黃河上游某水電站施工導(dǎo)流設(shè)計

賀智安 王永勝 雷麗萍

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

某水電站位于青海省果洛藏族自治州黃河上游干流上，流域面積98 346 km2，多年平均流量533 m3/s。本工程以發(fā)電為主，正常蓄水位3 275 m，相應(yīng)庫容14.82億m3，調(diào)節(jié)庫容2.415億m3，具有季調(diào)節(jié)能力。總裝機(jī)容量2 200 MW，多年平均發(fā)電量72.39億kW/h。本工程為一等大(1)型工程，樞紐建筑物組成為鋼筋混凝土面板堆石壩、泄洪放空洞、溢洪道、引水隧洞及地下廠房等。

2 施工導(dǎo)流

2.1 導(dǎo)流方式

某水電站壩址位于高山峽谷中，兩岸邊坡陡峻，為不對稱“V”型河谷；壩址區(qū)兩岸山體雄厚，出露地層主要為三疊系中～上統(tǒng)(T2～3)變質(zhì)砂巖和侵入巖二長巖(πγ5)等，巖石完整性好，具備布置大型導(dǎo)流隧洞工程地質(zhì)條件；黃河流域的徑流主要來自降水，融雪補(bǔ)給為輔，流量豐沛穩(wěn)定，洪水漲落差較小，洪水時間較長，頻次較少，較長的間隔期，有明顯的洪水年交替周期；工程區(qū)位于我國高原寒冷區(qū)域，多年平均氣溫0.5 ℃，每年10月～4月月平均氣溫小于5 ℃，混凝土進(jìn)入冬季施工，施工時段較短，枯水期導(dǎo)流方式不宜采取；本工程以發(fā)電為主，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，壩址區(qū)地形狹窄，分期導(dǎo)流不利施工機(jī)械布置，將嚴(yán)重影響工期，損害工程綜合效益。綜合考慮工程區(qū)地質(zhì)地形條件、水文氣象特征、水工樞紐建筑物特點(diǎn)、導(dǎo)流建筑物布置、主體工程施工等因素，本工程選取隧洞導(dǎo)流、圍堰一次截斷河床的導(dǎo)流方式。

2.2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)流建筑物工程規(guī)模劃分為3,4,5三個級別。本工程導(dǎo)流建筑物保護(hù)對象為大壩和引水發(fā)電系統(tǒng)尾水出口；失事后將推遲工程總工期及第一臺機(jī)組發(fā)電，由于圍堰堰前攔洪庫容小，導(dǎo)流建筑物失事后對下游不會造成重大災(zāi)難；圍堰使用年限2年；上游圍堰最大堰高53 m，圍堰堰前庫容為0.26億m3，小于1億m3。從以上條件看，符合4級導(dǎo)流建筑物級別要求。

1)初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。按照施工總進(jìn)度的安排，本工程計劃第2年11月進(jìn)行主河床截流。初期導(dǎo)流時段為第2年11月～第5年5月，該時段由圍堰擋水，導(dǎo)流洞泄流。本工程規(guī)模巨大，為確保工程按期發(fā)電，初期導(dǎo)流度汛標(biāo)準(zhǔn)采取20年一遇設(shè)計洪水流量Q5%=3 390 m3/s。

2)中期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。按照壩體填筑施工進(jìn)度安排，當(dāng)壩體填筑高度超過上游圍堰堰頂高程時，進(jìn)入中期導(dǎo)流時段，該時段為第5年6月～第7年10月，度汛由壩體臨時斷面擋水，導(dǎo)流隧洞泄流。壩體臨時斷面攔洪庫容大于1.54億m3，度汛標(biāo)準(zhǔn)在100年～200年間選取，根據(jù)本工程河流水文特點(diǎn)，100年與200年洪水流量差別不大，為確保工程安全，選用200年洪水重現(xiàn)期，相應(yīng)流量為Q0.5%=4 810 m3/s。

3)后期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。安排第7年11月導(dǎo)流洞下閘，第7年11月～第8年12月進(jìn)入后期導(dǎo)流時段，該時段由未完建壩體擋水度汛，永久建筑物泄流。考慮本工程重要性、導(dǎo)流風(fēng)險等因素，后期導(dǎo)流階段壩體度汛正常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇為重現(xiàn)期500年，相應(yīng)流量為Q0.2%=5 350 m3/s。

2.3 導(dǎo)流程序

根據(jù)選定的圍堰一次截斷河床，全年土石圍堰擋水，隧洞導(dǎo)泄流的導(dǎo)流方式，結(jié)合施工進(jìn)度設(shè)計成果，初步確定本工程的導(dǎo)流劃分見表1。

2.4 導(dǎo)流建筑物設(shè)計

本工程導(dǎo)流建筑物由閘門井式導(dǎo)流隧洞、上游和下游土石圍堰等建筑物構(gòu)成。

2.4.1導(dǎo)流隧洞設(shè)計

導(dǎo)流隧洞選擇在圍巖類別較好的巖層中布置，洞軸線避免與巖層面平行，夾角宜大于30°；充分利用河道地形條件，隧洞選擇在凸岸布置，可以縮短洞線長度，并使洞線盡量順直，減少彎道；為確保水流順暢，導(dǎo)流洞進(jìn)出口軸線與河道主流夾角不宜大于30°；為防止沖刷上下游圍堰坡腳，圍堰坡腳應(yīng)距導(dǎo)流洞進(jìn)出口距離不小于30 m。

