楚岘河橡胶坝工程施工组织设计.doc

1 橡胶坝设计楚岘河规划建设橡胶坝3座，分别位于桩号7+210和桩号8+260处（2座），分别命名为坝1和坝2（右）、3（左），坝长分别为B1=50m、B2=42m、B3=25m，坝高均为3.5m。1.1 水力计算1.1.1 确定原则1、橡胶坝挡水位应略低于两岸地面高程或采取截(或排)渗措施，以防两岸渍涝灾害影响。2、根据当前坝袋生产技术和规范要求，坝袋挡水高度5.0m。3、橡胶坝底板高程一般高于河床底高程0.20.4m。4、适当抬高蓄水位，以满足引水、景观等要求。1.1.2 设计蓄水位根据楚岘河河道治理方案，坝1处河道底高程为54.70m，坝2、3处为62.80m，坝底板高程高于河底高程0.3m，坝高3.5m，挡水位分别为58.50m和66.60m。1.7.3 泄流能力复核橡胶坝的泄洪能力采用橡胶坝设计规范（SL22798）附录A公式计算： (4-2-1)式中：Q过坝流量，m3/s；B0橡胶坝溢流断面的平均宽度，m；H0计入行近流速水头的堰顶水头，m；g重力加速度，采用9.81m/s2；m流量系数，坝袋完全塌平时视作宽顶堰，取m=0.36；堰流侧收缩系数，按水闸设计规范“SL2652001”附录A公式计算，近似取定值0.985；堰流淹没系数，查规范“SL265-2001”表A.0.1-2。在河道行洪时，本橡胶坝需完全坍平，坝泄流按宽顶堰计算。经复核结果表明，坝前水位较原规划洪水位相差较小，基本不影响上游河道的行洪安全，所确定的尺寸及条件完全能满足过流要求。1.7.4 溢流能力复核橡胶坝泄流能力，采用橡胶坝设计规范(SL22798)附录 A双锚固充水橡胶坝公式计算。计算公式如下： (4-3-1) (4-3-2) (4-3-3)式中：Q过坝流量，m3/s； B0溢流断面的平均宽度，m；h0计入行近流速水头的堰项水头，m；流量系数；堰流侧收缩系数，按规范“SL265-2001”附录A公式计算，=0.98；堰流淹没系数，查规范“SL265-2001”表A.1.2；H0坝袋内压水头，m；H运行时坝袋充胀的实际高度，m；h1坝上游水深，m；h2坝下游水深，m；H1设计坝高，m。因两岸地面较高，经过计算，在发生2年一遇洪水(流量106m3/s)时，即使橡胶坝在不能及时塌坝的不利情况下，亦能安全通过。但为了减免淹渍两岸农田和地下水位提高，不允许橡胶坝在行洪期间运行。在征得水利主管部门同意的情况下，中小洪水可通过调整坝高来调度运用。1.7.5 渗流稳定复核本次设计主要对坝基进行计算，对侧岸绕渗根据本地区工程试验和设计经验进行控制。坝基计算主要原理如下：1、分段阻力系数计算坝基渗流计算采用改进阻力系数法。先分段计算阻力系数，计算公式如下：进、出口段： (4-4-1)内部垂直段： (4-4-2)水平段： (4-4-3)式中：0进、出口段的阻力系数；S板桩或齿墙的入土深度，m；T地基透水层深度，m；y内部垂直段的阻力系数；ax水平段的阻力系数；Lx水平段长度，m；S1、S2进、出口段板桩或齿墙的入土深度，m。2、各分段水头损失值计算计算公式如下： (4-4-4)式中：hi各分段水头损失值，m；i各分口段的阻力系数；n总分段数；H上、下游水头差，m。3、进、出口段水头损失值修正进、出口段水头损失值计算出来以后，再按下式做修正： (4-4-5) (4-4-6) (4-4-7)式中：进、出口段修正后的水头损失值，m；h0进、出口段水头损失值，m；阻力修正系数；S底板埋深与板桩入土深度之和，m；T板桩另一侧地基透水层深度，m。4、渗流坡降值计算计算公式：出口段渗流坡降值按下式计算： (4-4-8)水平段渗流坡降值按下式计算： (4-4-9)式中：J0出口段渗流坡降值；Jx水平段渗流坡降值。