沙千水庫施工導流規(guī)劃與導流建筑物設計

金宏洲

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002)

沙千水庫位于貴州省赤水市長沙鎮(zhèn)境內(nèi)沙千河上，水庫總庫容為642×104m3，正常蓄水位為452.00 m，死水位為425.50 m。水庫樞紐主要由擋水大壩、泄洪表孔、取水建筑物和放空兼沖沙建筑物等組成。水庫規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等。大壩為堆石混凝土拱壩，主要建筑物大壩、壩頂溢流表孔、取水兼放空建筑物級別為4級，導流建筑物為5級建筑物。由于沙千水庫壩址處河谷狹窄、兩岸山高坡陡，所屬沙千河屬典型山區(qū)雨源性河流，壩址以上流域面積較大，洪水來勢兇猛、峰高量大且匯流集中，加上河床部位壩體澆筑倉面較小，汛前澆筑量大且不具備分期導流布置場地條件[1-2]。因此，結(jié)合壩址兩岸的地形、地質(zhì)條件，研究優(yōu)選與工程實際相匹配的施工導流方案及各項技術(shù)措施，是確保水庫樞紐順利施工建設的技術(shù)關(guān)鍵[3]。

1 工程水文地質(zhì)條件

1.1 地形地質(zhì)條件

壩址處河谷為對稱性較好的“V”型斜向谷，河床平緩順直。兩岸以陡峻坡地為主，局部為陡坡或陡崖，綜合坡度48～52°，近壩沖溝不發(fā)育，山體整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。兩岸山體高出河床200 m以上，壩區(qū)出露巖層主要為砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等，巖層產(chǎn)狀為N35°～55°W/SW∠4°～6°，巖層總體傾上游偏左岸。壩址河床覆蓋有0.3～1.0 m沖洪積砂卵礫石及碎塊石，兩岸緩坡多為殘坡積粘土夾碎石及崩塌積塊石覆蓋。

1.2 水文氣象條件

水庫壩址處以上流域面積為55.6 km2，主河道長為13.3 km，多年平均徑流量為3 740×104m3。水庫所處沙千河流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L濕潤氣候區(qū)，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候溫和，四季分明，降水較豐沛。降雨多發(fā)生在5—10月，尤以5—7月最為集中。多年平均氣溫為18.0℃，多年平均降水量為1 228.7 mm，多年平均日照時數(shù)為1 145.2 h，平均相對濕度為83%，平均無霜期為354 d，多年平均風速為1.5 m/s。

2 施工導流規(guī)劃

沙千水庫為小(1)型水庫，擋水建筑物為堆石混凝土拱壩，最大壩高為66.0 m，壩頂長為190.4 m。根據(jù)《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》(SL 303—2017)相關(guān)指標確定，沙千水庫導流建筑物為5級建筑物，施工導流標準采用5年一遇(P=20%)的洪水標準[4]。沙千水庫第二和第三施工年度汛期之前可澆筑到412.00 m和458.00 m高程，相應攔洪庫容為9.06×104m3和642×104m3，兩個汛期攔洪庫容均小于1 000×104m3；臨時度汛洪水標準取10年一遇(P=10%)洪水，相應入庫洪峰流量Q10%=254.0 m3/s。水庫施工分期設計洪水成果如表1所示。

表1 沙千水庫大壩施工分期設計洪水成果

根據(jù)表1中4個時段的分期設計洪水分析成果，結(jié)合大壩汛前澆筑量較大、施工場地狹小等特點，應盡量延長枯季施工時間。11月—次年4月洪水流量與12月—次年4月相差較小，相比枯季施工期較長，與大壩汛前澆筑目標所需時間較長匹配。因此，沙千水庫施工導流時段優(yōu)選在11月—次年4月，相應5年一遇導流流量為Q=29.4 m3/s。

3 施工導流方案比較

壩址處為基本對稱的“V”型河谷結(jié)構(gòu)，枯水期河水面寬6～25 m，河水深0.2～1.5 m。由于壩址處河床非常狹窄，壩體澆筑倉面較小，根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)特點及堆石混凝土施工工藝要求，采用明渠導流不利于壩基開挖，施工干擾較大，影響壩體堆筑速度[5]。隧洞導流雖投資較高，但其作為峽谷地區(qū)首選的導流方式，其施工安全和施工干擾等方面均較明渠導流優(yōu)。結(jié)合沙千水庫壩址處河谷狹窄、地形條件不利于布置導流明渠等特點，設計優(yōu)選全段圍堰擋水+導流隧洞過水的導流方式[6]。導流隧洞有兩種方案：①改建左岸已有電站引水隧洞作為導流洞，②右岸新建導流隧洞。導流隧洞比選方案如圖1所示。

方案一：改建壩址左岸電站已有引水隧洞作為導流洞。引水隧洞總長為593 m，斷面約為b×h=1.5 m×3.0 m，隧洞進口高程為412.00 m，出口高程為408.00 m。經(jīng)復核計算，已成引水隧洞，其斷面尺寸無法滿足施工導流及度汛需求，需將隧洞進行全段拓

圖1 導流隧洞比選方案示意

寬改造或設置支洞并對隧洞進行局部拓寬。但由于已成引水隧洞高程較高，在壩址上游設置支洞連接已成引水隧洞時，上游圍堰需高達15 m，上游圍堰工程量巨大。因此，方案一采用全段拓寬改造引水隧洞較為經(jīng)濟合理，設置上游圍堰并對隧洞出口明渠進行拓寬處理。

