天水曲溪工程施工導流方案比選

馬 龍

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

天水曲溪城鄉供水工程[1]處于天水市秦州區和麥積區境內，取水口位于長江流域永寧河一級支流白家河左岸，引水線路向北穿過分水嶺至麥積區甘泉鎮胡家溝內，再由管線引水至調蓄水池，經水廠處理后利用管網供水系統輸送至天水市秦州區和麥積區以及所轄鄉鎮。曲溪水庫樞紐設計為碾壓混凝土重力壩，設計總庫容7782萬m3，正常蓄水位1432 m，壩高約80 m；引水線路全長約23.8 km，其中引水隧洞長約21.6 km，年供水量4526萬m3。工程等級為中型Ⅲ等工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。

2 設計條件

2.1 地形、地質

水庫區位于白家河中游河段上，河谷多呈“V”型，為一典型的峽谷型水庫。兩岸Ⅰ、Ⅱ級堆積階地較發育，局部殘留有Ⅲ、Ⅳ級侵蝕基座階地。壩址區基巖為中泥盆統舒家壩組混合巖化片巖、云母角閃片巖及綠泥云母片巖，第四系堆積物巖性有沖洪積砂卵礫石、洪積碎石土及粉質粘土、坡積碎石土等。

2.2 氣象、水文

白家河是永寧河的一級支流，白家河入永寧河河口以上集水面積1318 km2，河長99.6 km，平均比降5‰～9‰。工程區屬溫帶大陸性氣候和亞熱帶氣候的過渡地帶，年平均氣溫為11.2℃。年降水量500 mm～600 mm，雨水多集中于春秋兩季。

3 導流標準及分期規劃

3.1 樞紐施工期導流基礎條件

大壩位于白家河“U”型河谷中，兩岸山體陡峻、渾厚，壩軸線附近谷底寬120 m～150 m，其中現代河床寬40 m～45 m，砂卵礫石厚3 m～6 m；右岸發育Ⅰ、Ⅱ級階地，階面寬20 m～25 m、45 m～90 m，上部砂(土)層厚1.2 m～3.5 m，下部砂卵礫石厚6 m～8 m，根據壩址地形、地質條件，具備全河床攔斷隧洞過流和河床內分期導流的條件。

3.2 導流方案初步分析

根據樞紐建筑物布置，樞紐自左岸至右岸依次為：左岸擋水壩段、中孔泄洪壩段、溢流壩段、右岸擋水壩段及右岸防滲墻。由于永久建筑物泄流中孔位置較高，高于河床底18 m，無法結合利用，經過前期研判分析，初步形成三種方案，具體分述如下：

3.2.1 束窄河床過流(方案1)

樞紐區位于白家河、冷水河匯合口下游彎道段，一期施工期可利用上、下游橫向圍堰及縱向圍堰擋水完成右岸擋水壩段、溢流壩段施工，導流底孔預留在溢流壩段，二期在圍堰防護下完成剩余中孔泄流壩段及擋水壩段的施工。此方案由于下游橫向圍堰和縱向圍堰結合段位于河道彎道段，束窄河床率過大，過流面積太小，需將縱向圍堰和下游圍堰調整為斷面尺寸較小的混凝土圍堰，且導流底孔不在主河道內，進水及泄流條件較差。

3.2.2 導流明渠過流(方案2)

樞紐位置河谷較為開闊，河道右岸發育有I、II級階地，一期施工可在此階地上開挖導流明渠，在圍堰防護下完成左岸擋水壩段，中孔泄流壩段及部分溢流壩段的施工，導流底孔可預留在靠近中孔泄流壩段的擋水壩段底部。二期利用圍堰擋水完成剩余溢流壩段及擋水壩段的施工。此方案一期基坑較大，完成主體工程量較大，二期維護施工壩段較短，縱向圍堰可結合已完成壩段布設，但是工期無法保證。

3.2.3 一次斷流隧洞導流(方案3)

