石 英

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

大石门水利枢纽工程位于新疆且末县境内的车尔臣河出山口处，是车尔臣河上的控制性工程，是一座具有防洪、发电和灌溉等综合利用的水利工程，该工程为大(2)型Ⅱ等工程，主要任务是防洪、发电兼顾灌溉。水库总库容1.27亿m3，调节库容0.99亿m3，死库容0.18亿m3；水库正常蓄水位2300.00m坝顶高程2304.500m；拦河坝最大坝高128.5m，电站装机60MW，发电引水流量82.0m3/s。工程主要水工建筑物有沥青心墙坝、底孔泄洪洞、表孔溢洪洞、导流洞、引水发电系统和电站厂房，其中大坝为1级建筑物，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞、发电引水洞进口为2级建筑物，发电引水洞和发电厂房为3级建筑物，临时建筑物为4级。

2 工程特点

车尔臣河流域地处中纬度地带的欧亚大陆腹地，远离海洋，光照充足，热量丰沛，温差较大，冬冷夏热，降水极少，空气干燥，蒸发量大，多大风、风沙天气。多年平均气温10.5℃，多年平均降水量为25.43mm，多年平均蒸发量(20cm蒸发皿)为2292.9mm。径流年内分配不均匀，全年近半数径流量产自于夏季，多年平均径流量为5.509×108m3，多年平均流量为17.45m3/s。车尔臣河历年年最大洪峰流量主要出现在4—8月，其中7—8月为主汛期，4—6月为前汛期，9月至次年3月为比较稳定的平、枯水期。大石门坝址断面多年平均洪峰流量为358m3/s。

坝址右岸为阿尔金中低山，山顶高程2360～2400m，相对高差近200m，右岸基岩出露，坝轴线上下游有少量残留阶地，阶面狭窄，且多被全新统崩坡积块石土、砾质土覆盖，在坝轴线下游有Ⅸ级阶地连续分布。左岸为Ⅷ～Ⅸ级基座阶地，阶地面较平坦，地表高程2350～2363m，河宽170m左右，基岩基座的顶面在阶地前缘陡坎上出露位置呈山包状，基岩面在坝轴线附近高程最高为2340m左右，向上、下游很快降低到2200m左右。根据物探剖面资料，左岸基岩面垂直河流方向也呈下降趋势，微有起伏，坝轴线左岸基岩面自河坎边开始下降，在西侧190m处达到最低高程2248m，低于水库正常高水位。坝址区附近现代河床宽10～20m，正常水位为2300m高程处，谷宽194m，坝址区附近两岸岸坡陡峻，岸坡坡度多在50°～80°，局部近直立，河流深切，峡谷发育，河谷呈深槽形，不具备分期导流条件，对工程导流及施工交通布置带来很大挑战。坝址区地貌图如图1所示。

图1 坝址区地貌图

3 导流方式及标准

3.1 导流方式

根据本工程坝址现场地形地质特点处河谷呈“V”型地貌，谷底高程2190m，山顶高程2360～2400m，相对高差近200m，河流坡降12.5‰，河道非常窄深，因此，不具备分期导流条件，最终导流方式采用围堰一次断流、右岸导流洞过流。为了减少投资与施工工期考虑到永久与临时相结合，导流洞可与永久泄洪洞结合使用即导流兼深孔泄洪洞。导流兼深孔泄洪洞布置在坝址右岸山体。导流兼深孔泄洪洞为深孔无压洞，全长910m，由进口明渠段、岸塔式闸井段、渐变段、洞身段、出口部分组成。具体围堰导流方式如图2所示。

图2 施工导流平面布置图

3.2 导流时段及标准

大石门水利枢纽工程于2014年至2016年主要进行前期三通一平建设，2016年5月导流洞开工，计划2017年8月底导流洞具备泄水条件，9月工程截流。工程截流后，坝体施工将经历两个汛期，坝体施工导流划分为初期、中期和后期3个导流时段。

(1)初期导流：2017年9月截流后，立即施工上下游围堰，2018年汛期由围堰挡水度汛，导流洞泄流。初期导流洪水标准为P=10%，洪峰流量为701.31m3/s。

(2)中期导流：2019年汛期，坝体填筑尚未完成，计划采用坝体临时断面挡水度汛，度汛洪水标准为P=2%，洪峰流量为1159.04m3/s。

(3)后期导流：工程计划2019年10月导流洞下闸，进行导流洞封堵体、深孔“龙抬头”反弧段及出口消能段的施工，计划约6个月完成。

4 导流设计

本工程导流洞布置在右岸，导流洞进口位于坝轴线上游约450m处，在桩号0+127处布置40°转角与底孔泄洪洞“龙抬头”之后的轴线重合，洞身段结合设计。底孔泄洪洞全长约905m，进口布置于坝轴线上游约570m处。底孔泄洪洞进口设一道平板事故门，孔口尺寸为6.5m×9.0m(宽×高)，一道弧形工作门，孔口尺寸为5.0m×5.0m(宽×高)；“龙抬头”段断面型式为5.0m×7.5m城门洞型；结合段长约603m，为6.0m×8.5m的城门洞型。

