新疆大石門水利樞紐工程施工導流設計

石 英

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

大石門水利樞紐工程位于新疆且末縣境內的車爾臣河出山口處，是車爾臣河上的控制性工程，是一座具有防洪、發電和灌溉等綜合利用的水利工程，該工程為大(2)型Ⅱ等工程，主要任務是防洪、發電兼顧灌溉。水庫總庫容1.27億m3，調節庫容0.99億m3，死庫容0.18億m3；水庫正常蓄水位2300.00m壩頂高程2304.500m；攔河壩最大壩高128.5m，電站裝機60MW，發電引水流量82.0m3/s。工程主要水工建筑物有瀝青心墻壩、底孔泄洪洞、表孔溢洪洞、導流洞、引水發電系統和電站廠房，其中大壩為1級建筑物，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞、發電引水洞進口為2級建筑物，發電引水洞和發電廠房為3級建筑物，臨時建筑物為4級。

2 工程特點

車爾臣河流域地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，遠離海洋，光照充足，熱量豐沛，溫差較大，冬冷夏熱，降水極少，空氣干燥，蒸發量大，多大風、風沙天氣。多年平均氣溫10.5℃，多年平均降水量為25.43mm，多年平均蒸發量(20cm蒸發皿)為2292.9mm。徑流年內分配不均勻，全年近半數徑流量產自于夏季，多年平均徑流量為5.509×108m3，多年平均流量為17.45m3/s。車爾臣河歷年年最大洪峰流量主要出現在4—8月，其中7—8月為主汛期，4—6月為前汛期，9月至次年3月為比較穩定的平、枯水期。大石門壩址斷面多年平均洪峰流量為358m3/s。

壩址右岸為阿爾金中低山，山頂高程2360～2400m，相對高差近200m，右岸基巖出露，壩軸線上下游有少量殘留階地，階面狹窄，且多被全新統崩坡積塊石土、礫質土覆蓋，在壩軸線下游有Ⅸ級階地連續分布。左岸為Ⅷ～Ⅸ級基座階地，階地面較平坦，地表高程2350～2363m，河寬170m左右，基巖基座的頂面在階地前緣陡坎上出露位置呈山包狀，基巖面在壩軸線附近高程最高為2340m左右，向上、下游很快降低到2200m左右。根據物探剖面資料，左岸基巖面垂直河流方向也呈下降趨勢，微有起伏，壩軸線左岸基巖面自河坎邊開始下降，在西側190m處達到最低高程2248m，低于水庫正常高水位。壩址區附近現代河床寬10～20m，正常水位為2300m高程處，谷寬194m，壩址區附近兩岸岸坡陡峻，岸坡坡度多在50°～80°，局部近直立，河流深切，峽谷發育，河谷呈深槽形，不具備分期導流條件，對工程導流及施工交通布置帶來很大挑戰。壩址區地貌圖如圖1所示。

圖1 壩址區地貌圖

3 導流方式及標準

3.1 導流方式

根據本工程壩址現場地形地質特點處河谷呈“V”型地貌，谷底高程2190m，山頂高程2360～2400m，相對高差近200m，河流坡降12.5‰，河道非常窄深，因此，不具備分期導流條件，最終導流方式采用圍堰一次斷流、右岸導流洞過流。為了減少投資與施工工期考慮到永久與臨時相結合，導流洞可與永久泄洪洞結合使用即導流兼深孔泄洪洞。導流兼深孔泄洪洞布置在壩址右岸山體。導流兼深孔泄洪洞為深孔無壓洞，全長910m，由進口明渠段、岸塔式閘井段、漸變段、洞身段、出口部分組成。具體圍堰導流方式如圖2所示。

圖2 施工導流平面布置圖

3.2 導流時段及標準

大石門水利樞紐工程于2014年至2016年主要進行前期三通一平建設，2016年5月導流洞開工，計劃2017年8月底導流洞具備泄水條件，9月工程截流。工程截流后，壩體施工將經歷兩個汛期，壩體施工導流劃分為初期、中期和后期3個導流時段。

(1)初期導流：2017年9月截流后，立即施工上下游圍堰，2018年汛期由圍堰擋水度汛，導流洞泄流。初期導流洪水標準為P=10%，洪峰流量為701.31m3/s。

(2)中期導流：2019年汛期，壩體填筑尚未完成，計劃采用壩體臨時斷面擋水度汛，度汛洪水標準為P=2%，洪峰流量為1159.04m3/s。

(3)后期導流：工程計劃2019年10月導流洞下閘，進行導流洞封堵體、深孔“龍抬頭”反弧段及出口消能段的施工，計劃約6個月完成。

4 導流設計

本工程導流洞布置在右岸，導流洞進口位于壩軸線上游約450m處，在樁號0+127處布置40°轉角與底孔泄洪洞“龍抬頭”之后的軸線重合，洞身段結合設計。底孔泄洪洞全長約905m，進口布置于壩軸線上游約570m處。底孔泄洪洞進口設一道平板事故門，孔口尺寸為6.5m×9.0m(寬×高)，一道弧形工作門，孔口尺寸為5.0m×5.0m(寬×高)；“龍抬頭”段斷面型式為5.0m×7.5m城門洞型；結合段長約603m，為6.0m×8.5m的城門洞型。

