盧阿西姆水電站修復與擴容工程施工導截流設計

張 進，張 淳

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.華南師范大學教育信息技術學院，廣東 廣州 510631)

1 工程概況

盧阿西姆河是安哥拉開賽河左岸的一條支流，呈南北走向，全長為600 km，源頭位于東度。盧阿西姆(Luachimo)水電站坐落于盧阿西姆河上，利用河流上修建的大壩與天然河道間的水流落差發電，現狀水電站的建設可追溯到20世紀50年代，于1957年投入使用。

本次修復與擴容工程的主要內容有：

1)對現狀大壩上的水力機械設備進行修復，包括對左岸1個沖砂壩段和2個泄洪壩段的閘門、啟閉設備及附屬設施進行改造。

2)對現有約700 m渠道進行擴挖、改向，滿足引水流量240 m3/s的要求。擴建引水渠道由進水口、引水渠和壓力前池構成。

3)在原有發電廠房的左側空地新建發電廠房，裝機4×8.2 MW，并新建10/60 kV變電站。

4)原有發電廠房重新裝修，改建為博物館。

5)修建盧阿西姆大壩與東度之間的進場道路、場內沿著引水渠的道路、通往廠房和變電站的瀝青混凝土道路。

本工程的施工導流設計包括：左岸取水口、1孔沖砂閘、2孔泄洪閘的施工圍堰設計。

大壩為底寬12 m、平均高度6.5 m的混凝土大壩，主要由以下建筑物組成：

1)左岸1孔沖砂閘，寬為4 m(底板高程最低，沖砂底孔、配有控制閘門)；

2)左岸2座各9 m寬的主泄洪口(底板高程居中，配有控制閘門)；

3)1座總長為326.3 m、堰頂高程為657.0 m、共50孔的溢流壩段(無控制閘門)。

左岸沖砂閘上配有閘門，寬為4 m，通過電動絞車操作。左岸2孔泄洪閘通過電動絞車操作，通過1個移動沉箱可以將兩個排放口獨立起來，由單軌差分電路和釣魚梁來進行操作。當閘門上緣位置較低時，會和溢流壩壩頂(高程為657 m)高度相同，河水可以在相應的地方流動。

該水電站現狀航拍圖像見圖1，大壩現狀見圖2～3。

圖1 盧阿西姆水電站航拍示意

圖2 盧阿西姆水電站大壩(下游側)示意

圖3 盧阿西姆水電站大壩俯視示意

引水渠的進水口位于左岸，底板標高為653.9 m，由5個5.6～5.8 m寬，2.4 m高的口門組成。每個口門都由1個固定的間隔為0.4 m的鋼筋柵欄保護。

水庫水位的變化介于657(正常水位)～659 m(最高水位)之間。

水電站引水渠進水口、沖砂閘、泄洪閘等水工建筑物的現狀照片見圖4。

圖4 水電站取水口、沖砂閘、泄洪閘(上游側)示意

安哥拉的氣候可以分為兩個差異十分大的季節：濕潤季節，又稱“雨季”，溫度高，從10月一直持續到次年5月；旱季，干燥，從6月持續到9月。

根據降雨量的既有數據，選擇了1951/1952—1974/1975(24 a)的時間段，得出的結論是盧阿西姆流域年平均加權降雨量為1 440 mm，雨季和旱季分別占82%和18%。6月，7月和8月記錄的平均降雨量非常低，大約只有年平均降雨量的1.3%。

估算盧阿西姆支流的年平均徑流為85.7億m3，全年分配量相當均勻，雨季產生的徑流占60%，旱季占40%。

年平均流量預計為272 m3/s，相當于年平均水量為85.7億m3和降雨515 mm。

按照最大瞬時流量的統計預測，10年一遇、10 000年一遇對應的數值分別是1 042 m3/s和1 712 m3/s。

樞紐工程地質總體評價：

擬建場地較開闊，地形平坦，無地面塌陷、土洞等不良地質作用，同時勘探深度內未發現軟土、污染土、鹽漬巖土等特殊性土。勘察區地質穩定，較適宜建設。

據勘探揭示，耕(表)土、填土層：未壓實，土質不均，工程性能差。

細砂層：松散—中密，強度低—中等，工程性能一般。

全風化花崗巖：厚度不均，部分強度較低，工程性能一般。

強風化花崗巖：厚度一般，強度較高，埋深較深，工程性能良好。

中風化花崗巖：厚度較厚，埋深較深，強度高，工程性能優良。

2 施工導截流設計

2.1 施工導截流設計的特點

1)設計溝通難度較大

本工程業主是安哥拉能源部(GAMEK)、主體工程土建設計單位是葡萄牙COBA公司、總承包商是中國葛洲壩集團第六工程公司(CGGC)、監理工程師是葡萄牙SOAPRO公司、施工導流工程設計單位是廣東省水利電力勘測設計研究院(GPDI)。主體工程設計、土建施工主要按葡萄牙的相關標準操作執行。

