抗冲与防渗能力强,挡水水头高,底宽小,易于与永久建筑物相连接,必要时还可以过水,因此应用比较广泛。近年来,由于碾压混凝土(RCC)施工具有施工速度快,造价低,过水时安全性高等优势而广泛应用。如广西岩滩上下游RCC围堰(高52.3m),湖北隔河岩上游过水RCC拱围堰(高40m),云南大朝山上游RCC过水拱围堰(高41m),福建水口RCC纵向导墙,广西龙滩RCC重力围堰(高87.6m,见图1-17),三峡三期上游RCC重力围堰(高121m,见图1-18)等。其中,三峡三期RCC围堰的施工周期仅4个月,具有世界先进水平。因此,在有条件时应优先选用RCC围堰;当堰址的河谷狭窄且地质条件良好时,可采用RCC拱围堰。

图1-17 龙滩上游RCC围堰剖面图

图1-18 三峡三期RCC围堰

(1)拱形混凝土围堰(图1-19)。一般适用于岸坡陡峻、岩石坚实的山区河流。此时常采用隧洞及允许基坑淹没的导流方案。通常,围堰的拱座设在枯水位以上。对围堰的基础处理,当河床的覆盖层较薄时,常进行水下清基;若覆盖层较厚,则可灌注水泥浆防渗加固。堰身的部分混凝土要进行水下施工,因此难度较高。

图1-19 甘肃刘家峡水电站上游混凝土拱形围堰(高程:m)

(a)平面图;(b)横断面图

1—拱身;2—拱座;3—灌浆加固;4—溢流段;5—非溢流段

拱形混凝土围堰,由于利用了混凝土抗压强度较高的特点,与重力式围堰相比,断面较小,可节省混凝土工程量。

有的工程,在堆石体上修建重力式拱形围堰,其布置如图1-20所示。围堰的修筑,通常从岸边沿围堰轴线向水中抛填砂砾石或石渣进占,出水后进行灌浆,使抛填的砂砾石体或石渣体固结,并使灌浆帷幕穿透覆盖层直至基岩;然后在砂砾石体或石渣体上浇筑重力式拱形混凝土围堰。

图1-20 西班牙维勒工程的重力式拱形围堰

(a)平面图;(b)横断面图

Ⅰ—一期基坑;Ⅱ—二期基坑

1—主体建筑物;2—水电站;3—一期围堰;4—二期围堰;5—堆石体;6—灌浆帷幕;7—覆盖层;8—基岩

(2)重力式混凝土围堰。采用分段围堰法导流时,重力式混凝土围堰往往可兼做第一期和第二期纵向围堰,两侧均能挡水,还能作为永久建筑物的一部分,如隔墙、导墙等。

重力式混凝土围堰一般需修建在基岩上,断面可做成实体式,与非溢流重力坝类似,也可做成空心式(图1-21)。为了保证混凝土的施工质量,通常需在土石低水围堰围护下进行干地施工。

图1-21 河南三门峡工程重力式混凝土纵向围堰(单位:m)

(a)平面图;(b)A—A剖面

4.钢板桩格型围堰

钢板桩格型围堰按挡水高度不同,其平面型式有圆筒形格体、扇形格体及花瓣形格体(图1-22)等,应用较多的是圆筒形格体。钢板桩格型围堰在国外一些大、中型水利水电工程中应用得比较广泛。如在美国田纳西河流域梯级开发工程中,有14个工程采用过钢板桩格型围堰。我国长江葛洲坝工程也成功地应用圆筒形格体钢板桩围堰作为纵向围堰的一部分。钢板桩格型围堰得以广泛应用是由于:修建和拆除可以高度机械化;钢板桩的回收率高,可达70%以上;边坡垂直、断面小、占地少、安全可靠等。

钢板桩格型围堰适用于在岩石地基或混凝土基座上建造,其最大挡水水头不宜大于30m;对于细砂砾石层地基,可用打入式钢板桩围堰,其最大水头不宜大于20m。

圆筒形格体钢板桩围堰是由“一字形”钢板桩拼装而成,由一系列主格体和联弧段所构成。格体内填充透水性较强的填料,如砂、砂卵石或石渣等(图1-23)。

图1-22 钢板桩格型围堰平面型式

图1-23 圆筒形格体钢板桩围堰(单位:mm)

