某水利工程施工导流分析

2017-11-02张思远

黑龙江水利科技 2017年9期

关键词：导流洞围堰导流

程伟,张思远

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

某水利工程施工导流分析

程伟,张思远

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

工程建设内容包括水源枢纽工程和输水工程。水源枢纽工程由混凝土面板堆石坝(主坝)、右岸无闸控制岸边开敞式溢洪道、右岸放空兼导流洞、右岸取水隧洞、黄沙漕冲沟副坝及排洪洞组成。根据工程特点、导截流条件选取合理的导流方案，依照选取的导流方案进行详细的导截流设计

水利工程；枢纽；施工导流；设计与施工

1 工程简述

工程建设内容包括水源枢纽工程和输水工程。水源枢纽工程由混凝土面板堆石坝(主坝)、右岸无闸控制岸边开敞式溢洪道、右岸放空兼导流洞、右岸取水隧洞、黄沙漕冲沟副坝及排洪洞组成。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物级别为5级。

挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，最大坝高82.79m，坝底最大宽度70.434m，坝顶总长度284.372m，共分3个坝段。

右岸挡水坝段长155.665m，坝顶宽8m，上游坝面垂直，下游坝坡为1:0.75，起坡点高程为664.5m。左岸挡水坝段长度90.707m，坝体剖面尺寸与右岸挡水坝段相同。

河床溢流坝段长为38m，共布置3孔开敞式溢洪道表孔，堰顶高程655m，最大下泄流量3720m3/s。每孔设有9m×15m(宽×高)的弧形工作闸门，弧形闸门前均设置有检修门槽，3个表孔共用一扇9m×10m平板检修闸门，右坝顶移动式台车启闭。表孔之间的中墩厚3.0m，边墩厚2.5m。溢流堰面按WES型剖面设计，其直线段的坡比为10.75，出口采用挑流消能，鼻坎反弧半径30m，挑角25°，坎顶高程620m。

2 导流条件

2.1 洪水特性

坝址控制流域面积2341km2，根据惠水县水文站43年的实测资料统计，多年平均流量17.6m3/s，实测最大、最小流量分别为28.8m3/s和9.9m3/s。5-10月份为洪水期，其中6-7月份为主汛期，年最大洪水一般多在该时期出现。洪水由暴雨形成。洪峰一般多呈双峰形，一次洪水过程约3-4d。11月-次年4月份为枯水期。

2.2 地形地质特点

坝址位于董王乡下油煎村的顺直河段，两岸山体雄厚，山顶与河底高程差达360余m。坝址河床较窄，常水位河面宽22m，水深1-4m，主流偏于右岸。左侧山体顺直、右岸680m高程以下有一突出山体，地形较适合全段围堰隧洞导流方式。

坝址地层岩性为中厚层燧石团块灰岩及硅质条带灰岩，偶夹碳质泥岩及煤透镜体，岩层走向与河流近平行，倾向左岸，倾角32°。河床覆盖层厚一般为4-7m，最深8m，覆盖层透水率大。

导流隧洞沿线围岩主要为二叠系上统吴家坪组第二段浅灰至灰色中厚层燧石团块灰岩及硅质条带灰岩，呈弱风化状态，洞身段围岩为Ⅲ类围岩，进出口为Ⅳ类围岩。

3 导流标准

本工程为Ⅲ等工程，主体建筑物为3级。按SL303-2004《水利水电工程施工组织设计规范》，导流建筑物为5级，设计洪水标准当采用土石围堰时，重现期为5-10a一遇，当采用混凝土围堰时，重现期为3-5a一遇。本工程采用土石围堰，考虑到本工程属于中型工程，选用5a一遇(P=20%)洪水设计。

由于电站基础开挖较深，基坑内回填混凝土工程量较大，为适当延长基坑内施工时间，争取工期以便安全度汛，经分析比较，选定施工设计导流流量，即导流时段为11月-次年4月，相应流量287m3/s。渡汛标准选用10a一遇(P=10%)的全年洪水，相应流量为1730 m3/s。

