新疆SETH水利樞紐工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)

蔣小健，蔣小軍

(1.阿勒泰地區(qū)SETH水庫(kù)管理處，新疆 阿勒泰 836500;2.富蘊(yùn)縣水利局，新疆 富蘊(yùn) 836100)

1 概 述

新疆SETH水利樞紐工程位于新疆北部，工程任務(wù)為供水和防洪，兼顧灌溉和發(fā)電，并為加強(qiáng)流域水資源管理和水生態(tài)保護(hù)創(chuàng)造條件.工程主要由碾壓混凝土重力壩(含擋水壩段、表孔和底孔壩段、放水兼發(fā)電引水壩段等)及消能防沖建筑物、壩后式電站廠房和升魚機(jī)等組成.水庫(kù)總庫(kù)容2.94億m3，最大壩高75.5 m，壩頂高程1 032.00 m，壩基最低高程956.50 m，壩頂長(zhǎng)度372 m，共分成21個(gè)壩段，主河床布置泄水壩段，左、右岸布置非溢流壩段.壩后式電站廠房共裝機(jī)3臺(tái)，總?cè)萘?7.6 MW，其中包括兩臺(tái)12.0 MW大機(jī)組和1臺(tái)3.6 MW小機(jī)組.工程建成后，可使下游沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水重現(xiàn)期由10 a提高到20 a，縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)由20 a提高到30 a.

工程為II等工程，工程規(guī)模為大(2)型.攔河壩(含擋水壩段、表孔和底孔壩段、放水兼發(fā)電引水壩段等)及消能防沖建筑物為2級(jí)建筑物，升魚機(jī)和電站廠房為3級(jí)建筑物，導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí).

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 工程地質(zhì)

壩址區(qū)位于剝蝕低山區(qū)，地面高程為990～1 150 m，最大高差約為110 m.河谷呈不對(duì)稱“U”型谷，河流在壩址上游由近東西向轉(zhuǎn)為近南北向，在壩址上游左岸形成凸岸，右岸形成凹岸.壩基主要為輝長(zhǎng)巖侵入體，巖性單一，表部巖體稍破碎，下部巖體大部分較完整.壩基外側(cè)地層為石炭系中統(tǒng)巴塔馬依內(nèi)山組玄武巖、凝灰?guī)r及砂組成，局部夾泥質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)砂巖，巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎，質(zhì)量較差.地表第四系地層有沖積層、沖洪積層及坡洪積物，分布于溝谷，厚度不大，多小于5 m.壩基輝長(zhǎng)巖屬堅(jiān)硬巖，強(qiáng)風(fēng)化巖體多為Ⅳ類巖體，弱風(fēng)化巖體多為Ⅲ類巖體，微風(fēng)化～新鮮巖體多為Ⅱ類巖體，斷層及結(jié)構(gòu)面交匯帶為Ⅴ類巖體.壩址河床及兩岸覆蓋層厚度不大，具備建壩的地形地質(zhì)條件.

2.2 水文氣象

河流發(fā)源地山脈海拔不高，一般山峰高程為3 500 m，但緯度高，雪線低，山區(qū)降水較多，達(dá)300～500 mm.冬季漫長(zhǎng)，積雪深厚，11月至次年4月的積雪及消融期的氣溫決定著年徑流的大小.徑流補(bǔ)給是以降水及季節(jié)積雪融水為主，且有少量的冰川融水和地下水補(bǔ)給.河流水量受氣溫影響，以冰雪融水為主，所以汛期河水來(lái)的突然，消失的早，融水集中，枯水期長(zhǎng)，年內(nèi)分配不均勻，以春夏季5～7月最集中，占全年徑流量的65%,個(gè)別年份4月、8月也有大洪水出現(xiàn).根據(jù)施工要求，本階段按4月、5～7月、8月、9～3月4個(gè)分期計(jì)算分期設(shè)計(jì)洪水.分期設(shè)計(jì)洪峰流量成果(見表1).

庫(kù)區(qū)緯度高，氣溫低，少酷暑，多嚴(yán)寒，冬夏冷暖懸殊，年較差大.多年平均氣溫1 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-47.7 ℃，變幅達(dá)86.1 ℃，夏季6～8月平均氣溫在18 ℃以上.歷年最大風(fēng)速17.3 m/s，最大凍土深度239 cm.

表1 分期設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

3 施工導(dǎo)流

3.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與方式

3.1.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)流建筑物采用土石結(jié)構(gòu)，洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期10～20 a；本工程壩體臨時(shí)攔洪度汛設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20～50 a.

3.1.2 導(dǎo)流方式

壩址處河谷為不對(duì)稱“U”型谷，谷底寬150 m，主河槽寬50 m，左、右岸臺(tái)(灘)地各寬約50 m.

工程施工既可采用隧洞導(dǎo)流方案，亦可采用河床分期(底孔)導(dǎo)流方案.

