枕頭壩二級水電站施工導(dǎo)流規(guī)劃與設(shè)計

李志偉，彭繼樂，趙 星

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

枕頭壩二級水電站為大渡河干流水電梯級調(diào)整規(guī)劃的第19個梯級，是枕頭壩河段兩級堤壩式開發(fā)的第二級，其上一級為枕頭壩一級水電站，位于四川省樂山市金口河區(qū)。開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧庫區(qū)供水，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。工程等別為II等，工程規(guī)模為大(2)型，水庫總庫容0.122億m3，正常蓄水位為592.00 m，樞紐由兩岸重力壩、泄洪閘、河床廠房和魚道等建筑物組成，左岸布置5孔泄洪閘，單孔尺寸14 m×21 m(寬×高)，底高程571.00 m，右岸布置河床式廠房，總裝機(jī)容量300 MW(6×50 MW)，多年平均發(fā)電量15.03億kWh，壩頂高程595.00 m，最大壩高54 m，壩頂總長322.6 m。

壩址河段為開闊的“U”形河谷，谷底寬約340～360 m，主河道偏右岸，枯水期河面高程577～578 m，河水面寬100～140 m，水深4～7 m，左岸分布寬緩的漫灘和I級階地，寬約30～60 m，長約600 m。河床覆蓋層深厚，最大厚度達(dá)30 m，以含漂卵砂礫石為主，局部夾有砂層或砂層透鏡體分布，壩基巖體主要為峨邊群(Pteb)之茨竹坪組(Pt2c)淺灰色、灰白色中厚層粉砂巖與深灰色、灰黑色薄層粉砂質(zhì)板巖夾泥質(zhì)板巖及炭質(zhì)板巖。

壩址位于大渡河下游河段，洪水流量大，洪水主要由上游融雪和中下游暴雨洪水組成，主汛期為6～9月，枯水期為10月～次年5月，上游瀑布溝水電站具有多年調(diào)節(jié)性能，對本工程施工期導(dǎo)截流和度汛有利，考慮瀑布溝水電站調(diào)蓄影響后，枕頭壩二級水電站設(shè)計洪水成果見表1。

表1 枕頭壩二級水電站設(shè)計洪水成果表

1 導(dǎo)流方式和標(biāo)準(zhǔn)

1.1 導(dǎo)流方式

河床覆蓋層深厚，左岸附近有重要工業(yè)設(shè)施，右岸附近有醫(yī)院、學(xué)校和居民區(qū)等設(shè)施，壩址不具備布置導(dǎo)流洞條件，本工程為閘壩式水工建筑物，泄洪閘過流能力大，施工期利用泄洪閘過流，可減少導(dǎo)流工程投資，因此，選用分期束窄河床導(dǎo)流方式[1]。

壩址左岸為凸岸，右岸為主河道，泄洪閘布置于左岸階地泄洪歸槽條件較好，施工導(dǎo)流分兩期，一期利用原河道過流，施工左岸泄洪閘，二期利用已建泄洪閘過流，施工右岸發(fā)電廠房，施工工期較短，投資省，發(fā)揮工程效益快。本工程兩期施工內(nèi)容多，若采用枯期8個月時段(10月～次年5月)施工，一個枯期時段完成建設(shè)任務(wù)，則各期施工強(qiáng)度大；跨汛期施工，則枯期圍堰需拆除、重建，且基坑過流度汛對工程不利，導(dǎo)流程序復(fù)雜，施工工期長，因此，導(dǎo)流時段采用全年時段。

綜上所述，本工程采用“圍堰全年擋水，河床分兩期過流”的導(dǎo)流方式。

1.2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

枕頭壩二級水電站為II等大(2)型工程，主要建筑物如擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電廠房等為2級，根據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》(DL/T5397-2007)，導(dǎo)流建筑物級別為4級，土石圍堰設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)20～10年一遇，混凝土圍堰設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為10～5年一遇，壩址河段水文資料相對較長，樣本數(shù)量多，經(jīng)統(tǒng)計分析得到的頻率洪水分布接近河流的自身特性，穩(wěn)定性好，另外，上游已建梯級電站具有洪水調(diào)蓄能力，河段發(fā)生大洪水可能性降低，圍堰堰體為常規(guī)土石結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)，因此，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)選取下限值，即選用全年10年一遇，洪水流量為6 140 m3/s[2]。

