兩底孔交替導流在水電站大壩修復改造中的應用

宋茂興

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 475000)

兩底孔交替導流在水電站大壩修復改造中的應用

宋茂興

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 475000)

以埃塞俄比亞阿巴薩姆爾水電站工程中大壩進水口和底孔改造為例，介紹了壩區修復改造的主要任務，并根據壩區的現場條件，確定了兩底孔交替導流施工方案，闡述了具體的施工技術，達到了預期的施工效果。

水電站，大壩，底孔，導流

1 工程概況

阿巴—薩姆爾水電站項目位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴附近，該項目由于年久設備老化、年久失修、水庫淤積、暴雨沖毀引水渠道和壓力前池，于1974年廢棄至今。本項目是我國政府開展的對外援助項目，主要施工任務是立足于充分利用現有的大壩、廠房等原有設施，改建引水系統，在原廠房內重新安裝總容量約為6.6 MW的水輪發電機組，恢復阿巴—薩姆爾水電站的發電功能。本工程屬于壩后引水式水電站，大壩由兩岸漿砌石擋水壩段、河床漿砌石溢流壩段和引水(沖沙底孔)壩段所組成。

2 壩區的修復改造任務分析

2.1 主要任務內容

大壩單位工程的主要施工任務是大壩維修工程、取水口和底孔改造工程。其中大壩取水口和底孔改造工程是施工的重點和難點。主要工作內容包括:壩身取水口為原攔河壩取水壩段的壩身機組取水口改造而成。修復后的壩身取水口由改造壩身進水口+取水鋼管組成。進水口前設有攔污柵和檢修閘門。取水鋼管直徑1.5 m，總長約107 m，外包混凝土。

原設計有的2個沖沙底孔，改造后原左側底孔封堵，右側底孔進行改造加長，出口引至壩后下游的泄槽內，用作沖沙放空通道。底孔進水口底板高程仍為499.20 m，底孔前設有攔污柵和檢修閘門，改建后，底孔水平埋管后接長約15.5 m直徑為0.8 m的水平明管，明管末端設置手動閘閥控制水流，將沖沙水流匯入Akaki河(施工改造范圍和布置見圖1和圖2)。

圖1 壩身進水口及底孔改造平面布置示意圖

2.2 施工現場條件分析

根據各方面條件分析，施工現場的有利條件主要有:1)施工所用土料可在庫區內就近開采。2)施工改造工程量不大。

施工現場的不利條件較多，主要有:1)來水量極不均勻，實施中根據每日來水和泄水條件流量分析實際的日平均流量比水文信息提供的數據大2倍以上，在11月份最大流量為2.5 m3/s，在1月份～3月份為1.5 m3/s。一天內有多個水位高峰，不排除上游非正常降雨情況，還會發生超正常流量現象。2)施工期2月～4月均有降雨量，會產生枯水期的洪水，可能會給施工造成極大的安全風險。3)施工場地狹小，施工效率很低。4)兩底孔正常沖水排沙，壩內與引水涵管串聯，水流最終匯入引水系統，部分在溢流通道溢出。5)兩底孔凈間距僅6.0 m，河槽淤積層深厚。6)底孔在壩前匯流處的沖溝很窄，最寬處僅6.5 m。

圖2 壩身進水口及涵管改造剖面布置示意圖

3 主要施工方案的確定

本項目在施工組織上，從前期策劃就把壩區改造工程作為項目的難點，在實施前反復論證施工方案。根據施工任務和施工圖紙及現場條件綜合分析，施工按照“由低到高”和“先難后易”的順序原則，確定主要施工流程如下。

最終確定的主要施工順序(包括導截流施工任務)為:施工道路修筑→1號導流涵管埋設→橫向圍堰進占→縱向圍堰施工→2號溢流涵管埋設→橫向圍堰合龍→右側底孔改造(一期導流)→施工進水口改造和壩內壓力鋼管安裝(兩底孔同時導流)→左側底孔封堵(二期導流)。