经计算，Jxmax=0.11，J0max=0.28；根据地质报告并查阅有关资料，坝基的渗流稳定满足设计要求。1.7.6 消能防冲设计1、计算工况工况：正常情况，坍坝过流，过坝流量106m3/s，下游水深0.8m；工况：正常情况，坍坝过流，过坝流量280m3/s，下游水位为1.45m；工况：特殊情况，不坍坝过流，坝顶最大溢流280m3/s，下游无水。2、计算公式消能防冲计算包括消力池计算、海漫长度计算和河床冲刷深度计算等，按水闸设计规范(SL265-2001)附录B中有关公式计算。正常挡水位33.55m，坝底板高程30.25m，河底高程30.05m。消力池深度计算公式 (4-5-1) (4-5-2) (4-5-3) (4-5-4)式中：d消力池深度，m；0水跃淹没系数，取0=1.10；跃后水深，m；hc收缩水深，m；水流动能校正系数，取=1.05；q单宽流量，m3/s；b1消力池首端宽度，m；b2消力池末端宽度，m；T0由消力池底板顶面算起的总势能，m；Z出池落差，m；出池河床水深，m。消力池长度计算公式 (4-5-5) (4-5-6)式中：Lsj消力池长度，m；Ls消力池斜坡段水平投影长度，m；水跃长度校正系数，取0.75；Lj水跃长度，m。消力池底板厚度计算公式 (4-5-7) (4-5-8)式中：t消力池底板始端厚度，m；H泄水时的上、下游水位差，m；k1消力池底板计算系数，采用0.18；k2消力池底板安全系数，取1.2；U作用在消力池底板底面的扬压力，kPa；W作用在消力池底板顶面的水重，kPa；Pm作用在消力池底板上的脉动压力，kPa；q单宽流量，m3/s。消力池末端厚度不小于0.5m。海漫长度计算公式 (4-5-9)式中：Lp海漫长度，m；qs消力池末端单宽流量，m3/s；Ks海漫长度计算系数，按表B.2.1选用，取值为11.5。海漫末端河床冲刷深度计算公式 (4-5-10)式中：dm海漫末端河床冲刷深度，m；qm海漫末端单宽流量，m3/s；v0河床土质允许不冲流速，m/s；hm海漫末端河床水深，m。上游护底首端河床冲刷深度计算公式 (4-5-11)式中：上游护底首端河床冲刷深度，m：上游护底首端单宽流量，m3/s；上游护底首端河床水深，m。3、计算成果不同工况下计算结果见表4-5-1。表4-5-1 消能防冲计算成果表计 算工 况消力池深d(m)消力池水平 段 长Lj(m)消力池底板厚t(m)海漫长Lp(m)河床冲刷深 度dm(m)备 注工况1.2011.850.5530.151.23工况1.2212.120.5328.951.10工况1.2011.550.5731.231.30采用值1.2011.500.5530.001.50防冲槽深度考虑到上述各工况均是对橡胶坝较不利的工况，发生机率较低，根据本地区水闸设计经验，综合分析后确定上表中的采用值。因上游有较长的铺盖和护底连接，故上游不再做防冲槽。2.1 坝袋设计2.1.1 基本参数楚岘河3个橡胶坝均采用充水枕式坝袋，采用双线锚固，坝袋设计内压比为l.4，坝袋强度安全系数K6，设计坝高为3.5m，相应内压水头为4.9m。坝1最高蓄水位58.50m；坝2、3最高蓄水位66.60m。2.1.2 坝袋计算坝袋设计计算工况为：上游水深等于坝高，下游无水；内容包括：坝袋径向拉力、坝袋环向各部尺寸、坝袋单宽容积等。1）、坝袋径向强度计算计算公式为： (5-1-1)式中： T坝袋径向计算强度，kN/m；水的容重，取=10kN/m3；内压比，=H0/H1=1.4；H0内压水头，m；H1设计坝高，H1=3.5m。经计算：T55.13kN/m。2）、坝袋其他参数计算坝袋有效周长计算公式为：L0=S1+S (5-1-2)底垫片有效长度：l0=n+X0 (5-1-3)式中符号含义见表6-2-1。