方案二：在河床右岸新建導流隧洞，總長為295 m，并設置上下游圍堰。

經(jīng)分析，兩種方案均能滿足施工導流及度汛要求，但改造擴挖已成隧洞工程投資為837.2萬元，較新建隧洞方案753.7萬元高83.5萬元，且隧洞較長(長為593 m)，拓寬改造難度大、施工工期相對較長。另外，沙千水庫樞紐上壩公路布置在左岸，左岸改造已成隧洞施工過程中，會嚴重影響進場公路及庫區(qū)出行的交通需求。新建導流隧洞施工復雜度略低、綜合造價經(jīng)濟效益較高，且相對工期較短，對工程成本和進度控制有利。因此，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟等方面綜合比選后，優(yōu)選全段圍堰擋水+右岸新建導流隧洞的導流方式。

4 導流方式及程序

沙千水庫堆石混凝土拱壩其汛前主體工程澆筑量大，且水庫壩址處河谷狹窄、所屬沙千河流域洪水來勢兇猛，不適宜采用明渠導流或分期導流方式。根據(jù)擬定的導流方案，結(jié)合施工進度安排。大壩施工導流方式如表2所示。

表2 水庫樞紐施工分期導流方式(汛期Q10%=254 m3/s，枯期Q20%=29.4 m3/s)

5 施工導流建筑物設計

5.1 導流隧洞

圖2 導流隧洞平面布置示意

隧洞洞身段頂拱，根據(jù)開挖地質(zhì)情況掛網(wǎng)噴C20混凝土(厚為10 cm)，設置隨機錨桿，并在隧洞進、出口20 m范圍以及地質(zhì)較差洞段設置I14型鋼支撐，間距為0.75 m。導流隧洞進口段、出口段、封堵段以及不良地質(zhì)段(Ⅳ、Ⅴ類圍巖)采用0.4m厚C25鋼筋混凝土襯砌，并在頂拱范圍內(nèi)回填灌漿。其余圍巖較為穩(wěn)定洞段采用掛網(wǎng)噴混凝土方式支護。進出口引渠底板及側(cè)墻采用C20混凝土襯砌，厚為30 cm；土質(zhì)邊坡段側(cè)墻澆筑C20混凝土擋墻，墻底厚為1.0 m。

5.2 圍堰設計

根據(jù)選用的導流方案和大壩施工進度安排，擬采用攔蓄枯季導流時段5年一遇洪水的上、下游不過水圍堰。經(jīng)分析比較，上、下游圍堰均采用土工布防滲土石圍堰。

1) 上游圍堰

上游圍堰堰腳距大壩上游開挖邊界約26 m，堰前水位取導流隧洞宣泄Q=29.8 m3/s(P=20%，11—4月)時的上游水位為406.58 m。堰頂高程取408.00 m，最大堰高為6.5 m。堰頂寬取6.0 m，堰頂長為60.0 m，上下游坡比均為1:1.5。圍堰基礎清挖至強風化層后，堰體迎水面采用砂墊層整平后鋪設土工布防滲，并采用0.6 m寬的均質(zhì)土裝編織袋護坡，圍堰填筑完畢，進行充填灌漿。

2) 下游圍堰

下游圍堰堰腳距大壩下游開挖邊界約36 m，堰前水位取導流隧洞宣泄Q=29.8 m3/s(P=20%，11—4月)時的下游水位為396.80 m，堰頂高程取398.00 m，最大堰高為3.0 m。堰頂寬取4.5 m，堰頂長為25.0 m，上下游坡比均為1:1.5。堰體迎水面鋪設土工布防滲，采用均質(zhì)土裝編織袋護坡。堰體利用壩基開挖土石渣填筑，因水庫壩址河段枯水期常年流量很小，堰基滲水量也較小，下游圍堰基礎不考慮防滲灌漿處理。

5.3 施工度汛

沙千水庫為小(1)型水庫，最大壩高為66.0 m。由于大壩為堆石混凝土拱壩，施工度汛洪水標準取10年一遇(P=10%)洪水，相應入庫洪峰流量Q10%=254.0 m3/s。壩址河床較窄，堆石料運輸入倉強度較小，經(jīng)對澆筑強度估算，大壩在第1個枯季4個月內(nèi)全壩段可澆筑至410.00 m高程(高于壩址段河床約10 m)，澆筑混凝土量約為3.75萬m3。若只由右岸導流隧洞泄洪度汛，則導流隧洞斷面較大，投資較高，因此，須在壩面預留缺口參與度汛分流。根據(jù)施工進度計劃，沙千水庫第2施工年度汛期之前全壩段澆筑至408.00 m高程(高于壩址段河床約8 m)，兩側(cè)壩段澆筑至412.00 m高程，在溢流壩段預留寬30 m缺口，深為4.0 m，以滿足安全度汛要求。

6 結(jié)語

充分研究大壩樞紐布置、堆石混凝土拱壩施工工藝特點，對施工導流和度汛方案進行了詳細對比分析和論證，得到如下結(jié)論：

1) 從技術(shù)、經(jīng)濟等方面，對改建已成隧洞和新建導流隧洞方案進行對比論證，表明：新建導流隧洞+上下游圍堰一次性攔斷河床的導流方案，能有效解決壩址區(qū)河床狹窄、施工場地布置緊張問題，施工安全性高、干擾小，滿足導流及度汛要求，且有利于工程成本、工期等控制。

2) 選擇11月—次年4月的導流時段，洪水流量Q=29.8 m3/s，盡量延長枯季施工時間，相對導流流量差異不大，有效兼顧了大壩澆筑時間及度汛安全。

3) 汛期采用大壩斷面缺口+導流隧洞聯(lián)合泄洪方案，通過分流泄洪既不影響大壩整體澆筑，同時也縮小了導流隧洞尺寸，工程投資經(jīng)濟效益得到較大提高。