高陂水利樞紐工程施工導流方案設計

姚禮敏

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635)

1 工程概況

韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省大埔縣境內的韓江干流、高陂鎮上游約6 km處，是以防洪、供水為主，兼顧發電、航運等綜合利用的大型水利工程，工程等級為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。樞紐由右岸發電廠房、魚道、排漂孔、河中18孔泄水閘、左岸船閘、左、右岸混凝土重力壩及變電站等組成。電站裝機4臺，總裝機容量為100 MW，主廠房尺寸為123.0 m×27.0 m(長×寬)；船閘閘室尺寸為200 m×18 m×3.05 m (長×寬×門檻上最小水深)；泄水閘每孔凈寬為14 m，泄流總凈寬為252 m；魚道緊靠廠房，凈寬為2 m；排漂孔緊靠魚道，凈寬為14 m[1-2]。

本工程主體主要工程量：土石方開挖為736萬m3、土石方回填為278萬m3、混凝土為133萬m3(其中常態混凝土為102萬m3，碾壓砼及變態砼為31萬m3)。

壩址以上集雨面積為26 590 km2。韓江流域屬亞熱帶季風氣候，受海洋性東南亞熱帶風暴影響很大，洪水主要由暴雨產生，4—6月多為鋒面雨，7—9月多為臺風雨。

三河壩水文站位于韓江干流上游大埔縣三河壩附近，距高陂壩址 28.2 km，是距高陂壩址最近的水文測站，但三河壩站在1966年以前為水文站，以后改為水位站。潮安水文站距三河壩水位站106 km，是距壩址較近的水文站。根據潮安氣象站資料統計：多年平均氣溫為21.4℃，1月平均氣溫為13.2℃，最低氣溫為-0.5℃，7月平均氣溫為28.4℃，最高氣溫為39.6℃；多年平均風速為2.0 m/s，多年平均最大風速為15.6 m/s，最大風速為22 m/s，約9級，相應風向為西北；多年平均相對濕度為81%[3]。

壩址多年平均徑流量為710.5 m3/s，不同頻率不同時段的洪峰流量值見表1。

表1 韓江高陂水利樞紐施工洪水(天然河床) m3/s

壩址處河床寬約360 m，左壩頭與北西走向的小條形山體相接，高程為100～110 m，小條形山往南東與雄厚山體相連。坡積土很薄(小于0.5 m)，風化土約10 m厚。右壩頭與98 m高程的小山體相接，西側與雄厚山體相連，兩者之間為鞍部，高程約91 m。山坡坡角約30°，坡積土很薄，山坡被厚2～4 m的風化土覆蓋。壩軸線河谷地形呈平寬的“U”字型[4]。

壩址基巖巖性為燕山三期(γ52(3))黑云中粗粒母花崗巖，兩岸坡積土一般很薄，厚度為0.2～1.0 m。河床分布沖積砂層，上部為淺黃色含礫粗砂，下部為含卵石粗砂，厚度為9.0～19.0 m。沖積階地上部分布淺灰、褐黃色粉質黏土、黏土，厚度為10～16 m，下部分布粗砂或含卵石粗砂，厚度約15 m。

韓江為內河5級航道，據調查，經過高陂河段年貨運量約為196萬t(不含運砂)，施工期間不允許斷航。

2 施工導流

2.1 導流標準

本工程屬Ⅱ等工程，主要建筑物級別為2級。根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2004)[5]的規定，本工程導流建筑物的級別為4級，相應土石導流建筑物的洪水重現期為20～10 a，混凝土導流建筑物的洪水重現期為10～5 a。選擇10年一遇洪水作為本工程施工導流設計洪水標準。

2.2 導流方案

本工程施工洪水峰高量大，同時壩址兩岸的山頭都比較高。壩址處河床寬約360 m，左、右岸均有高程較低的一級階地，宜采用分期導流[1]。根據本工程的樞紐布置特點及地形、地質和水文等條件及通航要求，本工程首先對先圍船閘和先圍電站廠房2個導流方案進行了比較，先圍電站廠房方案雖然可提前發電，但由于本工程電站裝機容量不大，提前發電收益不大；2期施工時航道中斷，貨物過壩轉運也會增加費用，兩者相抵后經濟效益不明顯，同時結合地方政府的意見，選定先圍船閘的施工導流方案，然后在此基礎上比較了2期2段全年圍堰方案、2期4段 (1、3段全年圍堰，2、4段枯水期圍堰擋水、汛期圍堰過水)方案及2期2段過水圍堰方案。