導截流方式的確定是保證施工任務完成的基礎。項目最終確定采用非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導流方式，兩底孔間采用縱向鋼籠圍堰隔斷水流。

4 施工難點分析

進水口和底孔改造的施工本身施工難度并不大，難度最大的是水流的控制。采取什么擋水建筑物，什么導水建筑物，底孔改造時的干地施工條件怎么實現，導流能力怎么滿足等多項施工難題擺在項目團隊面前。項目團隊認為充分認識到實施的難點是解決這些難點的前提。

根據現場條件的不利因素分析，導截流施工主要難點及風險有:1)縱向圍堰施工。兩底孔底坎高程低于進水口底坎4.6 m，根據上游水位和基礎淤積深度及兩底孔凈寬限制(據前述僅6.0 m)，縱向圍堰的成堰難度極大。縱向圍堰堰體與壩體接觸面的防滲問題難以解決，滲漏量的控制能否滿足施工條件也是風險點之一。2)兩底孔串水問題。兩底孔在壩內最終匯入引水渠道，存在混流和串水，導流時可能有回水問題。解決導流通道的獨立運行條件和可能的回流問題是難點之一。3)單個底孔的導流能力不足。兩底孔的孔徑均為80 cm，按照小孔口自由出流公式計算Q=μA√2gH0=0.62×0.311×6=1.86 m3/s(其中，H0為上游水頭，取2 m;μ=0.62)，考慮到底孔管路的水頭損失最終的出流流量應小于該流量。因此可以判定單個底孔的泄流能力不能滿足正常泄水能力。此問題是導流的最大難題之一。4)單個底孔導流時所配套的導流涵管的導流能力的匹配與否將決定圍堰的安全和底孔進口前池的正常運行。如導流涵管太大，底孔泄水能力不足會導致縱向圍堰被淹。如果太小，又會導致導流能力不足，影響橫向圍堰的安全。

5 兩底孔交替導流方案的實施

5.1 主要施工方法描述

本工程采用非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導流方式(平面布置見圖3)。其主要方法是利用現有底孔工作條件，按照科學的施工順序，首先進行進場路鋪筑和河道截流進占施工，施工須按照相關規范設計并保證安全。當截流進占到1號底(左側底孔，下述按1號底孔;右側底孔下稱2號底孔)附近時沿河道方向埋設φ1.2 m長25 m的1號鋼管(涵管)，鋼管進口方向挖明渠平順引入河道水流，出口方向對準1號底孔。1號涵管出水口管口底部高程與底孔底坎高程基本一致為EL500 m(實際施工時因底部為巖基，出口高于底孔為EL501.5)。涵管按照4%的坡度設置，出口低于進口。

圖3 兩底孔交替導流和水流控制平面布置示意圖

其次是繼續進行截流進占，同時完成縱向圍堰的施工。縱向圍堰采用鋼籠圍堰，鋼籠寬度參照進水口外側寬度(保證堰體緊貼壩體立面，方便卡位防止縱向位移)，長度根據進水口前河槽寬度確定，深度經人工探測河槽底部斷面和淤泥深度推測確定(鋼籠尺寸為6 m高×6 m長×4.1 m寬;人工探測時在架設預先制作好的寬1 m，長12 m的棧橋上進行)，鋼籠兩側用10 mm厚的鋼板焊接封閉，預留局部小孔作為排水之用。籠體就位后周邊用袋裝粘土填充，中間填充淤質粘土等防滲材料，起到擋水作用。導流施工重要的創新點之一是施工至主河槽中心前，埋設2號導流管(涵管)。2號導流涵管進水口管口底部高程設置在EL503，同樣采用φ1.2 m的鋼管，長10 m，進出口位置保持與圍堰堰體的距離，減少水流沖刷破壞。之后，在截流前加高戧堤填筑圍堰至EL504 m，在縱向圍堰具備擋水條件后，選擇合適時段進行截流(河道水位小時在下午)。截流完成后，立即進行戧堤的加高使圍堰整體達到初步的設計高程。

