雙叉河流上多壩型組合壩體導流方案研究

徐海亮,蘇軍安,王福初,李建軍,虞東亮

(1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室,湖南長沙410014；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南長沙410014)

0 引 言

施工導流是水利水電工程施工過程中,將原河道水流通過適當的方式導向下游的工程措施[1]。導流方案的選擇內容復雜,涉及面廣,其與水文、地形、地質、水文地質、樞紐布置及施工條件等密切相關[2]。正確合理地選擇施工導流方案可以加快施工進度、降低工程造價,否則可能會受到其他因素的干擾而影響施工,拖延工期,增加投資,甚至會造成工程失事。國內外有關專家學者,對施工導流在理論上進行了比較深入和詳細的研究,主要分為單目標風險決策分析和多目標風險決策分析。姜樹海[3]以風險這個概念為依托,對風險率和風險損失這兩個指標進行分析,通過控制工程總造價和工程損失造成的費用之和最小為目標來進行施工導流標準的選擇。肖煥雄、史精生[4]用工程費用及工期這兩個指標進行導流風險分析來選擇導流標準和方案,并給出了確定性施工費用及施工工期和風險損失費用及工期的計算方法。黃達海[5]以全年導流方案為對象進行研究,把工程總工程量、總工期、風險率、施工不均衡系數及最大填筑強度等5個參數作為決策目標,采用模糊綜合評判方法使不同特性的指標統一到綜合評價參數中,并分別采用專家咨詢法和層次分析法確定各指標權重。周宜紅[6]、王卓甫[7]利用Monte-Carlo方法對施工導流風險計算進行研究。上述研究成果都是以保證工程安全施工的前提下縮短工期,降低工程總費用為目標來優選導流方案的。本文依據喀麥隆Kikot水電站壩址區雙叉河過流且過流能力相差較大,河床寬、流量大、多種壩型組合的特點,在保證施工安全可靠的前提下,進行導流方案的優選。

1 工程特點

1.1 多種壩型組合特點

Kikot水電站是喀麥隆規劃于薩納加河(Sanaga River)中游河段的水電項目,以發電為主,工程采取河床式布置,樞紐布置從左至右依次為：左岸面板堆石壩、廠房引水壩段(下游布置壩后式廠房)、沖沙壩段,河中島面板堆石壩、右叉河重力壩、泄洪底孔壩段、泄洪表孔壩段、右岸面板堆石壩。大壩壩頂高程354.00 m,最大壩高62.00 m,總裝機容量720 MW。泄洪表孔共5孔,采用開敞式溢流堰,孔口尺寸為18.00 m×15.00 m(寬×高),堰頂高程336.00 m,采用WES型實用堰,上游面垂直。泄洪底孔共2孔,底板高程309.00 m,孔口尺寸為10.00 m×8.00 m(寬×高)。

1.2 雙叉河過流地形特點

壩址區屬丘陵地貌,總體地勢較緩,起伏差一般小于50.00 m。河道為典型的平原河道,該河段分布多個孤島,河水被其分隔成多股散流。河流在壩址處分為左右兩叉,兩岸岸坡相對較緩且高差不大,岸邊為基巖岸坡,河中基巖礁石出露基本無覆蓋層分布。左叉河河床底部高程約312.00 m,右叉河河床底部高程約290.00 m,兩叉河河床底部高程相差20多米,主要通過右叉河過流。河道無通航要求。

2 導流方式選擇

Kikot水電站工程壩址所在的河道分為左右兩叉,且較寬,兩岸地形較緩,山體較單薄,成洞較困難,河流流量較大,因此,不適合采用隧洞導流方式。根據本工程壩址地形、地質、水文條件以及水工樞紐布置的特點,并充分利用河道左右兩河道以及中間孤島的天然優勢,工程適宜采用分期導流方式。

3 導流方案比較

3.1 方案擬定

結合地形地質條件,在水工樞紐布置總體保持不變的前提下,初步擬定了4個導流方案進行比較。

3.1.1方案1——分兩期導流,第一期先圍左叉河及中間島

一期圍左叉河的左岸混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段(下游布置壩后式廠房)、沖沙壩段和河中島混凝土面板堆石壩段,在左叉河沖沙壩段右側壩段(該方案需將約80.00 m河中間島混凝土面板堆石壩改成混凝土重力壩)內布置4個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程313.00 m的導流底孔,由右叉河過流。一期采用全年土石圍堰擋水,導流標準采用重現期全年20年一遇洪水,相應流量8 679 m3/s；二期圍右叉河右岸的混凝土面板堆石壩段、泄洪壩段(包括5孔泄洪表孔壩段和2孔泄洪底孔壩段)和右叉河重力壩段,枯水期由布置在左叉河的4個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程313.00 m的導流底孔過流,采用過水土石圍堰(汛期過水)擋水,導流標準采用枯水時段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應流量2 470 m3/s。汛期由4個導流底孔和右叉河基坑過流,度汛標準采用全年20年一遇洪水,相應流量8 679 m3/s。