4.1 調洪演算

根據設計標準洪水資料，通過五組方案對導流洞斷面尺寸和上游圍堰堰前水位關系進行了調洪演算，具體方案見表1，此次洪水標準P=10%，對應洪峰流量701.31m3/s，導流洞調洪演算結果見表1。

表1 導流洞調洪演算成果表

由于本工程壩址區河谷狹窄，交通布置困難，施工進度受到場地和交通條件影響較大，且上游圍堰在截流后一個枯水期內必須填筑完成，因此，上游圍堰越高，就會導致圍堰施工工期越緊；根據規范要求[1]最終采用上游圍堰堰體與瀝青心墻壩完全結合，為土石圍堰，堰體采用砂礫料填筑，堰體填筑量計入壩體工程量中，上游圍堰盡量高一些，導流洞尺寸越小越經濟。

為了滿足上述要求根據上游圍堰在一個枯水期能夠填筑的最大高度，并充分考慮冬季施工的氣候條件、截流時間等影響因素，根據匯交法初步選定方案三作為本次導流洞與圍堰的基本尺寸，即導流洞孔口尺寸為5.5m×5.5m，對應上游圍堰高39m。

4.2 度汛及封堵施工期工況

對于壩體度汛工況，經調洪演算，最高庫水位為2246.40m，導流洞泄流，最大下泄流量為728.10m3/s。要求在2019年汛前大壩填筑高程不得低于2250.0m高程，壩體填筑高度不低于74m。根據施工進度計劃，壩體填筑及瀝青心墻月上升高度8～10m，壩體填筑進度完全能夠滿足壩體度汛要求。

后期導流時段為枯水期，壩體填筑及上游護坡混凝土澆筑已經完成，具備下閘蓄水條件。水庫初期蓄水期間，由布置于導流洞洞壁外側的放水管向下游泄水，直至蓄水至表孔溢洪洞進口高程，表孔溢洪洞下泄滿足下游用水需求，之后關閉放水管閥門、封堵放水管。根據后期導流時段枯水期洪水進行計算，最高庫水位為2297.6m，最大下泄流量為279.4m3/s。

4.3 導流洞水力學計算

導流洞洞身段全長約828m，其中臨時段長225m，結合段長603m，縱坡0.0115，初定臨時段的洞身斷面尺寸為6.0m×7.0m的城門洞型。結合段洞身斷面尺寸根據底孔泄流要求，按永久建筑物設計為6.0m×8.5m的城門洞型。考慮水流平順銜接，本次計算采用明渠恒定非均勻漸變流水面曲線計算程序進行導流洞水力學計算。

4.3.1正常水深h0計算理論

按照明渠恒定非均勻流計算公式：

(1)

(2)

正常水深h0即求解下列方程的根：

(3)

4.3.2 臨界水深計算

臨界水深hk計算公式如下：

(4)

對于任意形狀的斷面，此式為h的隱函數形式即試算求解下列方程的根：

(5)

(1)設計工況時，導流洞最大下泄流量為552.87m3/s，通過水力學計算可得：設計工況最大下泄流量對應的正常水深為7.28m，臨界水深為9.92m，最大流速為18.6m/s，導流洞樁號0+225m處水深為5.58m，導流洞樁號0+828m處水深為6.75m。導流洞臨時段最小通氣凈空面積比例為14.11%，結合段最小通氣凈空面積比例為15.59%。

(2)度汛工況時導，流洞最大下泄流量為728.10m3/s，度汛工況最大下泄流量對應的正常水深為9.12m，臨界水深為11.84m，最大流速為24.33m/s，導流洞樁號0+225m處水深為5.70m，導流洞樁號0+828m處水深為7.46m。導流洞臨時段最小通氣凈空面積比例為12.26%，結合段最小通氣凈空面積比例為6.71%。

計算結果可見，度汛工況時水位最深，導流洞臨時段的洞身斷面尺寸為6.0m×7.0m的城門洞型滿足過水要求。

5 結語

(1)根據大石門水利樞紐工程壩址地形地質特點，河谷呈“V”型地貌，河道窄深，不具備分期導流施工條件，采用圍堰一次斷流、右岸導流洞過流的導流方式，采用導流洞與永久泄洪洞相結合設計達到了減少投資與保證施工工期的目的。

(2)根據導流方式和導流標準，進行調洪演算和水力學計算，確定經濟合理、技術可行的導流洞及上游圍堰規模，對于確保工程施工期的安全度汛和實現工程施工進度計劃具有重要意義，本工程2017年底順利截流，目前各項施工進度及關鍵節點均按計劃有序展開。