以上工作完成之后，基本具備了擋水和泄水條件。

5.2 水流控制的解決

水流控制的解決是本工程的難點，能否解決好這個難題，是底孔進水口改造施工成敗的關鍵，也是兩底孔交替導流成功的關鍵(水流控制平面布置見圖3)。在此，詳細說明導流施工難點的解決辦法。

兩底孔串水問題的解決。在具備導流的基本條件后，受串水影響的是右側底孔改造和沖沙管安裝作業及壩內壓力鋼管安裝。在施工安排上，首先進行沖沙管的安裝。施工前，在兩底孔導流的條件下采用液壓沖擊錘將2號底孔下游側的引流室外墻打通，打通后水流直接通過墻體空洞外泄，同時也給沖沙管安裝創造安裝條件。為避免串水影響，導流布置上采取兩底孔都不導流的辦法，在施工日下午4時，來水量最小時，關閉1號和2號導流涵管進水口，兩個工作日分別完成施工準備和安裝工作。就此2號導流底孔的水就可以直接排到河里，相應解決了此底孔的串水問題。2號底孔的串水問題是在2號底孔導流的條件下采用液壓沖擊錘將1號底孔下游側的引流室外墻打通，讓水不再引流至壩內直接排出進入原引水渠。然后將壩內的串水口進行漿砌石封堵，堵塞串水通道。采取這一系列辦法后，串水問題徹底解決，給壩內老混凝土鑿除和壓力鋼管安裝創造了施工條件。

導流涵管的設置解決了與底孔導流能力匹配的問題。涵管的埋設位置和高程以及配置較大的涵管直徑恰到好處的解決了涵管配合底孔交替導流的匹配問題。

表1 施工和導流時段設置說明

導流能力不足問題的解決。針對此問題的解決，項目團隊創造性的提出并實施了導流涵管臨時閘門來控制水流，通過導流時段調節水流，很好的解決了水流控制和導流能力不足的大難題。臨時閘門采用12 mm厚鋼板，通過與涵管進口法蘭盤的平面接觸在水壓力的作用下達到密閉作用。在關閉狀態下，只有少量滲水，才能達到關閉效果。底孔改造工作任務重，是受導流影響最大的項目，通過涵管臨時閘門的控制，施工導流時段得以實現，當來水量大時(河道水位高)兩底孔導流，來水量小時一個底孔導流，順利的給底孔和進水口改造施工創造了施工條件。

具體導流時段設置可見以下敘述和表1。

5.3 導流時段

根據大壩取水口和底孔改造任務及當地氣候特點，施工節點目標定為2016年3月31日前完成全部進水口和底孔的改造任務。施工任務目標的實現，首要的前提是導流方案的成功，分解后的各部分詳細時間節點的完成需與導流時段的分解和成功實施相匹配，來保障有效的施工時間，也就是干地施工時間的實現。具體詳細施工節點和導流時段設置見表1。

6 結語

正常情況下，大壩修復改造工程的施工難度都是遠遠大于新建工程的難度的。本工程施工改建中，采取非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導流方式并且成功應用，在實施中通過采取多種措施，順利解決了多個技術難題，創造性的進行水流控制并利用導流時段的安排，出色的完成了施工任務。本項目的成功經驗，科學的證明了兩底孔交替導流這個科技創新推動了工程的順利進行，極大的促進了工程各方面效益的取得。

The application of two under ports alternating river diversion in dam repair transformation of hydropower station

Song Maoxing
(China Water Conservancy and Hydropower 11th Engineering Limited Company，Zhengzhou 475000，China)

Taking the under port transformation of dam water inlet in Ethiopia Samur ABA hydropower station engineering as an example，this paper introduced the main tasks of dam area renovation，and according to the site conditions of dam area，identified the construction scheme of two under ports alternating river diversion，elaborated specific construction technology，achieved the desired construction effect.

hydropower station，dam，under port，river diversion

TV738

:A

1009-6825(2016)36-0223-03

2016-10-16

宋茂興(1981-)，男，工程師