清水河水庫擴建工程施工導(dǎo)流及度汛探究

司禮山

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563100)

1 工程概況

清水河水庫位于播州區(qū)尚嵇鎮(zhèn)清水村，橫跨在烏江兩個一級支流之上，分別為魚塘河支流和清水河支流。水庫壩址距離遵義主城區(qū)63.0 km，與播州區(qū)城區(qū)間隔43.0 km，與尚嵇集鎮(zhèn)間隔8.0 km。該壩址上游流域面積總計82.6 km2，占全流域面積的58.8%，主河道長21.1 km，主河道加權(quán)平均坡降4.0‰，流域形狀系數(shù)0.186，流域幾何特征參數(shù)43.3，壩址上游流域多年平均徑流量可達3110萬m3。大壩左岸為溢洪道，包括引泄槽段、溢流段，水渠和消力池段，總長340.0 m。溢流堰為WES實用堰，堰頂高程886.0 m，溢流堰凈寬18.0 m，共3孔，單孔寬6.0 m，設(shè)3扇6 m×4 m(b×h)弧形工作閘門，消力池寬14.0 m，深3.3 m，池長40.0 m，池底高程858.7 m[1]。

以清水河水庫壩址為界限，上游流域暴雨量豐富，屬于一般暴雨區(qū)，5月入汛，10月結(jié)束，暴雨集中在5—8月。該流域的洪水主要來源于暴雨，峰高路險，地勢陡峭，地貌千差萬別，導(dǎo)致了該區(qū)域流水集中匯集，洶涌猛烈[1]。但洪水大多集中在24 h內(nèi)高發(fā)，歷時短，來得迅速，去得也快，洪水姿態(tài)多呈現(xiàn)山峰型。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，洪水量級較大時段主要集中在5—10月，其中以6—8月最為突出。清水河水庫大壩下游水位流量情況見圖1。

圖1 清水河水庫大壩下游水位流量

2 工程施工導(dǎo)流

2.1 施工分期洪水

結(jié)合清水河水庫工程設(shè)計流域洪水特性，根據(jù)該工程的實際施工要求和有關(guān)規(guī)范，擬定10月—次年4月、11 月—次年 4 月、11月—次年3 月、12月—次年4月及12 月—次年3月 5 個分期時段進行分期洪水計算，壩址處分期設(shè)計洪水成果見表1，總設(shè)計洪水成果見表2。

表1 清水河水庫壩址分期設(shè)計洪水成果 m3·s-1

表2 總設(shè)計洪水成果

2.2 導(dǎo)流標準

清水河水庫擴建后為中型水庫，擴建后最大壩高30.6 m，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物大壩、溢洪道等為3級建筑物。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》(SL 303—2017)，判斷導(dǎo)流建筑物為5級建筑物。結(jié)合現(xiàn)有水庫樞紐布置及水文條件，導(dǎo)流標準取5 a一遇洪水(P=20%)。

2.3 導(dǎo)流時段及流量

根據(jù)工程施工進度計劃和大壩填筑強度測算[2]，枯季5個月內(nèi)水庫大壩臨時擋水斷面可填筑到883.00 m高程以上，本工程枯季導(dǎo)流時段取10月—次年4月及11月—次年4月均滿足要求，11月—次年4月洪峰流量相對較小，水庫大壩施工導(dǎo)流時段選用枯季的11月—次年4月，相應(yīng)5 a一遇(P=20%)洪峰流量Q=38.9 m3/s。

2.4 導(dǎo)流方式

清水河水庫現(xiàn)有大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高22.55 m，壩頂高程884.30～884.38 m，壩頂寬9.30 m，壩頂長171.00 m。河右岸布置溢洪道，溢流堰頂高程880.20 m，屬于岸邊開敞式正槽溢洪道，溢流凈寬24.00 m，溢洪道總長210.20 m。左壩段布置放水低涵，低涵長110.00 m，進口中心高程868.80 m，結(jié)構(gòu)型式為φ800鋼筋混凝土管。放水高涵位于左壩段，高涵長60.00 m，進口中心高程877.10 m，高涵洞身結(jié)構(gòu)型式為砌石拱涵，結(jié)構(gòu)尺寸為b×h=1.8 m×2.6 m。本工程大壩加高部分為黏土均質(zhì)壩，壩頂高程892.50 m，最大壩高30.60 m。取水(兼放空)隧洞修建在大壩右側(cè)，洞長216.20 m。大壩在枯季11月—次年4月施工時段的5 a一遇洪峰流量為38.9 m3/s，根據(jù)現(xiàn)狀及擴建工程樞紐布置情況，可利用現(xiàn)有大壩放水高涵、低涵及新建取水(兼放空)隧洞導(dǎo)流，考慮擴建過程中需對高涵、低涵進行處理，本工程采用現(xiàn)有大壩擋水+取水(兼放空)隧洞過水的導(dǎo)流方式[3]。