通过查算橡胶坝技术规范(SL227-98)附录 B有关表格计算，计算参数及结果见表1-1-1：表1-1-1 坝袋设计计算成果表项目名称单位数值项目名称单位数值设计最大坝高H1m3.5坝袋单宽容积Vm319.02坝袋径向计算强度TkN/m55.13坝袋有效周长L0m11.76上游坝面曲线段长度S1m5.75底垫片有效长度l0m5.66下游坝面曲线段长度Sm6.02坝袋坍落贴地长度l3m3.05下游贴地段长度X0m1.75上、下游安装、检修通道l1、l2m0.79,0.50上游贴地段长度nm3.91坝底板顺水流方向长度Ldm10上游坝面曲线段半径Rm3.94坝袋单宽容积为19.02m3/m，坝1坝袋长50m，坝袋容积为V1=951.00m3；坝2坝袋长42m，坝袋容积V2=798.84m3；坝3坝袋长25m，故坝袋容积V3=475.50m3。1.1.3 坝袋选材1、坝袋胶料需满足的基本要求耐大气老化、耐腐蚀、耐磨损、耐水性好；有足够强度和抗冻性；坝袋胶料物理机械性能能满足橡胶坝设计规范(SL227-98)附录C中表C.0.1的要求；胶布的层胶厚度必须满足其防渗、抗磨和耐久性，厚度须满足橡胶坝设计规范(SL227-98)附录C中表C.0.2的要求。2、坝袋和胶布型号根据橡胶坝技术规范对坝袋胶料和坝袋胶布的基本要求、坝袋径向计算强度选用坝袋胶布为两布三胶结构。胶布选用锦纶帆布，坝袋型号：JBD3.52602；胶布型号：J2602602。1.2 锚固结构设计1.2.1 锚固力计算1、上游侧锚固力 (5-1-4)式中：Pu上游侧单位长度坝袋上锚栓所承受的锚固力，kN/m；T坝袋径向计算拉力(强度)，55.13kN/m；坝袋径向拉力与水平面所形成的夹角，83.621；1、2坝袋与上下侧间的静滑动摩擦系数，均取0.3。2、下游侧锚固力 (5-1-5)式中：Pd下游侧单位长度坝袋上锚栓所承受的锚固力，kN/m；其他符号意义同前式。经计算，上、下游锚固力分别为117.50kN/m、91.88kN/m。1.2.2 锚固构件计算与选型1、坝袋锚固采用压板螺栓双锚固结构，每根螺栓承受的荷载按下式计算： (5-1-6)式中：Q0每根螺栓承受的荷载，kN；T0单位长度螺栓计算荷载Q0=maxPu，Pd，kN/m；k1栓紧力及扭转力的影响系数，一般取k1=1.75；n单位长度内螺栓根数，取螺栓间距为0.25m，即n=4。经计算，每根螺栓承受的最大荷载为Q0=51.41kN，2、螺栓直径按下式计算： (5-1-7)式中：d螺栓直径，mm；螺栓允许拉应力，取215N/mm2。经计算，螺栓最小直径为19.9mm。3、压板强度计算 (5-1-8) (5-1-9)式中：M坝袋拉力作用在压板上产生的弯矩，Nmm；L力臂，为螺栓中心至压板边缘的距离，取60mm；k2安全系数，一般取3；Wx抗弯截面系数，mm3。根据计算结果，考虑到螺栓在使用过程中，可能出现偏心和锈蚀等影响，本设计选用24Q235粗制螺栓，间距为0.25m左右。根据锚栓工作拉力求得单应力锥控制时的锚栓埋深仅为24mm，根据规范要求，取埋置深度Lm=360mm，并加弯钩。为增大压板刚度和易焊性，压板拟选用每节长500mm，宽120mm，厚12mm的钢板，每0.25m左右做一条横肋，横肋钢板厚与压板同。将压板参数代入(5-1-8)计算，满足强度要求。1.3 坝室稳定设计1.3.1 荷载组合参照水闸设计规范(SL2652001)中规定的荷载组合要求及本工程实际情况进行稳定计算，计算工况及荷载组合情况见表5-1-2。