1)方案1:兩期2段全年圍堰方案

① 導流程序

1期圍左岸重力壩、船閘及相連的11.5孔泄水閘，2期圍右岸重力壩、廠房、排漂孔及剩余的7.5孔泄水閘，施工總工期為66個月。

1期導流(第2年3月—第3年8月，共18個月)：在第1年12月底完成右岸河床的擴挖及防護，具備導流條件，第2年1月底前在小圍堰的保護下建好1期混凝土縱向圍堰，第2年1月初開始修筑1期橫向圍堰，2月底形成1期基坑，由擴挖后的右岸河床泄流(擴挖后河床復合斷面的底寬為170 m)；第3年8月底完成船閘、11.5孔泄水閘所有混凝土澆筑并完成閘門安裝，澆筑、閘門安裝并完成2期導流用的混凝土縱向圍堰；第3年9月初開始拆除1期圍堰。

1期導流期間，利用擴挖后的右岸河床通航，第3年11月底船閘開始通航。

2期導流(第4年3月—第5年6月，共16個月)：第3年10月初開始修建2期上、下游橫向圍堰(2期縱向混凝土圍堰在1期圍堰拆除前建好)，第4年2月底形成一期基坑，圍護右岸廠房、排漂孔、魚道及剩余的7.5孔泄水閘基坑施工，由已建的左側10孔泄水閘泄流；第5年6月底前完成廠房混凝土澆筑并完成進水口、尾水出口閘門安裝，第5年6底前完成泄水閘所有混凝土澆筑及閘門安裝。第5年7月初開始拆除2期圍堰，廠房在進、出水閘門的保護下進行機組安裝，第6年1月初第1臺機組發電。

2期導流期間，利用1期已建成的船閘通航。

② 導流時段及導流流量

導流標準采用10年一遇全年洪水，流量為11 130 m3/s。2期2段全年擋水圍堰方案施工導流特性見表2。

表2 施工導流特性

2)方案2：2期4段方案(1、3段全年圍堰，2、4段枯水期圍堰擋水、汛期圍堰過水)

① 導流程序

2期4段導流為1期1段圍左岸重力壩+船閘+相鄰的3.5孔泄水閘，1期2段圍左岸重力壩+船閘+相鄰的10.5孔泄水閘；2期1段圍右岸重力壩+廠房，2期2段圍右岸重力壩+廠房+魚道+排漂孔+剩余的7.5孔泄水閘。施工總工期為66個月。

1期1段導流(第2年1—9月，共9個月)：在第1年5月底完成右岸河床的擴挖，具備導流條件，第1年9月中開始修筑1期全年圍堰，第2年1月形成1期基坑并完成1期2段圍堰基礎防滲墻施工，由擴挖后的右岸河床泄流(擴挖后河床斷面的底寬約240 m)；第2年1月進行泄水閘土石方開挖，第2年3月開始泄水閘混凝土澆筑，第2年2月開始船閘混凝土澆筑，第2年9月中旬開始拆除1期縱向圍堰。

1期1段導流期間，利用擴挖后寬約207～240 m的右岸河床通航。

1期2段導流(第2年11月—第3年9月，共11個月)：在第2年10月1期2段縱向圍堰合龍閉氣(過水圍堰)，形成2期基坑，由束窄的右側河床泄流(束窄后河床斷面的底寬約150 m)；繼續1期基坑后續施工及新增7孔泄水閘施工，第3年3月底前完成船閘閘門安裝；第3年8月底前完成基坑內所有混凝土澆筑及金屬結構和部分啟閉設備安裝；建成4段導流用的混凝土縱向圍堰，該圍堰利用1期1段縱向圍堰砼防滲墻防滲；第3年10月初開始拆除1期2段圍堰。