2.5 度汛要求

2.5.1 度汛標準

水庫大壩臨時擋水斷面砌筑到883.00 m高程時，攔洪庫容377萬m3<1000萬m3，度汛洪水標準取相應(yīng)洪水重現(xiàn)期的下限。根據(jù)規(guī)范SL 303—2017，本水庫大壩施工期的臨時度汛洪水標準取20 a一遇(P=5%)洪水，相應(yīng)的入庫洪峰流量281 m3/s。

2.5.2 度汛方式

通過對清水河水庫樞紐的綜合分析，得到以下兩種度汛組合：大壩臨時斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪和現(xiàn)有溢洪道泄洪。如采用現(xiàn)有溢洪道泄洪，汛期需保留現(xiàn)狀溢洪道面貌，不利于工程施工進展。根據(jù)工程施工進度計劃，本水庫大壩在枯季5個月內(nèi)臨時擋水斷面可填筑到883.00 m高程。本工程大壩施工期度汛，初步擬定采用大壩臨時斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪的度汛方案。

導(dǎo)流隧洞進口底板高程870.60 m，斷面尺寸為3.0 m×4.0 m，經(jīng)調(diào)洪計算，在壩前水位達到882.56 m時，相應(yīng)入庫洪峰流量281 m3/s(P=5%)對應(yīng)的庫水位不再上漲，下泄洪水流量83.6 m3/s，導(dǎo)流隧洞洞內(nèi)過水流速7.44 m/s。設(shè)計壩前度汛水位取882.56 m，相應(yīng)攔洪庫容377萬m3。大壩施工度汛洪水分流設(shè)計成果見表3。

表3 度汛洪水分流設(shè)計計算成果

清水河水庫現(xiàn)有大壩壩頂高程884.30～884.38 m，溢洪道堰頂高程880.20 m，溢流凈寬24 m，現(xiàn)狀壩頂高程高于度汛水位882.56 m，汛前只需對溢洪道缺口進行填筑即可。溢洪道缺口填筑量約0.8萬m3，根據(jù)施工進度計劃及安排，大壩月填筑強度約2.3萬m3，若第二施工年度3月開始壩體填筑，3月中旬大壩臨時擋水斷面可砌筑到883.00 m高程，大壩施工面貌能夠滿足度汛標準要求。

3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計

根據(jù)選擇的導(dǎo)流方式——現(xiàn)有大壩擋水+取水(兼放空)隧洞過水，本工程導(dǎo)流建筑物有導(dǎo)流隧洞和擋水圍堰。

3.1 導(dǎo)流隧洞

3.1.1 隧洞布置

本工程可利用大壩右岸取水(兼放空)隧洞兼作導(dǎo)流隧洞使用，導(dǎo)流隧洞軸線呈“︹ ”型，軸線總長416.50 m，進口軸線方向NE85.16°，出口軸線方向NE6.86°，第一個轉(zhuǎn)彎段樁號導(dǎo)0+149.32～導(dǎo)0+170.32，轉(zhuǎn)角40.11°，轉(zhuǎn)彎半徑30 m；第二個轉(zhuǎn)彎段樁號導(dǎo)0+337.33～0+357.33，轉(zhuǎn)角38.20°，轉(zhuǎn)彎半徑30 m。

3.1.2 導(dǎo)流隧洞計算及斷面設(shè)計

(1)導(dǎo)流隧洞計算。導(dǎo)流標準：P=20%，導(dǎo)流時段選用11月—次年4月，相應(yīng)5 a一遇的導(dǎo)流流量Q=38.9 m3/s。度汛標準：P=5%，相應(yīng)20 a一遇的度汛流量Q=281 m3/s。隧洞斷面計算采用有壓流公式(1)進行試算：

(1)

式中：σ為淹沒系數(shù)；μ為流量系數(shù)；Z為上下游計算水位差，m；A為隧洞計算斷面面積，m2。經(jīng)水力學[3-4]試算，并結(jié)合汛前壩體填筑強度，導(dǎo)流隧洞斷面面積取11.0 m2。

(2)斷面設(shè)計。導(dǎo)流隧洞進口底板高程為進水口底板高程870.60 m，隧洞底坡0.71%，隧洞出口底板高程868.70 m。考慮大壩施工期度汛泄洪，斷面按導(dǎo)流時段為無壓隧洞，度汛時為有壓隧洞的型式設(shè)計。經(jīng)過流能力和水力學計算，隧洞凈高設(shè)計為4.00 m、底部凈寬為3.00 m，洞身段頂拱、側(cè)墻及底板均采用0.50 m厚C25鋼筋混凝土襯砌，對隧洞進出口及洞身不良地質(zhì)段，在開挖時先進行超前支護和0.10 m厚的C20混凝土噴錨，再采用0.50 m厚的C25鋼筋混凝土襯砌。