(a)平面图;(b)“一字形”钢板桩;(c)钢板桩异形接头

1—主格体;2—联弧段

图1-24 格体挡水时变位示意图

1—钢板桩;2—填料

圆筒形格体的直径D,根据经验一般取挡水高度H的0.9~1.4倍,平均宽度B为0.85D。圆筒形格体钢板桩围堰不是一个刚性体,而是一个柔性结构,格体挡水时会产生变位(图1-24),此时填料沿格体轴线的垂直平面(图1-24中A—A平面)发生错动。提高填料本身的抗剪强度以及填料与钢板桩之间的抗滑力,有助于提高格体的抗剪稳定性。此外,钢板桩的锁口由于受到填料的侧压力而引起拉力。因此,圆筒形格体钢板桩围堰的设计,除了应按水工建筑物一般要求,核算抗滑、抗倾覆稳定及地基强度外,尚需核算格体轴线垂直平面上的抗剪稳定性和钢板桩锁口的抗拉强度等。

圆筒形格体钢板桩围堰的修建,由定位、打设模架支柱、模架就位、安插钢板桩、填充料渣、取出模架及其支柱和填充料渣到设计高度等工序组成(图1-25)。圆筒形格体钢板桩围堰一般需在流水中修筑,受水位变化和水面波动的影响较大,施工难度较高。1965年罗马尼亚·南斯拉夫的铁门水电站,采用自升平台船来修筑圆筒形格体钢板桩围堰,使工效、质量均得到提高。一个直径为18m、高为16m的格体仅用18天时间建成。

应当注意,向格体内倾注填料时,必须保持各格体的填料表面大致均衡上升,高差太大会影响格体变形。

图1-25 圆筒形格体钢板桩围堰施工程序图

(a)定位、打设模架支柱;(b)模架就位;(c)安插钢板桩;(d)打设钢板桩;(e)填充料渣;(f)取出模架及支柱,填充料渣至设计高程

1—支柱;2—模架;3—钢板桩;4—打桩机;5—填料

5.草土围堰及袋装土围堰

草土围堰是一种草土混合结构,多用捆草法修建。这是我国劳动人民长期与水作斗争的智慧结晶之一。远在两千多年前,草土围堰就已广泛应用于宁夏引黄灌渠的取水工程上。甘肃盐锅峡、八盘峡、刘家峡,宁夏青铜峡及陕西石泉水电站等都先后应用过草土围堰。

图1-26 草土围堰

1—水下堰体;2—水上加高部分;3—草捆;4—散草铺土层;5—设计挡水位;6—施工水位;7—河床

草土围堰的断面一般为矩形或边坡很陡的梯形,坡比为1:0.2~1:0.3,是在施工中自然形成的边坡(图1-26)。断面尺寸除应满足抗滑、抗倾覆、防渗等要求外,还须考虑施工过程中的运草、运土等要求。根据实际经验,草土围堰的宽高比,在岩基河床上为2~3;在软基河床上为4~5。堰顶超高通常采用1.5~2.0m。

草土围堰可就地取材,结构简单,施工方便,造价低,防渗性能好,适应能力强,便于拆除,施工速度快。在青铜峡水电站施工中,只用40天时间,就在最大水深7.8m、流量1900m3/s、流速大于3m/s的条件下,建成长580m、工程量达7万m3的草土围堰。但草土围堰不能承受较大的水头,宜用于水深不大于6~8m,流速不超过3~5m/s的场合。

袋装土围堰的基本断面为梯形,袋装土是一种以聚丙烯编织布缝成具有一定规格的袋子作软体模板,用泥浆泵充填砂性土,后经泌水密实成型的土方工程。它具有整体性好,机械化施工速度快,能抵抗一定的风浪的优点,可以快速成型并具有较好的地基适应性。它在河堤的抢险、围海工程以及一些工期较短的临时工程中多有应用。例如,某隧洞充水试验进口围堰(图1-27),进口围堰临水面采用两层复合土工膜防渗,并分别向两侧闸墙、闸底板各延伸1m。延伸的1m土工膜采用胶水接触的混凝土面粘贴。围堰顶宽3m,临水面边坡坡度为1:0.75,外坡坡度为1:1.75。在土工膜下方的编织袋砌体表面采用黏性土整平夯实,土袋堆砌体压实度不小于93%;土工膜上方1m层采用砂袋压盖,且临水面砂袋坡脚堆砂袋(3m高,3m宽)防止砂袋遇水浸泡后下滑。