1期2段導流期間，利用束窄后寬約140 m的右岸河床通航，第3年11月中旬船閘具備通航條件。

2期1段導流(第4年2—9月，共8個月)：第3年11月初開始修建2期1段全年上、下游橫向圍堰，縱向土石圍堰在1期2段縱向土石圍堰的基礎上加高培厚，圍護廠房及右岸重力壩，由已建的左側10孔泄水閘及寬約42 m的河床泄流。第4年5月中開始廠房基礎混凝土澆筑，第4年9月初開始拆除2期1段縱向圍堰，廠房在2期2段圍堰保護下繼續施工。此期間利用1期已建成的船閘通航。

2期2段導流(第4年11月—第5年11月，共13個月)：第4年9月中旬開始修建2期2段上、下游橫向圍堰(2期2段縱向混凝土圍堰在1期2段圍堰拆除前建好)，圍護2期1段基坑剩余工程、排漂孔、魚道及剩余的7.5孔泄水閘基坑施工，由已建的左側9孔泄水閘泄流；第5年4月底前完成廠房混凝土澆筑并完成進水口、尾水出口閘門安裝，第5年11月中旬完成基坑內泄水閘所有混凝土澆筑及金屬結構安裝，第5年1月初開始電站機組安裝。第5年12月初開始拆除2期2段圍堰，廠房在進、出水閘門的保護下繼續進行機組安裝，第6年2月初第1臺機組發電。

2期2段導流期間，利用1期已建成的船閘通航。

② 導流時段及導流流量

1期1段及2期1段導流標準采用10年一遇全年洪水，流量為11 130 m3/s；由于1期2段及2期2段基坑范圍內新建項目工程量相對較小，枯水期可施工至河床面高程以上，過水對基坑工程影響小，且均只經歷1個汛期，過水機率較小，因此，圍堰擋水標準采用10年一遇10—4月洪水，流量為6 560 m3/s，過水時的設計洪水標準采用10年一遇洪水，相應流量為11 130 m3/s。

傳統授課模式下，理論知識和實踐操作的講授形成了兩個各自獨立的部分，主要表現為：一是理論知識和實踐操作分開講授，通常是先講理論性內容，然后再安排相關的實踐性內容；二是授課教師各自為政，理論性內容和實踐性內容分別由不同教師擔任授課任務；三是授課地點不同，通常理論性內容在教室完成，實踐操作內容在實訓室或企業完成。

③ 汛期工期分析

由于1期2段和2期2段采用過水圍堰且汛期考慮施工，因此，對汛期工期計算的合理性及工期的保證性進一步分析。1954—2010年歷史上發生大于(包含)10年一遇洪水年份洪峰流量大于擋水流量(10年一遇10—4月洪水，Q=6 560 m3/s)的次數為4次，年平均過水次數為0.68次。典型年洪水歷時4 d，考慮洪水發生前人員、設備撤場及洪水過后恢復生產的時間，對工程施工影響約30 d。

2期4段全年擋水圍堰方案施工導流特性見表3。

3)方案3：兩期2段過水圍堰方案

① 導流程序

1期圍左岸重力壩、船閘及相連的11.5孔泄水閘，2期圍右岸重力壩、廠房、排漂孔及余下的7.5孔泄水閘，施工總工期為66個月。其程序為：

1期導流(第2年1月—第3年5月，共17個月)：在第1年10月中完成右岸河床的擴挖及防護，具備導流條件，第1年10月中開始修筑1期橫向圍堰，12月底形成1期基坑，由擴挖后的右岸河床泄流(擴挖后河床復合斷面的底寬為140 m)；第3年5月底完成船閘所有混凝土澆筑并完成閘門安裝，第3年3月底前完成泄水閘所有混凝土澆筑、閘門安裝及建成2期導流用的混凝土縱向圍堰；第3年6月初開始拆除1期圍堰。