4.1 调洪演算

根据设计标准洪水资料，通过五组方案对导流洞断面尺寸和上游围堰堰前水位关系进行了调洪演算，具体方案见表1，此次洪水标准P=10%，对应洪峰流量701.31m3/s，导流洞调洪演算结果见表1。

表1 导流洞调洪演算成果表

由于本工程坝址区河谷狭窄，交通布置困难，施工进度受到场地和交通条件影响较大，且上游围堰在截流后一个枯水期内必须填筑完成，因此，上游围堰越高，就会导致围堰施工工期越紧；根据规范要求[1]最终采用上游围堰堰体与沥青心墙坝完全结合，为土石围堰，堰体采用砂砾料填筑，堰体填筑量计入坝体工程量中，上游围堰尽量高一些，导流洞尺寸越小越经济。

为了满足上述要求根据上游围堰在一个枯水期能够填筑的最大高度，并充分考虑冬季施工的气候条件、截流时间等影响因素，根据汇交法初步选定方案三作为本次导流洞与围堰的基本尺寸，即导流洞孔口尺寸为5.5m×5.5m，对应上游围堰高39m。

4.2 度汛及封堵施工期工况

对于坝体度汛工况，经调洪演算，最高库水位为2246.40m，导流洞泄流，最大下泄流量为728.10m3/s。要求在2019年汛前大坝填筑高程不得低于2250.0m高程，坝体填筑高度不低于74m。根据施工进度计划，坝体填筑及沥青心墙月上升高度8～10m，坝体填筑进度完全能够满足坝体度汛要求。

后期导流时段为枯水期，坝体填筑及上游护坡混凝土浇筑已经完成，具备下闸蓄水条件。水库初期蓄水期间，由布置于导流洞洞壁外侧的放水管向下游泄水，直至蓄水至表孔溢洪洞进口高程，表孔溢洪洞下泄满足下游用水需求，之后关闭放水管阀门、封堵放水管。根据后期导流时段枯水期洪水进行计算，最高库水位为2297.6m，最大下泄流量为279.4m3/s。

4.3 导流洞水力学计算

导流洞洞身段全长约828m，其中临时段长225m，结合段长603m，纵坡0.0115，初定临时段的洞身断面尺寸为6.0m×7.0m的城门洞型。结合段洞身断面尺寸根据底孔泄流要求，按永久建筑物设计为6.0m×8.5m的城门洞型。考虑水流平顺衔接，本次计算采用明渠恒定非均匀渐变流水面曲线计算程序进行导流洞水力学计算。

4.3.1正常水深h0计算理论

按照明渠恒定非均匀流计算公式：

(1)

(2)

正常水深h0即求解下列方程的根：

(3)

4.3.2 临界水深计算

临界水深hk计算公式如下：

(4)

对于任意形状的断面，此式为h的隐函数形式即试算求解下列方程的根：

(5)

(1)设计工况时，导流洞最大下泄流量为552.87m3/s，通过水力学计算可得：设计工况最大下泄流量对应的正常水深为7.28m，临界水深为9.92m，最大流速为18.6m/s，导流洞桩号0+225m处水深为5.58m，导流洞桩号0+828m处水深为6.75m。导流洞临时段最小通气净空面积比例为14.11%，结合段最小通气净空面积比例为15.59%。

(2)度汛工况时导，流洞最大下泄流量为728.10m3/s，度汛工况最大下泄流量对应的正常水深为9.12m，临界水深为11.84m，最大流速为24.33m/s，导流洞桩号0+225m处水深为5.70m，导流洞桩号0+828m处水深为7.46m。导流洞临时段最小通气净空面积比例为12.26%，结合段最小通气净空面积比例为6.71%。

计算结果可见，度汛工况时水位最深，导流洞临时段的洞身断面尺寸为6.0m×7.0m的城门洞型满足过水要求。

5 结语

(1)根据大石门水利枢纽工程坝址地形地质特点，河谷呈“V”型地貌，河道窄深，不具备分期导流施工条件，采用围堰一次断流、右岸导流洞过流的导流方式，采用导流洞与永久泄洪洞相结合设计达到了减少投资与保证施工工期的目的。

(2)根据导流方式和导流标准，进行调洪演算和水力学计算，确定经济合理、技术可行的导流洞及上游围堰规模，对于确保工程施工期的安全度汛和实现工程施工进度计划具有重要意义，本工程2017年底顺利截流，目前各项施工进度及关键节点均按计划有序展开。