图1-27 进口围堰剖面图

6.CSG围堰

CSG(Cemented Sand&Gravel 胶凝砂砾石)技术是一项新型筑坝技术,这种技术的核心是将胶凝材料和水添加到河床砂砾石或开挖废弃料等在坝址附近容易找到的岩石基材中,然后采用简单的拌和装置拌和而得到的一种新型廉价的筑坝材料。胶凝砂砾石(CSG)技术性能介于堆石坝材料和碾压混凝土之间,具有比堆石坝材料更好的抗冲刷能力,允许表面过流,具有一定强度和刚体性质,可以减小坝体的体积,同时又具有良好的地基适应能力,减少了地基处理的工程量。

目前,CSG筑坝技术主要在日本、希腊、土耳其、法国等国家开展一些研究并在小型工程应用,主要用于围堰、拦沙坝和中低高度的大坝建设;在国内刚刚起步,应用较少,主要用于围堰填筑方面,例如,福建霍童溪洪口水电站上游过水围堰,福建尤溪江街面水电站下游围堰,贵州道塘水库上游围堰等。

国内外典型胶凝砂砾石围堰见表1-3。

表1-3 国内外典型CSG围堰

CSG围堰的基本剖面为对称梯形,堰体的拉应力较小,运行期堰体应力变化较小,堰体内部应力分布均匀,堰体在强烈地震荷载作用下其拉应力也较小,具有较好的抗震性能。

CSG围堰的体型比土石围堰小,可以减少投资和缩短工期;即便和混凝土围堰相比,其依然具有较大的优势。洪口水电站工程上游主围堰采用CSG围堰方案,2006年6月5—8日“6.6”洪水期间,流量约5400m3/s(接近50年一遇洪水标准),围堰多次过水,过水时间长达40多个小时,期间堰前最高水位为高程83.45m,最大过水水头7.95m,比设计过水标准超高1.45m。洪水后检查,围堰损坏较轻,围堰主体完好,围堰上未发现裂缝,围堰漏水量与过水前无明显变化。同时,与原定RCC围堰方案相比工程造价降低了28%,工期缩短了25%。

CSG围堰的施工工艺和碾压混凝土类似。采用装载机拌和,自卸汽车上坝,反铲式挖掘机摊铺,振动碾碾压的施工工艺。正式施工前还应进行现场工艺试验,以确定胶凝砂砾石材料的具体配合比以及装载机拌和遍数和振动碾碾压遍数。

图1-28 道塘水库上游CSG围堰剖面图(单位:m)

围堰的平面布置与堰顶高程

1.围堰的平面布置

围堰的平面布置是一个很重要的问题。如果平面布置不当,围护基坑的面积过大,会增加排水设备容量;过小则会妨碍主体工程施工,影响工期;更有甚者,会造成水流宣泄不畅顺,冲刷围堰及其基础,影响主体工程安全施工。

围堰的平面布置一般应按导流方案、主体工程轮廓对围堰提出的要求而定。

当采用全段围堰法导流时,基坑是由上、下游横向围堰和两岸围成的。当采用分段围堰法导流时,围护基坑的还有纵向围堰。在上述两种情况下,上、下游横向围堰的布置都取决于主体工程的轮廓。通常,围堰背水坡坡脚距永久建筑物开挖外轮廓线不宜小于10m,以便布置排水设施、交通运输道路及堆放材料和模板等(图1-29)。至于基坑开挖边坡的大小,则与地质条件有关。

图1-29 围堰布置图(单位:m)

1—主体工程轴线;2—主体工程轮廓;3—基坑;4—上游横向围堰;5—下游横向围堰;6—纵向围堰

用分段围堰法导流时,上、下游横向围堰一般不与河床中心线垂直,如图1-29所示,其平面布置常呈梯形,以保证水流顺畅,同时也便于运输道路的布置和衔接。采用全段围堰法导流时,为了减少工程量,围堰多与主河道垂直。