表1-1-2 稳定计算荷载组合情况表荷载组合计算情况结构自重水重水压力扬压力浪压力地震荷载备 注基本组合完建情况上、下游无水正常蓄水水深:上游3.5m/下游无水特殊组合地震情况水深:上游3.5m/下游无水注：扬压力近似按全截面直线分布法计算，并考虑上游铺盖防渗；地震力仅考虑水平顺水流向荷载。坝室稳定计算包括地基承载力计算、坝基抗倾覆和抗滑稳定计算。在计算基底压力时采用的是材料力学偏心受压公式；计算抗滑稳定时，采用的是单一安全系数计算公式。具体公式如下：基底应力计算公式： (5-1-10)式中：坝室基底应力的最大值或最小值，kPa；G作用在坝室上的全部竖向荷载(除完建情况应包括坝室基础底面上的扬压力在内)，kN；M作用在坝室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kNm；A坝室基础底面积，m2；W坝室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。压力分布不均匀系数公式： (5-1-11)抗滑稳定安全系数计算公式： (5-1-12)式中：Kc沿底板基础底面的抗滑稳定安全系数；H作用在底板上的全部水平向荷载，kN；0坝室基础底面与土质地基之间的摩擦角，参照水闸设计规范(SL2652001)建议值选用；C0坝室基底面与土质地基之间的粘接力，kPa，参照水闸设计规范(SL2652001)建议值选用。1.3.2 计算成果与分析根据橡胶坝设计参数(见附图)，取两相邻顺水流向永久缝之间的坝段作为计算单元。各种情况下的计算结果见表5-1-3。表5-1-3 橡胶坝坝室稳定计算成果表计 算情 况基底应力P(kPa)不均匀系数抗滑稳定安全系数Kc平均PmaxPmin计算值允许值计算值允许值完建情况46.0952.50(U)39.68(D)1.322.0正常蓄水43.8253.37(U)34.27(D)1.562.03.341.20地震情况29.6331.15(D)28.11(U)1.112.53.221.00注：括号内表示应力出现的位置，“U”表示上游，“D”表示下游。根据本工程地质勘探报告，橡胶坝底板座落于基岩（花岗岩）上，地基承载力满足要求。由表中计算结果知，各项计算指标均满足规范安全要求。1.4 边墩、岸墙设计1.4.1 荷载组合边墩与岸墙主要计算荷载有墙自重、土重、水重、土压力、水压力等。坝两侧边墩兼作岸墙，为C25钢筋砼L型挡土墙结构，顶厚0.8m，顺水流向与坝底板同宽即10.0m，坝侧墙内设超压溢流管；上、下游岸墙均为C25钢筋砼L型挡土墙结构，上游岸墙与铺盖底板结构缝中设橡胶止水。计算工况为：完建情况 墙后无地下水。水位突落情况 墙后有较高的地下水。1.4.2 稳定计算原理与成果分析根据水闸设计规范(SL265-2001)，边墩与岸墙的稳定计算原理与坝底板相同，可参见坝室稳定设计一节，此处不予罗列。土压力计算按朗肯土压力计算。根据规范，边墩、岸墙稳定计算取单位长度作为计算单元，计算成果见表5-1-4表5-1-6。表5-1-4 边墩计算成果表计 算情 况基底应力P(kPa)不均匀系数抗滑稳定安全系数Kc平均PmaxPmin计算值允许值计算值允许值完建情况61.0976.3545.821.67 2.05.351.25水位突落51.1065.8736.331.81 2.02.691.25注：括号内表示应力出现的位置，“U”表示上游，“D”表示下游。表5-1-5 上游岸墙计算成果表计 算情 况基底应力P(kPa)不均匀系数抗滑稳定安全系数Kc平均PmaxPmin计算值允许值计算值允许值完建情况94.63112.3676.891.46 2.03.861.25水位突落80.8996.3765.411.47 2.02.541.25注：括号内表示应力出现的位置，“U”表示上游，“D”表示下游。