淺談卡拉貝利水利樞紐導流及圍堰工程施工

張曉夫

（遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 117200）

施工導流主要是為了將河道水流導引向預定的泄水建筑物，其設計方案是水利工程建設的前置條件和關鍵環節。導流度汛過程一般劃分為初期導流、中期導流和后期導流。一般而言，施工初期擋水建筑物采用圍堰工程，中后期為樞紐本身的擋水壩段。梁仁強等[1]通過對烏東德拱壩的施工仿真分析，優化了水利工程施工方案；關濤等[2]通過對大崗山拱壩施工的動態仿真分析，優化了大壩施工進度計劃和資源配置方案。本文結合新疆卡拉貝利水利樞紐對導流與圍堰施工進行探討。

1 工程概況

卡拉貝利水利樞紐工程位于新疆境內的克孜河上，是克孜河流域開發的控制性工程，以灌溉、防洪為主，兼顧發電綜合水利工程。

此水利樞紐工程總庫容2.62億m3。水庫正常蓄水位1770.00 m，設計洪水位1771.35 m，校核洪水位1773.34 m，死水位1740 m，水庫調節庫容1.687億m3。攔河壩最大壩高92.5 m，壩頂長度760.7 m，電站裝機3×23.3 MW。工程建成后，將下游防洪堤防洪標準提高到50年一遇。工程規模為大(2)型，大壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高92.50 m，為1級建筑物。

攔河壩及泄水建筑物正常運用洪水重現期500年，相應洪峰流量4760 m3/s；非常運用洪水重現期5000年，相應洪峰流量7460 m3/s。

樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、導流洞、泄洪排沙洞、發電引水洞及電站廠房組成。大壩布置在主河床，溢洪道布置在右岸壩肩階地，發電引水洞、泄洪排沙洞布置左岸山體內，電站廠房布置在左岸河床邊。溢洪道右岸Ⅴ級階地設置右岸防滲段，采用現澆混凝土墻防滲。

2 施工導流方案設計

2.1 洪水特性

克孜河洪水多發生在6、7、8三個月，主要是由于氣溫急劇上升使該河上游大量冰雪融化產生洪水。洪水受氣溫日變化影響較大，大部分峰型呈一日一峰，洪水歷時一般在5天～10天左右。水文站測得年最大洪峰流量系列年際變化較大。1999年年最大洪峰值為2220 m3/s，為歷年之首；1985年年最大洪峰僅234 m3/s，為歷年最小峰值。此工程以防洪為主的綜合利用水利樞紐，水庫下游的防洪斷面在克孜河卡拉貝利水庫下游約25 km處，有支流卡浪溝呂克河匯入。考慮下游斷面的防洪要求，本次進行了洪水地區組成計算，計算方法采用同頻率法，采用2004年為典型年，以下游斷面為控制斷面，計算設計洪水，經計算下游斷面設計情況下（P=0.2%）洪峰流量為4760 m3/s，校核情況下（P=0.02%）洪峰流量為7460 m3/s。

2.2 導流標準

本工程為二等工程，主要建筑物為2級建筑物。參照《水利水電工程施工組織設計規范（SL303-2004）》要求，導流臨時建筑物為3級建筑物，設計洪水標準重現期為50 a～20 a，綜合考慮主體建筑物特性和圍堰形式，確定洪水重現期為20 a一遇。考慮施工進度計劃和工程施工強度，枯水期導流時段選擇在10月～次年4月。

2.3 導流方案選擇

2.3.1 導流方式

通常導流施工圍堰分為整體與分段圍堰。整體圍堰即攔截整個河床，對河道水流進行整體攔截與阻斷，實現導流的目的。分段圍堰是利用多段圍堰將河床按照時間和空間合理分割分段導流。為了提高導流的實施效果，在具體的施工階段，必須充分研究，確定分段圍堰實施步驟，規劃分段具體的導流策略。

本工程壩址區樞紐建筑物范圍內，左右兩岸無大的滑坡及不穩定的變形體，僅局部受裂隙切割組合，存在一些小的不穩定巖塊，在施工中采用開挖、錨噴一般處理方法均可得到處理，且處理難度不大。河道年徑流量較大，因此采用隧洞導流方式。

2.3.2 導流程序

根據圍堰工程的實際情形和進度計劃，壩址處10月和11月上旬的旬平均流量不大，結合庫區的地形地貌和地質條件，按照施工進度計劃合理安排施工強度，將工程的截留時段選在當年10月上旬。根據《水利水電工程組織設計規范》（SL303-2004）規定，截流洪水標準采用20 a一遇，截流設計流量選擇20 a重現期10月上旬平均流量為41.7 m3/s。

表1 壩址處各月平均流量 單位：m3/s

2.3.3 導流水力計算

截流時上游來水量主要由導流隧洞泄流、上游河道調蓄流量、龍口泄流和戧堤滲流等幾部分下泄。其中調蓄流量和戧堤滲流部分由于占比極小，對計算結果幾乎無影響，故采用在最不利狀況下的簡化計算，即只考慮戧堤泄流和導流隧洞泄流流量。

導流隧洞進出口采用無控制自由堰流，洞內為無壓流。龍口的寬為45 m，頂寬為54 m，龍口的水位～流量關系采用堰流公式計算，見式（1）：式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數，本工程取0.32；B為龍口平均過流寬度，m；H0為上游水深，m。

根據式（1）計算龍口在不同頂寬時的水位～流量關系。

龍口截流拋石最大塊徑按照式（2）計算：

式中：d為石塊的當量直徑（m）；g為重力加速度；rs、r為石塊和水的容重，石塊取2.6 t/m3；v為計算流速；k為穩定系數，取1.02。

經計算，本空城龍口拋石塊徑大于0.3 m可滿足要求。

2.3.4 截流施工

結合河道水文現狀擬采用立堵法雙戧進占，龍口位于主河槽。端頭邊坡設計為1∶1.5。頭部采用鉛絲籠防護，在龍口采取拋石護底。塊石料采用2 m3挖掘機裝15 t自卸汽車運送導流隧洞開挖石料至龍口拋入。砂礫石料和粘土料采用推土機平料，振動碾壓。截流作業時，按照從下游往上游先后拋填塊石、砂礫料和粘土料的順序快速填筑[3]。圍堰水上部分參照碾壓試驗確定的措施分層填筑碾壓至設計高程，確保截流成功。

2.3.5 導流運行階段損失估算

施工前為了明確投資風險收益比，應合理估算方案的風險損失，為此建立導流損失費與施工過程關系，見圖1。

圖1 施工導流運行期損失值分布圖

導流損失包括3個方面：①初期導流T1～T2階段，損失表示為f1(t)，包括圍堰潰決損失、基坑二次排水清淤費用及工期延誤損失。②初期導流至中期導流T2～T3階段，損失表示為f2(t)，主要包括圍堰潰決損失、基坑二次排水清淤費用、主體工程潰決損失及工期延誤損失。③T3階段為導流中期至后期階段，損失主要包括主體工程潰決損失和工期延誤損失。此階段損失值較小，記為f3(t)。根據闡述建立導流期間運行損失函數，見式（3）：

3 結語

結合卡拉貝利水利樞紐工程，引入系統計算方法和風險估算公式，為確定經濟合理、技術可行的導流方案提供合理方案。

（1）水利工程的施工過程與導流方案及圍堰技術密切相關，直接影響工程最終的施工質量水平[3]。

（2）水利工程施工風險的不確定性導致風險損失的估量十分困難[4]。本文將施工導流失效后產生的損失劃分為工程損失，基坑系統損失和工期損失，為風險決策及風險保險費率確定提供參考。