4 导流方式选择

4.1 导流方式选择

根据地形地质条件，水文特性及工程总体布置，施工导流研究了全段围堰左岸隧洞导流、全段围堰右岸隧洞导流等共3个方案，各方案的比较指标见表1，各方案分述如下：

1)方案1：采用全段围堰隧洞导流方式，导流洞位于左岸，隧洞进口高程610.00m，出口高程606m，长度218.64m，断面为城门洞形，断面尺寸为5.5m×6.5m，底坡1.829%。上游围堰导流时段挡水水位621.25m，上游围堰采用碾压混凝土重力围堰，堰顶长77.347m，堰顶高程621.55m，最大堰高15.05m，堰顶宽4.5m，堰底宽13.775m，下游边坡1∶0.7，堰基采用；下游围堰挡水水位608.885m，采用土石围堰，堰顶高程609.385m，堰顶长度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰顶宽度4.5m，基础及堰体防渗采用高喷灌浆。在上游围堰堰前采用土石子围堰挡水，以保证上游围堰在干地施工，上游子围堰堰顶高程616.00m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.5，堰顶宽3 m，堰顶长45.686m。本方案导流洞布置于大坝左岸，导流期间不制约基坑土石方开挖出渣及上坝浇筑混凝土运输，但与发电引水隧洞进水口相距较近，施工时受其干扰较大，同时进口段地质条件较差，土石方开挖量较大。

2)方案2：采用全段围堰隧洞导流方式，导流洞位于右岸，隧洞进口高程612.00m，出口高程606m，长度271.714m，断面为城门洞形，断面尺寸为5.2m×6m，底坡2.208%。上游围堰导流时段挡水水位621.330m，上游围堰采用土石过水围堰，堰顶长77.333m，堰顶高程621.830m，最大堰高11.8m，堰顶宽4.5m，迎水面坡比1：2.2，背水面坡比1：2.5，堰基及堰体采用高喷板桩防渗，迎水面及背水面均采用钢筋石笼护坡；下游围堰挡水水位608.885m，采用土石围堰，堰顶高程609.385m，堰顶长度36.099m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰顶宽度4.5m，基础及堰体防渗采用高喷灌浆。本方案布置于大坝右岸，导流期间为满足基坑土石方开挖出渣及上坝浇筑混凝土运输，需在导流洞出口修建临时交通桥，但隧洞进出口没有其他建筑物，进出口段地质条件较好，土石方开挖量较小。

3)方案3：采用全段围堰隧洞导流方式，导流洞位于右岸，隧洞进口高程610.00m，出口高程606m，长度186.739m，断面为城门洞形，断面尺寸为4.8m×7.2m，底坡2.142%。上游围堰导流时段挡水水位621.075m，上游围堰采用碾压混凝土重力围堰，堰顶长78.626m，堰顶高程621.375m，最大堰高16.252m，堰顶宽4.5m，堰底宽12.451m，下游边坡1∶0.6，堰基采用防渗帷幕防渗；下游围堰挡水水位608.885m，采用土石围堰，堰顶高程609.385m，堰顶长度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰顶宽度4.5m，基础及堰体防渗采用高喷灌浆。在上游围堰堰前采用土石子围堰挡水，以保证上游围堰在干地施工，上游子围堰堰顶高程616.00m，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡比1∶1.5，堰顶宽3 m，堰顶长56.266m。本方案导流洞布置于右岸，导流期间为满足基坑土石方开挖出渣及上坝浇筑混凝土运输，需在导流洞出口修建临时交通桥，隧洞出口段地质条件较好，但进口位于崩塌堆积体范围内，地质条件较差，土石方开挖量较大，进出口没有其他建筑物相邻。

表1 各方案经济技术比较表

续表1 各方案经济技术比较表

从上述3个方案中方案1投资大于方案2、3，但方案3进口位于崩塌堆积体下端，开挖后易引起崩塌堆积体下滑，因此虽然方案2比方案3投资略高，但考虑技术等综合比较，选定方案2为推荐导流方案。

4.2 导流水力计算

1)泄流能力计算：

首先假设隧洞的流态为有压流。

根据下泄流量查《坝址水位流量关系曲线》，得相应下游水位为608.885m，而隧洞出口断面顶高层为612.0m，因此隧洞为自由出流。

有压自由出流泄流公式(底坡i沿程不变时)：

(1)