表3 施工導流特性

1期導流期間，利用擴挖后的右岸河床通航，第3年8月底船閘具備通航條件。

2期導流(第3年12月中—第5年6月，共18.5個月)：第3年9月中旬開始修建2期上、下游橫向圍堰(2期縱向混凝土圍堰在1期圍堰拆除前建好)，第3年12月中形成1期基坑，圍護右岸廠房、排漂孔、魚道及剩余的7.5孔泄水閘基坑施工，由已建的左側10孔泄水閘泄流；第5年2月初開始機組安裝，第5年6月底前完成廠房混凝土澆筑并完成進水口、尾水出口閘門安裝，第5年4月底前完成泄水閘所有混凝土澆筑及閘門安裝。第5年7月初開始拆除2期圍堰，廠房在進、出水閘門的保護下繼續進行機組安裝，第6年1月初第1臺機組發電。

②導流時段及導流流量

1、2期圍堰擋水標準采用10年一遇10—4月洪水，流量Q=6 560 m3/s，過水時的設計洪水標準采用10年一遇洪水，相應流量Q=11 130 m3/s。

2.3 導流方案選擇

1)本工程壩址處河床砂礫石覆蓋層厚近20 m，為深厚易沖河床，全年10年、20年一遇洪水流量分別為11 130 m3/s、12 930 m3/s，流量較大；壩址處河床偏窄，寬約360 m。流量大、河道窄、易沖河床是本工程施工導流的特點。方案1即兩期2段全年圍堰導流方案雖然導流程序較簡單，但縱向圍堰上游轉角處流速達8.25 m/s，遠超國內其它工程[7]，堰腳防護難度極大，存在較大的安全隱患。

方案1:1期混凝土縱向圍堰位于砂礫石基礎上，臨近深約20 m的砂礫石開挖邊坡坡頂，雖然采用了CFG樁進行地基處理，在邊坡雨水沖刷，防滲墻滲漏水流等的淘刷下仍存在傾覆的可能，存在較大的安全隱患。

2)本工程正常蓄水位為38.0 m，永久拆遷線為39.0 m，方案1導流期間最高水位為40.7 m，方案2導流期間最高水位為39.5 m，與方案1相比方案2臨時淹沒人口少約800多人[8]，因此，在施工期間方案2對壩址上游兩岸村民影響較小，降低了社會穩定風險。

水利工程實施階段常受移民征地進度滯后影響而拖延工期，由于水利工程施工季節性強，與方案1相比，兩期4段方案每段工程量相對較小，汛前完成圍堰施工的保證率更高，因而方案2能更好地適應外部條件變化。而方案1中1期1段圍堰工程量更大，過流斷面更小，在汛期來臨前完成圍堰施工的難度極大，如圍堰未施工完成又遭遇汛期洪水，圍堰存在被沖毀的可能，不但工程將遭受重大損失，工期也可能將延長1 a。

3)方案3即兩期2段過水圍堰方案，由于基坑工程量較大，兩期基坑均要經歷兩個汛期，過水的機率比方案2增加1倍，可能對施工總工期有較大的影響。并且當截流時間延后的情況下，可能基坑剛挖出來即面臨過水的風險，造成邊坡垮塌，甚至基坑被過水后泥沙填滿，給工程造成較大損失。

根據以上分析，方案2即兩期4段導流方案具有導流流速較小，導流工程風險較小，臨時淹沒較少，每段圍堰工程量較小，汛前完成圍堰施工的保證率更高、施工總工期有保證等優點，因此，推薦方案2為本工程施工導流方案。

方案2導流平面布置見圖1～2。

圖1 1期1段、2段施工導流布置示意

注：1.在1期2段縱向圍堰基礎上加高培厚形成2期1段縱向圍堰 2.2期2段砼縱向圍堰利用1期1段縱向圍堰砼防滲墻防滲

2.4 導流建筑物布置及形式

根據主體建筑物的布置特點及地形、地質條件、束窄河床后的導流條件等進行導流建筑物布置。

1)1期右岸擴挖及河床防護措施

為滿足1期導流過水斷面的需要，需對右岸進行擴挖，1期1段導流流量為11 130 m3/s時，右岸河床的平均流速為3.5 m/s，縱向圍堰上游轉角處最大流速為4.9 m/s，1期2段導流流量為6 560 m3/s時，右岸河床的平均流速為3.7 m/s，縱向圍堰上游轉角處最大流速為5.5 m/s。為滿足縱向圍堰和河床抗沖的要求，采用混凝土柔性排(4 m×4 m，厚1.2 m)和厚0.7 m擴張金屬網箱及鋼筋籠對縱向圍堰堰腳外側30 m范圍進行防護，下設石渣墊層和土工布反濾。