表5-1-6 下游岸墙计算成果表计 算情 况基底应力P(kPa)不均匀系数抗滑稳定安全系数Kc平均PmaxPmin计算值允许值计算值允许值完建情况106.18125.6286.731.45 2.04.361.25水位突落76.6095.6357.561.66 2.06.541.25注：括号内表示应力出现的位置，“U”表示上游，“D”表示下游。根据本工程地质勘探报告，边墩、岸墙座落于基岩上，地基承载力满足要求，由表中计算结果知，上述工况下，各项计算指标均能满足规范安全要求。1.5 橡胶坝安全与观测设计1.5.1安全设备设置橡胶坝设超压溢流管，以使坝袋内压不超过设计值。边墩设置溢流管，并与连通管相连。按坝袋设计内压比1.4计算，内压水头为4.90m，则超压溢流管出水口底高程坝1为59.90m，坝2、3为68.00m。超压溢流管采用壁厚10mm、内径200mm的钢管制成。另外，在坝袋两端顶部各设一个自动排气阀。1.5.2观测设计水位及流量观测水位观测在坝上游设标尺一幅，或者在岸墙上刻画水位线。测点应设在上游水流平顺、水面平稳和泄流影响较小处。过坝流量可通过水位观测，根据坝址处经过率定的水位流量关系曲线推求。沉降、水平位移及坝袋内压力观测沉降和水平位移可通过固定于坝墩上的标点进行观测。坝袋内压力观测：采用坝内连通管（超压溢流管兼作）观测坝袋内压力。1.6 充排水系统设计6.1.1 充水系统设计坝袋的充胀与排放所需时间关系到工程安全和功能的发挥，应与工程的运用要求相适应。充水时间应能保证蓄满库容，排水时间应能保证及时坍坝行洪。坝袋充排方式根据工程条件和使用要求等确定。1、供水水源橡胶坝袋的充水水源要求水质洁净，本地地表及地下水位相对地面均较高，且由于目前河水水质相对较差，故水源宜采用地下水。2、坝袋充水时间的确定坝袋充水时间应考虑的因素坝袋充胀起坝所需时间必须与工程的运用要求相适应，坝袋充水时间是受坝袋充水流量控制的。若充水流量较大，则起坝速度快，运行时可根据河道流量大小通过停机或减少水泵运行台数，适当延长充水时间，便于控制运用。但充水流量较大时，要求供水管径大，投资明显加大。若坝袋充水流量太小，充水时间较长，虽然可节约投资，但不便于根据洪水尾水情况控制运用，甚至可能出现一次洪水过后，坝前库容在很长时间不能蓄满。因此，坝袋充水时间与工程投资和控制运用具有直接关系。当然要满足在适宜的时间充坝至设计坝高（起坝时间），除应确定适宜的坝袋充水时间外，还应确定适宜的开始充坝时间和充坝间隙时间。坝袋充水时间坝袋充水时间有两种确定方法：一是可根据河道洪水的尾水过程确定。河道洪水的尾水过程与断面控制的流域面积的大小有关：一般情况下，河道流域面积越大，洪水过程线的“尾巴”越长，允许的充坝时间则越长，反之亦然。因而可根据坝址控制的流域面积和己建工程经验确定坝袋充水时间。此方法主要用于建在山洪河道上并有拦蓄水任务的工程。二是根据工程任务及工程条件确定。经综合考虑，本橡胶坝设计充坝时间控制在8h12h内。3、充水水泵选型与管路设计充水水泵选型是根据坝的规模、充坝时间及拟定的系统计算水泵的流量和扬程来确定。坝1坝袋容积为760.8m3，坝2坝袋容积为608.6m3。拟设2台充水水泵，1台工作，1台备用。水泵选型水泵流量按橡胶坝技术规范(SL227-98)条文说明中公式(3.3.4-1)计算： (6-1-2)式中：Q计算的水泵所需最流量，m3/h；V坝袋充水容积，m3；n水泵的台数，取1；t充坝或坍坝所要求的最短时间，取8h。水泵的扬程按橡胶坝技术规范(SL227-98)条文说明中公式(3.3.4-2)计算：HB=(1-2)+H (6-1-3)1=H1+3 (6-1-4)式中：HB水泵所需的扬程，m；1水泵出水管管口高程，m；2水泵吸水管最低水位，m；H水泵吸水管和压力管水头损失总和，m；坝袋内压比；H1坝高，m；3坝底板高程，m。