式中：Q为泄流量，Q=287m3/s；Ad为隧洞出口过水断面积，全断面过流时，Ad=28.495m2；H0为进口底板以上水位与行进流速水头之和，为待求值，m；i为隧洞底坡，i=2.208%；l为隧洞长度，l=271.714m；hp为出口底板以上的计算水深，hp=ηd；d为隧洞出口洞高，d=6m；η为系数，根据出口水流情况：出口有顶托，侧墙不约束，查《水利水电施工组织设计手册》第一分册施工规划(以下简称《手册》)表2-5-33得η=0.7；故hp= 4.2m。u为流量系数，自由出流且管道断面沿程不变化，因此计算公式为：

(2)

式中：l为管道长度，271.714m；Ad为管道断面积，28.495m2;ξi为某局部能量损失系数；进口为圆角，则由《手册》表2-5-20选取ξ1=0.2；进口闸门槽：闸门为平板门，由《手册》表2-5-20选取ξ2=0.1；进口平面转弯段宽度为b=5.2m，转弯半径为R=28m，转角为θ=60°，由《手册》表2-5-20选取ξ3=0.101；出口平面转弯段宽度为b=5.2m，转弯半径为R=90m，转角为θ=47.08°，由《手册》表2-5-20选取ξ4=0.09。则∑ζi=0.491。

经过计算的流量系数u=0.682

根据已知条件：流量Q、流量系数u、出口过水断面积Ad、底坡i、隧洞总长l、出口底板以上计算水深hp，可用公式：

(3)

计算H0。则当下泄流量为Q=287m3/s时，有H0=9.33m。

2)围堰挡水水位确定：

根据计算，得上游围堰挡水水位为621.33m，下游围堰挡水水位为608.883m。

5 导流建筑物设计

5.1 导流挡水建筑物设计

1)上游围堰设计：

上游围堰位于大坝坝址所在河段的陡滩上，河床崩塌砂卵石层厚8-9m，强风化层厚4-5m，左岸残坡积层厚1-3m，强风化层厚5-6m；右岸基岩裸露，强风化层5-7m。堰基岩石为二迭系上统吴家坪组中厚层燧石团块灰岩和硅质条带灰岩，构造简单，主要为单斜构造，岩层倾左岸，岩层产状变化不大。砂卵石层透水性大。

围堰型式考虑土石围堰和碾压混凝土围堰进行比较。围堰基础砂卵石层厚度达8-9m，若为碾压混凝土重力围堰，则须将约9m深的砂卵石清除，再将强风化层挖除2m，因此上游围堰高度将达到23.672m，并结合大坝填筑强度考虑，选定上游围堰型式土石围堰过水围堰。具体设计如下：

土石围堰堰顶高程为621.830m，堰顶长77.333m，最大堰高11.830m，堰顶宽4.5m，迎水面坡比1∶2.2，背水面坡比1∶2，堰基及堰体采用高喷板桩防渗，高喷板桩深入基岩0.5m，迎水面及背水面均采用钢筋石笼护坡，厚度1m。顶部用C15混凝土防冲，厚度1m。

2)下游围堰设计：

下游围堰所处河床砂卵石层厚0-4m，强风化层4-5m，左岸残坡积黏土夹碎石层厚1-3m，强风化层厚5-6m；右岸基岩裸露，强风化层5-7m。堰基岩石为二迭系上统吴家坪组中厚层燧石团块灰岩和硅质条带灰岩，构造简单，主要为单斜构造，岩层倾左岸，岩层产状变化不大。砂卵石层透水性大。

下游围堰只在第一个枯水期中使用，因此采用土石围堰。下游围堰挡水水位608.885m，堰顶高程609.385m，堰顶长度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰顶宽度4.5m。在高程608.0m形成截流戗堤，戗堤顶宽3m。基础及堰体采用高喷灌浆防渗。

5.2 导流泄水建筑物设计

导流洞进口底板高程为612.000m，出口高程为606.000m。隧洞洞长为264.016m，其中洞0+000-洞0+035.350段为进口直线段；洞0+035.350-洞0+064.672段为进口转弯段，转弯半径28.0m，转弯角度60°；洞0+064.672-洞0+154.559为中间直线段；洞0+154.559-洞0+228.515为出口转弯段，转弯半径为90.0m，转弯角度为47.08°；洞0+228.515-洞0+271.714段为出口直线段。导流隧洞断面经过比较选用城门洞形，断面尺寸5.2m×6m，底宽5.2m，边墙高度为4m，顶拱为圆弧拱，半径为2.69m。C20混凝土衬砌厚度为40cm。