大型混凝土预制块在班多水电站三期截流工程中的应用

大型混凝土预制块在班多水电站三期截流工程中的应用

李建国娄聚会马驰李丹丹

1 概况

1.1 工程概述

班多水电站枢纽工程以发电为主。枢纽工程主要由左岸混凝土副坝、泄洪闸、河床式电站厂房及右岸混凝土坝、开关站以及对外交通公路等主要建筑物组成。枢纽全长303m，坝顶高程2764.0m，最大坝高79.72m。设计正常蓄水位2760.0m，厂内安装三台轴流转浆式水轮发电机，总装机容量360MW，总库容1535万m3。

本工程施工导截流分三期进行，其中一期由其它施工单位首先完成导流明渠和泄洪闸开挖，主河床过水；二期进行河床截流，利用导流明渠单独泄洪及导流明渠、泄洪闸联合泄洪的导流方式；三期进行导流明渠的截流，利用泄洪闸泄洪。本次实施的截流即为班多水电站导流明渠三期截流。

1.2 三期截流水力学参数确定见表1

1.3 三期截流思路

导流明渠布置于泄洪闸左侧岸边Ⅱ级阶地上，底宽10m，进口底板高程为EL2720.0m，出口底板高程为EL2719.0m，明渠全长465m，其中坝轴线以上200m，坝轴线以下265m，坝轴线以上明渠段底坡为平坡，坝轴线以下坡比3.77‰。导流明渠两侧衬砌混凝土坡比为1：0.5，右侧为预留岩坎，坝轴线以上岩坎顶高程为EL2741.5m；坝轴线以下岩坎顶高程为EL2734.0m，截流前用石渣垫高后形成工作平台。明渠底板衬砌了50cm的混凝土，左右侧边坡衬砌30cm的混凝土。考虑到施工交通，本次截流戗堤选定在跨明渠大桥上游端位置，戗堤轴线桩号为坝下0+178.00m。戗堤顶宽10m，底宽为38m，上游坡度为1:1.4，下游坡度为1：1。

与常规截流不同的是本工程导流明渠截流抛投高差大，工作平台与明渠底板净高达14.7m之高，明渠底板为50cm厚的C20混凝土，糙率小，这使得从高处抛投的截流料难

以在水中下沉稳定。另外由于明渠周围地形条件的限制，只能选择单戗单向截流的方式。考虑到上述截流的难点，并结合现场场地的实际情况，针对导流明渠的特点，特制定截流方案，主要措施为：在明渠右侧设计制作了一个尺寸为6m×5m×5m的混凝土预制块，截流开始后利用一辆TY160推土机和一辆TY140推土机将其推入明渠进行封堵以期在其上游形成静水区，大型砼预块抛投后，在大型砼块范围的上游进行四面体、钢筋笼、石渣、块石等其它截流材料的抛投，当其它抛投材料形成的戗堤无法向大型砼块左侧剩余龙口进占时，为了有效拦堵截流抛投材料不被水流冲走，为保证其它截流抛投材料（混凝土四面体、大块石、钢筋石笼等）不被冲走，特设计制作了一个5m×4m×4m的钢桁架，将其放在大型砼预制块左侧剩余龙口部位，并用φ26钢丝绳在上游加以固定，用以拦堵截流抛投材料，使戗堤顺利向左岸进占。

2 截流方案设计

2.1 混凝土预制块的设计

2.1.1 混凝土预制块的制作见图1

如图1所示，在戗堤轴线坝下0+178.00m处、导流明渠右侧先浇筑一个9m×6m，坡比为7°的混凝土基础，同时在基础尾部布置6根Φ36插筋。

基础做好后，在基础上铺设滑动平台，具体做法：在基础上通长（上下游方向）铺设滚杠（φ42圆钢），滚杠铺设间距为40cm，滚杠铺设完成后，每根滚杠两侧均用钢楔子进行加固，防止滚动；然后在滚杠上铺设I20a工字钢，间距70cm，摆放完毕后用[14#槽钢间隔1.5m将其焊接加固成整体。最后在每根工字钢的右侧端头用两根φ25圆钢与基础内预埋的插筋焊接牢固。

滑动平台做好后，在其上面铺设、拼装模板，制安钢筋，钢筋沿预制体四周及上下表面布设，Φ20@300BW，之后进行预制块混凝土浇筑，混凝土预制体尺寸为：5m×6m×5m。为满足龙口合龙需要，在预制体的上表面及左右两侧面的下游侧各预埋一排[16#槽钢，间距100cm，埋深50cm、外露100cm，距下游面150cm。

2.1.2 混凝土预制块的推力计算

用于截流的6m×5m×5m砼预制块受力示意图见图2。

图2 砼预制块受力示意图

其中：f s——静摩擦力；G——砼预制块体自重；

F——推土机推力；N——斜面对砼预制块体的支撑力

由上述受力分析示意图可列力的平衡方程：

沿斜面方向：f s=G sinθ+F ；垂直斜面方向：N=G cosθ；

又 f s=μN ,G=mg ，m=150m3×2.4t/m3；

由上式可知：F= mg (μcosθ-sinθ)

又知θ=7°，g=10N/kg，通过查阅相关资料与数据得知钢材与钢材的最大静摩擦系

数为0.15，则所需推力F=mg (μcosθ-sinθ)=150×2.4×10×（0.15×0.9925-0.1219）=97.25kN 。

选用TY160推土机来推动砼预制块，TY160推土机最大输出功率为160马力（1马力=0.7355kW）,即117.68kW，保守估计推土机的行进速度为1m/s,根据公式P=F×V，则推土机的推力为117.68kN>97.25kN，因此保守选用一辆TY160推土机另加一辆TY140推土机可以保证将6m×5m×5m的砼预制块体推入明渠中。

2.1.3 水流冲击力计算

已知黄河水流量Q=300m3/s,明渠内水流流速为V=4.0m/s,戗体轴线处水位为EL2723m，导流明渠底板高程为EL2719.3m，导流明渠内流量为

Q=AV=45.22×4=181m3/s

水流对四面体冲击力计算

（1）四面体投入导流明渠后，四面体完全处于淹没状态，则水流接冲击四面体接触面积为{(3.3+0.5）×2.3}/2=4.37m2，根据恒定总流动量方程可知：冲击力F R=β0ρQv0=1×1×4.37×4×4=69.92kN=6.992t

其中：β0为动量修正系数取1.0,1N=kgm/s2。

ρ为水的密度取1.0；

Q为流量，Q=AV=4.37m2×4 m/s=17.48m3/s

v0为水流流速，取4.0m/s

所以水流对大块体冲击力为6.992t

（2）四面体抗冲击力（摩擦力）计算

四面体与导流明渠底板摩擦系数取μ=0.4，这个摩擦力为

f=（G-F浮）μ=（10-4.17）×0.4=2.332t

（3）两者比值计算

稳定系数K=f/F R=2.332/6.992=0.334

故四面体不稳定，若用钢丝绳对四面体加以固定也可满足要求，但抛料平台与明渠底板高差较大（14.7m），四面体首批抛投可以定位，后续抛投则无法在龙口中定位，因此选用大型预制块作为截流的首批抛投材料。

水流对大型砼预制块冲击力计算

（1）假设大型预制块投入导流明渠后流量不变，大型砼预制块完全处于淹没状态，则水流冲击大型预制块接触面积为5×6=30m2，根据恒定总流动量方程可知：冲击力FR=β0ρQv0=1×1×30×4×4=480kN=48t

其中：β0为动量修正系数取1.0,1N=kgm/s2。