2)圍堰形式

根據主體建筑物的布置特點及地形、地質條件，為充分利用當地材料和開挖棄渣，降低導流費用，除2期2段縱向圍堰外，其他1、2期圍堰均采用土石圍堰，堰體部分采用粘土心墻防滲[9]。1期1段、2期1段為全年擋水圍堰，土石圍堰頂寬均為6 m，上、下游圍堰30 m高程以上迎水坡為1:2.5、背水坡為1:2.0，30 m高程以下上、下游兩側為戧堤及堆石棱體，迎水坡為1:1.5、背水坡為 1:1.5。

1期2段及2期2段為過水圍堰，上游圍堰溢流堰頂高程為35.0 m，上設高分別為2.85 m和2.3 m自潰式子堰，子堰頂寬為6.0 m。圍堰30 m高程以上迎水坡為1:2.5、背水坡為1:2.0，30 m高程以下上、下游兩側為戧堤及堆石棱體，迎水坡為1:1.5、背水坡為1:1.5。上游圍堰上游側34.0 m高程以上坡面、堰頂及下游側坡面采用厚600 mm混凝土護坡，上游圍堰上游側34.0 m高程以下坡面采用厚600 mm拋石護坡；下游圍堰背水側33.0 m高程以上坡面、迎水側及堰頂采用厚600 mm混凝土護坡，下游圍堰背水側33.0 m高程以下坡面采用厚600 mm拋石護坡；縱向圍堰兩側邊坡采用厚600 mm鋼筋籠或塊石外覆鋼筋網護坡。

由于壩址處的河床較窄，并根據水工建筑物布置特點，2期2段縱向圍堰可以在干地上施工，為最大限度增加導流過水斷面，同時避免圍堰對已建水工建筑物造成不均勻沉降變形，2期2段縱向圍堰采用懸臂式混凝土圍堰，圍堰最大高度約20 m，底板與永久結構相結合。這種圍堰結構形式筆者曾在潮州供水樞紐工程采用，效果良好[10]。

3)圍堰基礎防滲措施

除2期2段縱向圍堰外，1、2期其他圍堰均在水中拋投修建，且河床砂卵礫石覆蓋層厚(10～20 m)，故采用混凝土防滲墻(厚為600 mm)作為土石圍堰水中拋填堰體部分及堰基基礎的防滲結構；2期2段縱向圍堰基礎防滲在1期基坑內完成，亦采用混凝土防滲墻(厚為600 mm)。

4)縱向圍堰基礎處理

由于河床砂卵礫石覆蓋層厚(10～20 m)且上層松散，2期2段砼縱向圍堰基礎最大應力較大，采用CFG樁[11]對2期2段縱向混凝土圍堰基礎8～10 m深度范圍進行加固處理，樁間排距為2.5 m×2.8 m，梅花形布置。

5)圍堰的防沖刷措施

1、2期橫向土石圍堰迎水面采用拋石護坡[12](厚為0.6 m)，坡腳則采用拋塊石防護(厚為1.0 m)，1、2期縱向土石圍堰迎水面采用鋼筋籠護坡(厚為0.6 m)。

3 結語

1)2期4段方案汛期過流斷面較寬，上、下游水位差和導流流速較小，降低了工程風險，同時上游水位較低，減少了上游淹沒損失，也即降低了社會風險。

2)本工程原計劃2016年10月初填筑1期1段圍堰，因征地進度滯后，實際開始填筑時間已經到了12月，由于兩期4段方案中1期1段圍堰工程量較小，經過緊張的施工，汛前完成了圍堰填筑及護面工作，滿足了施工期度汛要求。

3)雖然兩期4段方案比兩期2段方案導流程序上稍復雜，但2段縱向圍堰混凝土防滲墻均在2期重復使用，2期圍堰土石方填筑料大部分利用1期縱向圍堰拆除料，同時由于導流流速較小，圍堰防沖結構簡單；各期基坑內砼施工強度較小且較均衡，因而工程投資基本不增加。