經(jīng)過導(dǎo)流布置比選，導(dǎo)流隧洞選擇在大壩左岸布置，進(jìn)口位于德穆朗溝下游約15 m黃河拐彎處基巖陡壁下方，進(jìn)口水流與河道平行，水流銜接平順，出口位于賽日托溝口上游，出流順暢。導(dǎo)流泄水建筑物全線總長為1 418.141 m，由進(jìn)口明渠段、洞身段、閘室段、出口涵洞段、出口明渠段組成。進(jìn)口高程3 090.0 m，采用三面收縮的橢圓曲線型喇叭口；出口高程3 079 m，出口消能工采用消力池加消力坎的底流消能方式；由于導(dǎo)流洞進(jìn)口處河道狹窄，無法采用岸塔式進(jìn)水口，導(dǎo)流洞閘門采用洞內(nèi)豎井式，閘門井布置在大壩帷幕線上游，閘門井底板高程3 088.5 m，閘門進(jìn)口按兩孔過流設(shè)計，斷面形式為2×16 m×6.5 m(高×寬)的矩形斷面。導(dǎo)流洞斷面型式為“城門洞”型，斷面尺寸13 m×16 m(寬×高)，洞內(nèi)流態(tài)按有壓洞設(shè)計，出口按非淹沒設(shè)計，隧洞過常遇流量時為明流，相應(yīng)流態(tài)為陡坡急流。根據(jù)水工模型的流態(tài)、流速分部和對下游圍堰及下游河道沖刷的試驗(yàn)情況，修正導(dǎo)流洞縱坡，設(shè)置兩個縱坡，分別為閘門前縱坡i=3.774‰，閘門后縱坡i=8.305‰。

2.4.2上游圍堰設(shè)計

根據(jù)上游圍堰20年一遇洪水對應(yīng)水位3 133.43 m，加上安全超高及風(fēng)浪壅高，圍堰堰頂高程取3 135 m，圍堰建基面高程為3 082.0 m，最大圍堰高度53 m。圍堰河床覆蓋層地質(zhì)條件為級配較差，透水性較高的砂卵礫石層，易發(fā)生管涌型滲透破壞，且考慮堰前水頭較高，因此采用混凝土防滲墻可有效保護(hù)圍堰滲透破壞。圍堰防滲墻平臺高程選取考慮該地區(qū)11月～2月氣溫較低，對混凝土防滲墻施工不利，防滲墻施工安排在次年3月～5月份進(jìn)行，防滲墻施工平臺高程按該時段20年一遇洪水流量對應(yīng)的高程，并考慮防滲穩(wěn)定性及安全超高，取平臺高程為3 125 m，防滲墻頂高程以上至圍堰堰頂防滲型式采用粘土防滲。根據(jù)圍堰三維滲流穩(wěn)定計算，圍堰上下游邊坡坡比均為1∶2，采用1 m厚的干砌石對圍堰迎水面邊坡進(jìn)行防護(hù)。堰頂寬度根據(jù)交通及防汛要求設(shè)計為20 m。

2.4.3下游圍堰設(shè)計

下游圍堰布置于大壩下游坡腳176 m～188 m處，電站尾水出口下游側(cè)，距導(dǎo)流洞出口50 m，根據(jù)水工模型試驗(yàn)，避開了出口回水區(qū)，避免出口水流淘刷。

根據(jù)導(dǎo)流洞出口20年一遇洪水回水位3 088.0 m，以及安全超高與風(fēng)浪爬高，下游圍堰堰頂高程取3 090.0 m。圍堰迎水面采用塊石進(jìn)行坡面防護(hù)，坡比取1∶1.75，圍堰背水面坡比1∶1.5。圍堰左岸端頭與導(dǎo)流洞導(dǎo)墻相接，右岸端頭抵入巖石邊坡，為適應(yīng)兩岸銜接方式，采取烏卡斯全混凝土防滲墻防滲。

2.4.4導(dǎo)流洞施工支洞設(shè)計

本工程導(dǎo)流洞具有洞線較長、進(jìn)出口邊坡高陡、開挖斷面大、河谷狹窄、施工道路布置困難等特點(diǎn)。為滿足導(dǎo)流洞和圍堰施工要求，布置過壩交通洞和交通洞內(nèi)分岔形成0號、1號、2號、3號施工支洞和去閘室交通洞，過壩交通洞為導(dǎo)流建筑物施工主干線，溝通上下游圍堰，利用0號施工支洞進(jìn)行導(dǎo)流洞進(jìn)口施工，去閘室交通洞進(jìn)行閘室施工，其他施工支洞進(jìn)行導(dǎo)流洞分段施工，單個施工支洞最大控制隧洞長度約340 m。施工支洞是施工導(dǎo)流洞的主要道路，設(shè)計等級為水電三級，采用雙車道布置，支洞凈斷面尺寸設(shè)計為8.5 m×7 m城門洞(寬×高)。

3 結(jié)語

認(rèn)真做好施工導(dǎo)流設(shè)計比選，有利加快主體工程進(jìn)度，提高工程綜合效益，保證工程施工安全。某水電站施工導(dǎo)流采用隧洞導(dǎo)流、圍堰一次截斷河床的導(dǎo)流方式，為大中型高山峽谷寒冷地區(qū)水利樞紐導(dǎo)流設(shè)計提供參考。