由于各國的工程設計規范、文化、語言等因素影響，GPDI、CGGC 與 GAMEK、COBA、SOAPRO彼此之間的溝通難度較大。

2)安哥拉、葡萄牙無水水利水電工程施工導流設計的相關規范，經多方溝通，本工程導流建筑物采用中國標準《水利水電工程施工組織設計規范(SL303)》[1]進行設計。

3)安哥拉位于南半球，盧阿西姆河的水文特點與國內明顯不同。國內河流的汛期一股為4—9月、枯水期為10—3月；而盧阿西姆河流域的雨季為10—5月，旱季為6—9月。

4)壩址上游河流分為左河汊、右河汊，中部為泥砂淤積而形成的天然河中島，施工導流程序需充分利用這一地形特點。

5)右岸閘壩為開敞式溢流，無閘門，其溢流頂面高程為657.0 m，上游圍堰頂高程為659.7 m，上游圍堰堰頂高程比溢流頂面高出2.7 m，上游圍堰如何與右岸閘壩相接是設計中的重要環節。

6)為填筑上游圍堰，左、右岸需新建下河臨時道路。在新建右岸下游臨時道路時，可充分利用左岸1孔沖砂閘、2孔泄洪閘底部高程較低的優勢，提前下泄庫水，將上游庫水位降低。

7)需因地制宜地擬定施工導截流程序、圍堰拆除程序。筆者在2016年5月赴安哥拉盧阿西姆工程現場，現場查勘、收集資料，并與CGGC充分溝通，形成了準確合理的導截流設計方案。

2.2 導流標準

施工導流洪水標準選為10年一遇，導流時段為全年，相應流量Q=1 042 m3/s。

2.3 導流方式

采用圍堰縮窄原河床，圍護左岸取水口、左岸沖砂閘、左岸2孔泄洪閘，右岸43孔溢流壩段泄流的方式。

施工導流程序如下：

1)開啟左岸沖砂閘、左岸2孔泄洪閘，盡量降低上游水庫的水位。

2)封堵右河汊，洪水由左河汊洪流。

3)施工機械由右岸進場，進行上游圍堰以下樁號(注：樁號單位km+m，下同)范圍的施工：

① 上堰0+078.804～上堰0+178.486；

② 上堰0+178.486～上堰0+211.156。

4)疏通右河汊。

5)將左岸1孔沖砂孔、左岸2孔泄洪孔下閘，壅高上游水庫的水位至657.0 m以上。

6)河道截流，龍口范圍：上堰0+000.000～上堰0+078.804 00。

先采用塊石料平拋護底至657.0 m高程。截流施工機械由左岸進場，洪水由右岸43孔溢流壩段泄流，截流施工采用自左岸向右側河中島的單戧單向立堵進占的方式。

7)進行下游圍堰的施工。

8)進行左岸取水口、1孔沖砂閘、2孔泄洪閘維修加固施工。

9)拆除上、下游圍堰。

2.4 上游圍堰堰前水位計算

1)基本條件

① 由于無5—9月時段的水文資料，河流水文資料不完整，暫取全年10年一遇流量Q=1 042 m3/s。

② 過流建筑物

結合圍堰布置，洪水擬由右岸43孔溢流壩段泄流。溢流壩段每孔凈寬5.8 m，溢流堰頂高程657.0 m。

2)水力學計算

(1)

式中Q為流量；σc為側收縮系數；m為自由溢流的流量系數；n為閘孔數(取43)；b為溢流壩段每孔凈寬(取5.8 m)；Ho3/2為包括行近流速水頭的堰前水頭。

采用水力學軟件計算，當Q=1 042 m3/s時，大壩上游水位H=659.10 m，即為上游圍堰的堰前水位。

2.5 截流設計[2]