(1)隧洞導(dǎo)流方案與河床分期(底孔)導(dǎo)流方案比較

在導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)流流量相同的情況下，導(dǎo)流方案比選(見表2).導(dǎo)流隧洞洞身長(zhǎng)506.30 m，襯砌厚度0.3～0.7 m，布置在河道左岸，后期需要封堵.

表2 施工導(dǎo)流方式比選一覽表

與隧洞導(dǎo)流相比，河床分期(底孔)導(dǎo)流為露天施工，導(dǎo)流工程投資較少且工期容易得到保證，故本工程采用河床分期(底孔)導(dǎo)流、左右岸基坑全年施工導(dǎo)流方式.導(dǎo)流泄水建筑物為壩體預(yù)留臨時(shí)底孔，及其上游引渠和下游明渠.一期圍封河床左側(cè)，在高噴平臺(tái)(高程973.00 m)圍護(hù)下，修建左側(cè)8#非溢流壩段預(yù)留的8.0 m×5.0 m(寬×高)導(dǎo)流底孔及其上下游明渠，澆筑左岸9#非溢流壩段及其上下游導(dǎo)墻混凝土，此時(shí)上游河道來(lái)水由疏挖后的右側(cè)河床下泄.1期導(dǎo)流平面布置圖(見圖1).

圖1 Ⅰ期導(dǎo)流平面布置圖

Ⅱ期圍封河床右側(cè)，在大壩上、下游土石圍堰及混凝土縱向?qū)?含左岸9#非溢流壩段)圍護(hù)下，修建右側(cè)10#～21#擋水壩段、消能防沖建筑物及壩后式電站廠房等，此時(shí)上游河道來(lái)水由左側(cè)8#非溢流壩段預(yù)留的導(dǎo)流底孔下泄.為方便施工，導(dǎo)流底孔斷面確定為矩型；為滿足冬季排冰的需要，擬定了8.0 m×4.0 m 和8.0 m×5.0 m兩個(gè)導(dǎo)流底孔尺寸.Ⅱ期導(dǎo)流平面布置圖(見圖2).不同洪水重現(xiàn)期及不同底孔尺寸情況下，導(dǎo)流底孔上游水位及下泄流量調(diào)洪計(jì)算結(jié)果(見表2).

表2 導(dǎo)流底孔上游水位及下泄流量調(diào)洪計(jì)算表

導(dǎo)流底孔尺寸選擇既要考慮結(jié)構(gòu)受力，還要考慮排冰需要及圍堰工程量和投資.由于底孔尺寸加大不增加壩體混凝土總量，故選定底孔尺寸為8.0 m×5.0 m.

導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇時(shí)，洪峰流量為425 m3/s，導(dǎo)流底孔上游水位為981.32 m，下泄流量為401.28 m3/s；洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇時(shí)，洪峰流量為516 m3/s，導(dǎo)流底孔上游水位為983.81 m，下泄流量為472.30 m3/s.

經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)流底孔上游設(shè)計(jì)水位相差2.49 m，圍堰規(guī)模相差較大，同時(shí)考慮混凝土壩具有基坑過(guò)水條件且損失較小，工程導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用下限，即10年一遇，相應(yīng)洪峰流量為425 m3/s.

度汛標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇時(shí)，洪峰流量為516 m3/s，導(dǎo)流底孔上游水位為983.81 m，壩前攔洪庫(kù)容550 萬(wàn)m3，下泄流量為472.30 m3/s；度汛標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇時(shí)，洪峰流量為636 m3/s，導(dǎo)流底孔上游水位為987.75 m，壩前攔洪庫(kù)容1 000萬(wàn)m3，下泄流量為566.63 m3/s.

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)洪水位相差3.94 m，差距不大.確定本工程壩體臨時(shí)攔洪度汛設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用上限，即50年一遇，洪峰流量為636 m3/s，相應(yīng)水位為987.75 m.

4 導(dǎo)流程序

工程施工導(dǎo)流程序如下：

階段1 第1年4月1日～第1年8月31日，預(yù)留巖坎(一期高噴平臺(tái))擋水、原河床過(guò)水，在第1年8月底前形成左岸導(dǎo)流底孔及上、下游導(dǎo)墻.

工程第1年度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇，相應(yīng)洪峰流量333 m3/s.

階段2 第1年9月15日，河床截流，導(dǎo)流底孔過(guò)水；在第1年10月底前將圍堰加高培厚至設(shè)計(jì)高程.

截流流量采用9月5年一遇月平均流量Q=32.8 m3/s.

工程第2年度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)洪峰流量425 m3/s.

階段4 第3年5月初～第3年10月底，壩體、下游土石圍堰及下游導(dǎo)墻擋水度汛，導(dǎo)流底孔過(guò)水；在此期間，繼續(xù)澆筑壩體及泄水建筑物，并進(jìn)行電站機(jī)組安裝.

工程第3年壩體臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量636 m3/s.