第7年4月工程下閘蓄水,第7年5月初全部機組投產發電,第7年6月底導流底孔封堵完成,工程完工。

方案1機組發電工期6年4個月,總工期6年6個月。

3.1.2 方案2——分兩期導流,第一期先圍右叉河

一期圍右叉河右岸混凝土面板堆石壩段、泄洪壩段(包括5孔泄洪表孔壩段和2孔泄洪底孔壩段)和右叉河重力壩段,在泄洪表孔壩段和右叉河重力壩段內布置7個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導流底孔,由擴挖后的左叉河過流,采用過水土石圍堰(汛期過水)擋水。導流標準采用枯水時段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應流量2 470 m3/s。度汛標準采用全年10年一遇洪水,相應流量8 195 m3/s,其中,第1個汛期由左叉河及右叉河基坑過流,第2個汛期由左叉河及右叉河壩段布置的7個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導流底孔和2個10.00 m×8.00 m(寬×高)的泄洪底孔過流；二期圍左叉河的混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段、沖沙壩段和島中間混凝土面板堆石壩段,由2個泄洪底孔和布置在右叉河泄洪表孔壩段及右叉河重力壩段內的7個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導流底孔過流,采用全年土石圍堰擋水,導流標準采用重現期全年20年一遇的洪水,相應流量8 679 m3/s。

第7年4月工程下閘蓄水；第7年9月首臺機組發電；第8年7月全部機組投產發電,導流底孔封堵完成,工程完工。

方案2首臺機發電發電工期6年零9個月,總工期7年零7個月。

3.1.3方案3——分兩期導流,第一期先圍左叉河、中間島和右叉河部分壩段(設縱向圍堰)

在準備工程施工期修建縱向圍堰。一期圍左叉河的混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段、沖沙壩段、島中間混凝土面板堆石壩段以及右叉河的混凝土面板堆石壩段、泄洪表孔壩段、泄洪底孔壩段和部分右叉河重力壩段,在右叉河泄洪表孔壩段內布置2個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導流底孔,枯水期由右叉河束窄河床泄流,汛期由右叉河束窄河床和右叉河基坑過流。導流標準分兩種,左叉河圍堰的擋水設計標準采用重現期全年20年一遇的洪水,相應流量8 679 m3/s,圍堰形式為全年擋水土石圍堰；右叉河的圍堰擋水設計標準為枯水時段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應流量2 470 m3/s,圍堰形式為過水土石圍堰(汛期過水)。

二期圍束窄河床段的右叉河重力壩段,由2個泄洪底孔和2個導流底孔泄流,采用土石圍堰擋水,導流標準采用枯水時段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應流量2 470 m3/s。

第5年8月底工程下閘蓄水；第5年9月首臺機組發電；第6年4月底導流底孔封堵完成；第6年7月全部機組投產發電,工程完工。

方案3,首臺機組發電時間為4年9個月,總工期5年7個月。

表1 4個導流方案造價及工期比較

3.1.4方案4——分兩期導流,第一期同時圍左叉河、右叉河及部分中間島(明渠導流)

在準備工程施工期修建導流明渠,明渠修建在島中間。一期圍左叉河的混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段、沖沙壩段、河中島混凝土面板堆石壩段及右叉河的混凝土面板堆石壩段、泄洪表孔壩段、泄洪底孔壩段、部分右叉河重力壩段,在右叉河泄洪表孔壩段內布置2個9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導流底孔,枯水期由導流明渠過流,汛期由導流明渠和右叉河基坑過流。導流標準分兩種,左叉河圍堰的擋水設計標準采用重現期全年20年一遇的洪水,相應流量8 679 m3/s,圍堰形式為全年擋水土石圍堰；右叉河圍堰的擋水設計標準為枯水時段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應流量2 470 m3/s,圍堰形式為過水土石圍堰(汛期過水)。

二期圍導流明渠壩段,由2個泄洪底孔和2個導流底孔泄流,采用不過水土石圍堰,導流標準采用枯水時段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應流量2 470 m3/s。該方案需要將推薦樞紐方案中明渠壩段由混凝土面板堆石壩改成混凝土重力壩。