1)截流設計標準

采用壩址處多年平均流量Q=272.0 m3/s。

2)截流時間

安排在旱季月份進行。

3)截流方式的選擇

采用“平拋護底、單戧立堵”方式，截流龍口段樁號范圍為：上堰0+000.000～上堰0+078.804。

河道實施截流前，先將左岸1孔沖砂閘、2孔泄洪閘的閘門下放到位，然后采用石渣料將龍口段平鋪至657.0 m高程。

河道實施截流時，洪水由右岸43孔溢流壩段泄流，根據場地布置和道路條件，截流施工采用自左岸向右側河中島的單戧單向立堵進占的截流方案。

若發生流量Q=272.0 m3/s時，經水力學軟件計算，大壩上游水位H=657.60 m。截流落差為Zmax=0.6 m，龍口最大流速V=2.0 m/s。

4)截流龍口要求的有效塊石粒徑要求為：D=300～500 mm。

2.6 圍堰布置、結構形式

2.6.1圍堰布置

上游圍堰全長約為211 m，下游圍堰全長約為100 m，施工導流平面布置見圖5。

圖5 施工導流平面布置示意(單位：樁號km+m，坐標m，尺寸mm)

2.6.2上游圍堰

1)上堰0+000～上堰0+078.804

為截流龍口段，圍堰形式為土石結構，拋石截流戧堤布置于迎水側(見圖6)。

圖6 上游圍堰剖面示意(上堰0+000～上堰0+078.804)(單位：高程m，尺寸mm)

2)上堰0+078.804～上堰0+178.486

為上游圍堰中部段，圍堰形式為土石結構，迎水側采用拋石護坡(見圖7)。

圖7 上游圍堰剖面示意(上堰0+078.804～上堰0+178.486)(單位：高程m，尺寸mm)

3)上堰0+178.486～上堰0+211.156

與右岸閘墩相接段段，657.0 m高程(閘壩溢流堰頂高程)以下為土石結構，為方便與右岸閘墩相接，657.0 m高程以上采用混凝土圍堰(見圖8)。

圖8 上游圍堰剖面示意(上堰0+178.486～上堰0+211.156)(單位：高程m，尺寸mm)

上游圍堰與右岸閘墩連接大樣(平面)示意見圖9。

圖9 上游圍堰與右岸閘墩連接大樣示意(平面)

2.6.3下游圍堰

圍堰為土石結構，迎水側采用拋石護坡(見圖10)。

圖10 下游圍堰剖面示意(單位：高程m，尺寸mm)

2.7 圍堰拆除設計

圍堰拆除施工選擇在旱季末進行，拆除順序依次為：關閉左岸取水口閘門、左岸1孔沖砂閘閘門、左岸2孔泄洪閘閘門、取水口處鋼閘門→下游基坑預充水至大壩下游河床現狀水位→上游基坑預充水至657.0 m高程→拆除下游圍堰→樁號上堰0+211附近圍堰破口→使左河汊、右河汊水位緩慢達到平衡→拆除上游圍堰。

2.8 現場圍堰實施情況

安哥拉當地時間2017年08月19日17：10，盧阿西姆水電站圍堰順利合龍，標志著該電站截流圓滿成功，為取水口、沖砂閘、泄洪閘的改造施工的順利進行打下堅實基礎(圍堰施工如圖11～13所示)。

圖11 上游圍堰填筑施工示意

圖12 上游圍堰與右岸閘墩采用鋼板連接示意

圖13 上下游圍堰、基坑全貌示意

截至2021年3月，取水口、沖砂閘、泄洪閘的改造施工已接近尾聲，圍堰的設計、施工、運行接受了盧阿西姆河多年洪水的考驗，為主體工程建設的順利推進發揮了重要作用。

3 體會與小結

1)為了設計方案更加切合實際，筆者于2016年5月前去現場進行查勘、調研并收集資料[3-6]，正好遇到沖砂閘、泄洪閘沖砂排洪，一時驚濤拍岸，蔚為壯觀。通過現場察看分析，擬定了基本的導截流程序。實踐證明，現場查勘很重要，筆者根據現場實際情況，制定的導流程序、圍堰拆除程序，方案準確合理可行。

2)安哥拉無水利工程施工組織設計的相關標準、或參考標準，經與參建方溝通，采用中國的標準，使設計有理有據。

3)充分認識安哥拉河流水文特點，其雨季、旱季的時段分布正好與中國相反。

4)受語言、文化、規范標準、設計習慣等多因素影響，各參建方彼此溝通難度稍大，設計過程中的反復比較多。

5)上游圍堰堰頂高程比溢流頂面高出2.7 m，設計采用混凝土子堰、角形鋼板與右岸閘墩相接，解決了上游圍堰與原閘墩的接頭細節處理的難題。