導(dǎo)流隧洞進口引渠長28.70 m，出口引渠長171.90 m，進出口引渠均采用側(cè)墻邊坡為1∶0.5的梯形斷面，引渠底寬3.00 m，側(cè)墻高2.50 m。進口引渠底板高程870.60 m，平底；出口引渠底板高程861.50 m，導(dǎo)0+244.56～導(dǎo)0+298.59段平底，導(dǎo)0+298.59～導(dǎo)0+416.50段底坡取i=5.68%。進出口引渠底板及側(cè)墻均采用0.30 m厚C20混凝土澆筑。

3.1.3 邊坡支護

由于導(dǎo)流隧洞進出口處地質(zhì)和巖石性質(zhì)具有特殊性，因此需對洞口邊坡做加固措施——噴錨處理。隧洞掛口以上邊坡采用錨桿錨固，錨桿按梅花形布置，間距3.00 m；錨筋直徑Ф25、長度4.50 m，錨固深度4.30 m。

3.2 擋水圍堰

根據(jù)選用的導(dǎo)流方式和大壩施工進度安排，本工程導(dǎo)流隧洞施工進口設(shè)臨時圍堰擋水，水庫樞紐施工初期設(shè)攔蓄枯季洪水的下游擋水圍堰。因下游河床覆蓋層較厚，建剛性圍堰堰體雖然工程量較小，但堰基開挖量大，本工程下游圍堰采用土石擋水圍堰堰型[5-9]。

3.2.1 導(dǎo)流洞進口圍堰

導(dǎo)流隧洞施工期間利用大壩低涵導(dǎo)流，枯水期遇5 a一遇Q=38.9 m3/s(P=20%，11月—次年4月)洪水時，最高庫水位為872.30 m，低涵下泄流量3.41 m3/s。圍堰距導(dǎo)流隧洞進口明渠約6.00 m，堰頂高程取873.00 m，最大堰高4.00 m，堰頂寬取1.00 m。經(jīng)布置，堰頂長約42.00 m，圍堰迎水面、背水面坡比均為1∶1，圍堰采用黏土編織袋堆筑。汛前應(yīng)拆除導(dǎo)流進口圍堰，閘門井及洞內(nèi)埋管施工在導(dǎo)流洞進口明渠設(shè)臨時黏土編織袋圍堰，堰頂高程取873.00 m。

3.2.2 下游圍堰

下游圍堰堰腳距大壩開挖邊界約106.00 m，堰前水位取導(dǎo)流隧洞泄洪38.9 m3/s(P=20%，11月—次年4月)時的下游河水位862.55 m，堰頂高程按堰前水位+波浪爬高+安全超高計算，堰頂高程取863.50 m，最大堰高3.50 m，堰頂寬取4.00 m。經(jīng)布置，堰頂長30.00 m，圍堰迎水面、背水面坡比均為1∶2。圍堰心墻設(shè)在堰體軸線處，墻頂高程863.00 m，墻頂厚2.00 m，墻底厚3.00 m，墻體上下游坡比均為1.0∶0.5，墻體嵌入河床以下約1.00 m，坡比為1∶1。

3.3 導(dǎo)流建筑物工程量

根據(jù)導(dǎo)流、度汛建筑物的布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮安全度汛以及“成本節(jié)約”的原則，確定該項工程的導(dǎo)流建筑物主要工程量見表4。

表4 導(dǎo)流建筑物主要工程量表 m3

4 結(jié) 語

清水河水庫擴建工程中導(dǎo)流擋泄水建筑物布置困難，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、工期緊。通過對大壩周邊地勢地貌和自然降雨的研究，確定了導(dǎo)流程序簡單、風險相對較小的導(dǎo)流方式——現(xiàn)有大壩擋水+取水(兼放空)隧洞過水。在度汛方案比選中，比選了“大壩臨時斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪”與“現(xiàn)有溢洪道泄洪”兩種方案的利弊，最終選定“大壩臨時斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪”，為整個工程施工進展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，在5個月內(nèi)將臨時擋水斷面填筑到了883.00 m，成功解決了工期緊等問題。根據(jù)工程實際運行情況，所選擇的度汛方案及導(dǎo)流程序完全符合規(guī)范與設(shè)計要求，各導(dǎo)流建筑物運行狀況均良好。