一次斷流隧洞導流方式，圍堰形式擬采用土石圍堰。通過經濟比選，確定隧洞過五年一遇最大枯水期施工洪水(Q20%=32 m3/s)時按有壓隧洞進行設計。導流隧洞設于左岸，隧洞斷面采用洞徑為2.8 m×2.8 m的城門洞型斷面，隧洞長度約510 m。圍堰擋水標準為五年一遇枯水期最大施工洪水(Q20%=32 m3/s)。圍堰形式為土石過水圍堰，導流程序為：先行修建導流隧洞，然后進行截流；枯水期利用導流隧洞泄流，汛期利用基坑、導流底孔、導流洞進行泄流；在圍堰的圍護下完建泄流壩中孔以下的樞紐建筑物。一次攔斷河床隧洞導流程序簡單，施工干擾小，有利于快速施工，但考慮壩體填筑高程超過圍堰堰頂高程后，壩體臨時度汛標準為20 a一遇全年洪水，單條導流洞過流能力不足，因此需設大壩泄洪底孔泄流。

3.2.4 導流方案比較

上述三種設計均可做為曲溪工程施工導流方案，各方案的優、缺點詳見導流方案比較表(表1)。

表1 導流方案比較表

通過表1對比分析可知，從導流方式、導流建筑物經濟性、施工期安全性、工期等特性比選，方案3，即隧洞導流方式為最佳方案。過水圍堰的缺點是汛期存在基坑被淹，不能連續施工的問題，但優點是圍堰及導流洞工程量小，導流工程費用低，并且在導流底孔開始發揮作用后，施工強度高，工期可以得到保障。因此確定方案3為施工導流方案。

4 方案設計

根據現場施工條件和圍巖地質情況，導流建筑物主要有導流洞和大壩施工上、下游圍堰。由于土石圍堰具有地基適應性強、能直接利用當地材料、施工技術成熟及技術經濟指標較優等特點，故上、下游均采用土石過水圍堰堰型。

4.1 圍堰設計

上下游圍堰按枯水期5年一遇洪水設計，考慮波浪爬高等因素，上游圍堰堰頂高程為1377.34 m，最大堰高約10.03 m。圍堰在施工期有交通要求，堰頂寬確定為10 m。根據穩定要求，迎水面邊坡坡比為1∶2.0，背水面邊坡坡比為1∶3.0，堰頂軸線長約178 m。迎水面邊坡采用鉛絲籠塊石護坡，背水面邊坡采用1 m厚的砼面板防護，邊腳處采用大塊石護坦，防止沖刷。堰體采用壤土心墻和高壓旋噴帷幕結合防滲。堰基防滲采用高壓旋噴帷幕，底部伸入基巖1.0 m，帷幕有效厚度50 cm[2]。典型圍堰設計見圖1。

圖1 典型圍堰設計圖

下游圍堰確定堰頂高程1367.70 m。最大堰高約0.80 m；堰頂寬為10 m。迎水面邊坡坡比為1∶2.0，背水面邊坡坡比為1∶3.0，堰頂軸線長約55 m。防滲結構采用壤土心墻防滲型式，并以塊石和砼面板護坡，防止沖刷。堰基防滲采用高壓旋噴帷幕，底部伸入基巖1.0 m，帷幕有效厚度50 cm。

因采用過水圍堰，為盡量減小堰基塌滑風險，在填筑過程中需要注意加強碾壓，局部夯實處理[3]。

4.2 導流隧洞

結合目前國內地下工程施工機械設備情況及施工經驗，斷面型式選用城門洞形。基于壩區地形、地質、施工洪水、施工道路、水工樞紐布置及工程投資等因素的考慮，結合導流程序，初選一條2.8 m×2.8 m城門洞型導流洞方案。

根據導流洞進、出口處的水位流量關系，綜合考慮截流戧堤的高度等，確定導流洞進口高程1368.13 m，出口高程1364.0 m，洞長約510 m。導流洞軸線設置了1個轉彎段，轉彎半徑為30 m，轉彎角度45°。施工導流特性見表2。

表2 施工導流特性表

5 結論

在曲溪工程中實施一次斷流隧洞導流設計，利用導流圍堰為工程建設提供重要的技術支持，具有顯著的技術經濟效益。本文得到的具體結論如下：

1)導流洞的設計，為確保庫區施工營地的安全提供技術借鑒。

2)以曲溪工程為依托，首次在甘肅永寧河境內應用枯水期過水圍堰設計堰型，為其他流量豐枯差別大、深厚覆蓋層的過水圍堰提供可行的技術方案，推進該圍堰的技術發展。

3)提出碾壓混凝土重力壩導流底孔度汛的思路，可有效提高大壩施工進度，取得顯著的技術經濟效益[4]。

4)積累了寶貴的施工經驗，為其他類似工程提供重要啟示。