第5年8月底工程下閘蓄水；第5年9月首臺機組發電；第5年12月底完成廠房二期混凝土的澆筑。

第6年4月底導流底孔封堵完成；第6年7月全部機組投產發電,工程完工。

方案4,首臺機組發電時間為4年9個月,總工期5年7個月。

4個導流方案造價及工期比較詳見表1。

3.2 方案分析比較

3.2.1 導流工程造價比較分析

4個導流方案造價及工期比較見表1。從表1可以看出,4個方案中,方案1導流工程投資最大,方案4最小,但是方案4由于需要在島中間開挖一條明渠,考慮明渠后期的封堵施工,需將推薦樞紐布置方案相應明渠壩段由混凝土面板堆石壩改成混凝土重力壩,相應地增加了混凝土工程量,樞紐投資約增加11 040萬元,因此,綜合考慮主體工程及導流工程投資,方案3投資最小。

3.2.2 工期比較分析

從表1可以看出,方案3和方案4的首臺機發電工期和總工期最短,方案2的首臺機發電工期和總工期最長,且方案1和方案2在首臺機發電工期和總工期方面都遠大于方案3和方案4。

3.2.3 從導流布置與工程施工的特點分析

方案1。二期導流由4個導流底孔過流,導流底孔布置在沖沙壩段右側約80.00 m長范圍由混凝土面板堆石壩改為混凝土重力壩壩段內,從而增加了混凝土工程量,其次,導流底孔布置的位置高程較高,導流底孔上下游需進行開挖,增加了土石方開挖量。

方案2。方案2由于先進行右叉河混凝土面板堆石壩、泄洪表孔壩段、泄洪底孔壩段、重力壩段的施工,使得廠房的修建時間延遲,進而推遲了該方案首臺機組的發電工期和總工期。其次,二期導流廠房施工采用全年20年一遇的洪水標準,需在泄洪表孔壩段和重力壩段下布置7個導流底孔才能滿足二期過流要求,增加了施工難度。

方案3。方案3在準備工程建設期要進行混凝土縱向圍堰的施工(含圍堰過壩段混凝土重力壩的施工),混凝土圍堰有一部分需要在水下施工。

方案4。方案4需要在河中島開挖一條寬65.00 m的導流明渠,明渠開挖工程量較大,且需將推薦樞紐布置方案明渠所在壩段的混凝土面板堆石壩(超過65.00 m)改成混凝土重力壩段。

綜上所述,從投資方面來看,方案3最??；從首臺機發電工期和總工期方面來看,方案3和方案4最小；從導流布置及工程施工的特點來看,4個方案各有優缺點。但總體上看方案3最優,因此,方案3作為推薦的導流方案。

4 結 論

(1)從施工導流方式的角度來看,在流量大,河床寬且兩岸山體較單薄的平原河道上修建水利樞紐,其導流方式適合采用分期導流。

(2)從Kikot水電站工程本身所具有的特點：雙叉河過流且河道底部高程相差較大,水工樞紐由多種壩型組合而成來看,經過4種導流方案的比較,最終本階段選擇束窄主河道(右叉河)的分期導流方案。該導流方案對于具有類似地形條件、樞紐布置形式的工程具有較大的參考價值。

(3)從導流與樞紐布置格局兩者之間的關系來看,導流工程是為了樞紐工程能夠安全快速施工而進行建設的一項輔助性工程,但是兩者是相輔相成的。從本工程來看,最優的導流方案需要水工樞紐布置在一定的范圍內緊密配合,并適當作出相應調整。

[1] 全國水利水電施工技術信息網. 水利水電工程施工手冊(第5卷)[M]. 北京： 中國電力出版社, 2005．

[2] 袁光裕. 水利工程施工[M]. 第5版. 北京: 中國水利電力出版社, 2009．

[3] 姜樹海. 用風險決策方法確定施工導流標準[J]. 水利水運科學研究, 1997(1)： 1- 10．

[4] 肖煥雄, 史精生. 施工導流標準的多目標風險決策[J]. 水利學報, 1990(11)： 66- 71．

[5] 黃達海. 用模糊綜合評判的方法進行施工導流方案的選擇[J]. 三峽大學學報： 自然科學版, 1993(2)： 106- 112．

[6] 周宜紅. 施工導截流方案風險決策研究[D]. 武漢： 武漢水利電力大學, 1995．

[7] 王卓甫. 施工導流風險分析[J]. 水利學報, 1992(5)： 65- 71．