根据计算的水泵流量和扬程，经管路水力计算，并验算水泵的工作状态后，确定采用2台250QJ100-18/1型井用潜水电泵，1台工作，另1台备用。管路设计橡胶坝充排水泵室设置于河道左岸堤内脚，橡胶坝充水泵为潜水泵，水泵进水管由抽水井引至泵室。由于橡胶坝充、排水不会同时进行，为了节约投资，橡胶坝充、排水管道合用同一管路。充水水泵出水管与橡胶坝排水母管相连，利用排水管路实现对橡胶坝的充水。充水水泵进、出水管采用钢管，管直径均为Dg=300mm。6.1.2 排水系统设计排水系统设计的主要内容包括动力设备和管路等。1、排水系统布置形式本橡胶坝共2节，排水管采用一管一袋的形式，平行于橡胶坝轴线布置，共设2根排水主管，各主管通过母管与排水泵连接。每节坝袋设3根支管与主管连接，为保证坝袋安全和起落同步，两坝袋间设连通管和超压溢流管。充排水泵设在左岸泵房底部箱体内，橡胶坝排水通过阀门井的排水阀，将水排向下游消力池内。在两岸边墩及中墩上均设置超压溢流管。2、坝袋排水时间的确定由于河道为山区河道，洪水来去较快，为了减小橡胶坝对河道泄洪的影响，尽量缩短排水时间，并考虑投资，拟将坝袋排水时间控制在24h内。3、排水水泵选型与管路设计水泵选型排水水泵选型原则、计算公式参见充水水泵选型。经计算，确定采用主排水泵2台型号为KQB200/220-18.5/4标准便维式单级泵(立式)。运行方式为2台同时运行，互为备用。管路设计本橡胶坝共2节，排水主管平行于橡胶坝轴线布置，共设1根主管，主管通过母管与排水泵连接。两坝袋主管管径按橡胶坝技术规范（SL227-98）条文说明中公式3.3.4-4计算确定，公式如下： (6-1-5)式中：Q管段内最大计算流量，以排水控制取0.085m3/s(即304.3m3/h)；v管道采用的计算流速，取v3.0m/s。因本工程仅一跨，充排水主管按统一管径计算，经计算确定充排水主管道的内径为300mm，充排水支管内径取150mm。管路布置参见附图。6.1.3 泵站设备布置橡胶坝充、排水泵房布置在左岸管理与控制房下部，泵房内布置2台排水泵，2台深井充水泵分别安装在泵房外的机井内，机井设在左岸，大致与泵房平行，平均距离为35m左右。两井间距应大于5.0m。具体位置可根据施工情况作适当调整。充水泵井管管径为100mm，出水管径为150mm，每台泵出口各设有1台DN150止回阀；上游坝袋充水总管管径为300mm，共1根，充水支管管径为150mm，共3根，总管和支管为充、排水共用管道。泵房排水管共设3根，管径为200mm，其中一根为自由排水管，与充水泵出水管相接，另两根为动力排水管，每根管上各设一台排水泵；下游排水管径为400mm。充水泵的起停由人工在中控室控制。排水泵进口与橡胶坝充、排水管连接，连接管径为200mm，上游端均设有DN200电动蝶阀，并通过三通与直径为300mm充排水母管相连。排水泵进水管上设有电动闸阀；自由排水管下游端设有DN200电动蝶阀，中部通过三通管与充水泵出水管相连，充水泵出水管进口处均设有DN150的电动蝶阀。自动排水时关闭充水泵出水管和排水泵前的蝶阀，并打开自由排水管的蝶阀，让坝袋内的水靠内压和上游水压自动排向下游。动力排水时关闭充水泵出水管和自动排水管的蝶阀，并打开排水泵前电动蝶阀，再起动排水泵。为了泵室检修方便，在下游出水管上设有一台DN400电动蝶阀。考虑到泵室渗水和管道漏水，在泵室靠下游侧设一1.01.01.0m的集水池，并安装一台50 WQ/C240-0.75型潜水排污泵(简称潜污泵)，并与下游出水管相接，接口处安设一台DN50电动球阀。