当纵向围堰不作为永久建筑物的一部分时,基坑纵向坡趾离主体工程轮廓的距离,一般不大于2.0m,以供布置排水系统和堆放模板。如果无此要求,只需留0.4~0.6m,如图1-29所示。

此外,布置围堰时,应尽量利用有利地形,减小围堰的高度与长度,从而减少围堰的工程量。同时,如前所述,还应结合泄水建筑物来考虑围堰的布置,以保证围堰的安全。对于重要的、大中型水利水电工程的围堰平面布置,要结合导流方案的选择,通过水工模型试验确定。

2.堰顶高程

堰顶高程取决于导流设计流量及围堰的工作条件。

下游围堰的堰顶高程由下式决定:

式中:Hd为下游围堰堰顶高程;hd为下游水位高程,可直接从河流水位流量关系查出;ha为波浪爬高;δ为围堰的安全超高,对于不过水围堰可按表1-4确定,对于过水围堰可不予考虑。

表1-4 不过水围堰堰顶安全超高下限值 单位:m

上游围堰的堰顶高程由下式决定:

式中:Hu为上游围堰堰顶高程,m;z为上下游水位差,m;其余符号意义同式(1-4)。

必须指出,当围堰要拦蓄一部分水流时,则堰顶高程应通过调洪计算确定。

纵向围堰的堰顶高程,要与束窄河段导流设计流量时的水面曲线相适应。因此,纵向围堰的顶面往往作成阶梯形或倾斜状,其上游和下游分别与上游围堰和下游围堰顶同高。

围堰的防渗接头和防冲

围堰的防渗、接头和防冲是保证围堰正常工作的关键问题,对土石围堰来说尤为突出。一般土石围堰在流速超过3.0m/s时,会发生冲刷现象,尤其在采用分段围堰法导流时,若围堰布置不当,在束窄河段的进出口和纵向围堰会出现严重的涡流,淘刷围堰及其基础,导致围堰失事。

1.围堰的防渗

围堰防渗的基本要求,和一般挡水建筑物无大的差异。下面仅就其较为特殊的问题作一些说明。前面已提到,土石围堰的防渗一般采用斜墙、斜墙接水平铺盖、垂直防渗墙或灌浆帷幕等措施。围堰一般需在水中修筑,因此,如何保证斜墙和水平铺盖的水下施工质量就很关键。

湖南柘溪水电站土石围堰的斜墙和铺盖是在10~20m深水中,用人工抛填方法施工。施工时注意了滑坡、颗粒分离及坡面平整等的控制。抛填3个月后经取样试验,填土密实度均匀,防渗性能良好,干密度均在1.45t/m3以上,无显著分层沉积现象,土坡稳定。上部坡高8~9m范围内,坡度约为1:2.5~1:3.0;下部坡度较缓,一般均在1:4.0以上。

由此可见,尽管斜墙和水平铺盖的水下施工难度较高,但只要施工方法选择得当,是能够保证质量的。

2.围堰的接头处理

围堰的接头是指围堰与围堰、围堰与其他建筑物及围堰与岸坡等的连接而言。围堰的接头处理与其他水工建筑物接头处理的要求并无多大区别,所不同的仅在于围堰是临时建筑物,使用期不长,因此接头处理措施可适当简化。如混凝土纵向围堰与土石横向围堰的接头,一般采用刺墙型式(图1-30),以增加绕流渗径,防止引起有害的集中渗漏。为降低造价,施工和拆除方便,在基础部位可用混凝土刺墙,上接双层2.5cm厚木板,中夹两层沥青油膏及一层油毛毡的木板刺墙。木板刺墙与混凝土纵向围堰的连接处设厚2mm的白铁片止水。木板刺墙与混凝土刺墙的接触处则用一层油毛毡和二层沥青麻布防渗。