階段5 第3年11月1日，導(dǎo)流底孔下閘，水庫(kù)蓄水.第4年4～5月進(jìn)行導(dǎo)流底孔及壩下預(yù)埋臨時(shí)生態(tài)放水管封堵施工.

底孔下閘設(shè)計(jì)流量為5年一遇11月平均流量13.9 m3/s.

階段6 第4年6月初，小機(jī)組帶水調(diào)試；第4年6月底，小機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電.

階段7 第4年5月初～7月底，壩體擋水度汛，永久底孔和表孔過(guò)水；在此期間，繼續(xù)進(jìn)行壩體、魚道混凝土澆筑以及電站第2、3臺(tái)大機(jī)組安裝、調(diào)試.

工程第4年度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量636 m3/s.

5 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

5.1 導(dǎo)流底孔設(shè)計(jì)

導(dǎo)流底孔斷面為矩形，寬8.0 m，高5.0 m，長(zhǎng)約40.0 m，居中布設(shè)在左岸8#非溢流擋水壩段，其進(jìn)口底高程為971.00 m，出口底高程為970.76 m，縱坡5‰.

Wu等[13-14]在HFLTS的基礎(chǔ)上提出了PD-HFLTS。PD-HFLTS由兩部分組成，即有序語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集和各語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)的可能性，且各語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)的可能性呈均勻分布。例如有序語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)集如HS={sL,sL+1,,sU}?S，L≤U，則HS的可能性分布表示為P=(p0,,pl,,pτ)，其中

導(dǎo)流底孔上游引渠及下游泄水明渠底寬均為18.0 m，上游引渠長(zhǎng)192.0 m，縱坡為5‰，下游泄水明渠長(zhǎng)274.0 m，縱坡為1.00%.上游引渠渠底座落在基巖上，無(wú)襯砌；下游泄水明渠渠底雖然座落在基巖上，但由于水流流速(為13.25～17.95 m/s)較大，故而采用了30 cm厚C25混凝土襯砌.

5.2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)流擋水建筑物為上、下游橫向土石圍堰及縱向混凝土導(dǎo)墻.

5.2.1 堰頂高程的確定

(1)上游土石圍堰

上游圍堰使用期限為1 a，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)洪峰流量為425 m3/s；導(dǎo)流底孔上游最高水位為981.32 m，相應(yīng)下泄流量為401.28 m3/s.

圍堰安全加高取0.50 m，風(fēng)浪爬高取1.18 m，上游圍堰堰頂高程為983.00 m.

(2)下游土石圍堰

電站廠房及壩下消力池等在下游土石圍堰保護(hù)下進(jìn)行施工，其使用期限為2 a，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，洪峰流量為516 m3/s.

導(dǎo)流底孔下泄流量為472.30 m3/s，相應(yīng)下游水位為971.50 m，圍堰安全超高取0.50 m，風(fēng)浪爬高取0.50 m，其堰頂高程為972.50 m.

(3)混凝土縱向?qū)?/p>

上游縱向?qū)敻叱虨?83.00 m，下游縱向?qū)敻叱虨?77.00～972.50 m.

5.2.2 堰基處理

圍堰基礎(chǔ)為砂礫石覆蓋層，河床中心處厚度約5.0 m，其滲透系數(shù)為0.1～0.02 cm/s(即86.4～17.28 m/d)，透水性很強(qiáng).由于工程區(qū)防滲土料缺乏，而采用水泵強(qiáng)排則排水強(qiáng)度、排水量及排水費(fèi)用(分別為1.92 m3/s、6 118萬(wàn)m3、3 059萬(wàn)元)均較大，故采用高噴墻來(lái)維持堰基滲透穩(wěn)定并控制其滲流量.

高噴防滲墻需深入不透水巖層0.5 m.

5.2.3 圍堰結(jié)構(gòu)

上、下游橫向圍堰為土石結(jié)構(gòu)，上、下游縱向?qū)槟雺夯炷两Y(jié)構(gòu).

上游橫向圍堰最大堰高14.2 m，堰體防滲采用高噴防滲墻+土工膜，圍堰上、下游坡比均為1∶2，堰頂寬10 m.下游圍堰最大堰高5.3 m，堰體防滲采用高噴防滲墻，圍堰上、下游坡比均為1∶2，頂寬6 m.

上游導(dǎo)墻最大高度16.0 m，頂寬3 m，上游鉛直，下游坡比為1∶0.70.

下游導(dǎo)墻最大高度11.0 m，頂寬2 m，上游鉛直，下游坡比為1∶0.70.

6 結(jié) 語(yǔ)

本文從導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)流流量、導(dǎo)流泄水建筑物、施工總工期及導(dǎo)流工程投資等幾個(gè)方面對(duì)施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，最終選定了河床分期導(dǎo)流方案.該工程已于2017年10月22日通過(guò)截流階段驗(yàn)收，經(jīng)工程運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)合理，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)確定準(zhǔn)確，達(dá)到了安全度汛且節(jié)約投資、縮短工期的目的，可供同類工程借鑒.