图1-30 刺墙构造简图

(a)正视图;(b)横断面图

1—混凝土纵向围堰;2—木板刺墙;3—混凝土刺墙;4—白铁片止水;5—一层油毛毡和二层沥青麻布;6—木板;7—两层沥青油膏及一层油毛毡;8—木围囹;9—螺栓

随着土工膜作为防渗体在工程的大量应用,利用土工膜进行横向围堰和纵向围堰防渗搭接的形式变得十分普遍。如图1-31所示,某工程上游土石围堰与纵向混凝土围堰间的搭接采用的就是土工膜搭接的方式,土工膜铺设于黏土心墙料的前端,在围堰交接处折向混凝土刺墙一侧,采用膨胀螺栓在围堰轴线处将其固定在混凝土刺墙上,螺栓前预留一段长度以适应围堰的变形。

3.围堰的防冲

围堰遭受冲刷在很大程度上与其平面布置有关,尤其在采用分段围堰法导流时,水流进入围堰区受到束窄,流出围堰区又突然扩大(图1-32),这样就不可避免地在河底引起动水压力的重新分布,流态发生急剧改变。此时在围堰的上下游转角处产生局部压力差,局部流速显著增高,形成螺旋状的底层涡流,流速方向自上而下,从而淘刷堰脚及基础。为避免由局部淘刷而导致溃堰的严重后果,必须采取保护措施。

图1-31 上游围堰和纵向围堰搭接

图1-32 分段围堰法导流时的流态图

1—上游围堰;2—纵向围堰;3—下游围堰;4—上游涡流区;5—纵向涡流区;6—下游涡流区

图1-33 导流墙和围堰布置图

1—纵向围堰;2—上游导流墙;3—下游导流墙;4—上游横向围堰;5—下游横向围堰

一般多采用抛石护底、铅丝笼护底、柴排护底等措施来保护堰脚及其基础的局部冲刷。对于围堰区护底范围、护底材料类型、尺寸等问题,应通过水工模型试验解决。

解决围堰及其基础的冲刷问题,除了护底以外,还应对围堰的布置给予足够的重视,力求使水流平顺地进、出束窄河段。通常在围堰的上下游转角处设置导流墙(图1-33),以改善束窄河段进出口的水流条件。在大中型水利水电工程中,如果考虑纵向围堰作为永久建筑物的隔墩或导墙的一部分,则一般采用混凝土结构,导墙实质上是混凝土纵向围堰分别向上、下游的延伸。尽管设置导墙后,河底最大局部流速有所增加,但混凝土的抗冲能力较强,不至于发生冲刷破坏的危险;如果采用土石纵向围堰,则应对围堰水面以下的堰体及其基础进行有效的保护。

围堰的拆除

围堰是临时建筑物,导流任务完成以后,应按设计要求进行拆除,以免影响永久建筑物的施工及运行。例如,在采用分段围堰法导流时,第一期横向围堰的拆除如果不合要求,势必会增加上、下游水位差,增加截流料物的重量及数量,从而增加截流难度。这类经验教训在国内外是不少的,如苏联的伏尔谢水电站截流时,上下游总水位差是1.88m,其中由于引渠和围堰没有拆除干净,造成的水位差就有1.73m。如果下游横向围堰拆除不干净,会抬高尾水位,影响水轮机的利用水头,浙江富春江水电站曾受此影响,降低了水轮机出力,造成了不应有的损失。

土石围堰断面较大,因此有可能在施工期最后一个汛期之后,上游水位下降时,从围堰的背水坡开始分层拆除(图1-34)。但必须保证依次拆除后所残留的断面能继续挡水和维持稳定,以免发生安全事故,使基坑过早淹没,影响施工。土石围堰一般可用挖土机械或爆破等方法拆除。

图1-34 长江葛洲坝工程一期土石围堰的拆除(单位:m)

1—黏土斜墙;2—覆盖层;3—堆渣;4—心墙;5—防渗墙

Ⅰ~Ⅳ—拆除顺序

草土围堰的拆除比较容易,一般水上部分用人工拆除,水下部分可在堰体开挖缺口,让其过水冲毁或用爆破法折除。钢板桩格型围堰的拆除,首先要用抓斗或吸石器将填料清除,然后用拔桩机拔出钢板桩。混凝土围堰的拆除,一般只能用爆破法拆除,但应注意,必须使主体建筑物或其他设施不受爆破危害,这在爆破工程一章中,有进一步介绍。