2 導(dǎo)流方案

根據(jù)樞紐建筑物布置、地形地質(zhì)和周邊社會因素，選用分兩期束窄河床導(dǎo)流方式，可分為先施工右岸廠房方案和先施工左岸泄洪閘方案，若先施工右岸廠房，則二期施工左岸泄洪閘時，河床無滿足要求的泄洪通道，因此，選用先施工左岸泄洪閘方案。由泄洪閘的過流能力可知，3、4孔和5孔泄洪閘均能滿足二期泄流要求，根據(jù)一期所圍泄洪閘孔數(shù)，導(dǎo)流方案分為一期圍3孔泄洪閘方案、一期圍4孔泄洪閘方案和一期圍5孔泄洪閘方案。若一期圍5孔泄洪閘，一期土石圍堰縱向段布置侵占大部分原河道，束窄后河道泄流能力不滿足過流要求，因此，一期圍5孔泄洪閘方案不予采用[3]。

2.1 一期圍3孔泄洪閘方案

一期由縱向土石圍堰擋水，施工左岸3孔泄洪閘、左岸重力壩和縱向混凝土圍堰，右岸束窄河道過流；二期由縱向混凝土圍堰和二期上下游全年土石圍堰擋水，施工右岸廠房、右岸重力壩和河床中間剩余2孔泄洪閘，左岸已完建3孔泄洪閘過流。

本方案主要優(yōu)點：①一期圍堰偏向左岸，束窄河道過流寬度大，流速小，一期縱向土石圍堰堰坡和右岸岸坡防護(hù)要求低；②縱向混凝土圍堰布置在2號與3號泄洪閘之間，縱向混凝土圍堰建基面高，基礎(chǔ)開挖及處理工程量??；③圍堰開挖及填筑工程量相對小，導(dǎo)流工程投資省。本方案主要缺點：①二期左岸3孔泄洪閘過流寬度小，河道流速大，沖刷嚴(yán)重，左岸岸坡防護(hù)工程要求高；②二期左岸3孔泄洪閘過流能力不滿足20年一遇城市防洪標(biāo)準(zhǔn)，增加相應(yīng)地工程應(yīng)急措施。

2.2 一期圍4孔泄洪閘方案

一期由縱向土石圍堰擋水，施工左岸4孔泄洪閘、左岸重力壩和縱向混凝土圍堰，右岸束窄河道過流；二期由縱向混凝土圍堰和二期上下游全年土石圍堰擋水，施工右岸廠房、右岸重力壩和河床中間剩余1孔泄洪閘，左岸已完建4孔泄洪閘過流。

本方案主要優(yōu)點：①二期左岸3孔泄洪閘過流寬度大，河道流速小，左岸岸坡防護(hù)要求低；②二期左岸4孔泄洪閘過流能力滿足20年一遇城市防洪標(biāo)準(zhǔn)。本方案主要缺點：①一期圍堰偏向右岸主河道，束窄河道過流寬度縮窄，流速大，沖刷嚴(yán)重，一期縱向土石圍堰堰坡和右岸岸坡防護(hù)要求高；②縱向混凝土圍堰布置在1號與2號泄洪閘之間，縱向混凝土圍堰建基面低，基礎(chǔ)開挖及處理工程量大；③圍堰開挖及填筑工程量大，導(dǎo)流工程投資大。

2.3 方案選擇

上述兩個導(dǎo)流方案各有優(yōu)劣，對兩個導(dǎo)流方案設(shè)計和詳細(xì)投資具體細(xì)化比較[4]：①兩個方案在技術(shù)上均可行，主體工程施工工期安排上基本無差異；②一期圍3孔泄洪閘方案對一期過流有利，一期圍4孔泄洪閘方案對二期過流有利，綜合比較圍堰布置及施工難度，一期圍3孔泄洪閘方案圍堰軸線布置偏向左岸河漫灘，圍堰基礎(chǔ)覆蓋層處理施工難度?。虎蹖λそㄖ锊贾糜绊?，縱向混凝土圍堰將5孔泄洪閘按3+2和4+1分段，3+2分段對泄洪閘運行更有利；④一期圍3孔泄洪閘方案導(dǎo)流工程投資節(jié)省約4 100萬元。綜合比選后，推薦采用一期圍3孔泄洪閘方案，導(dǎo)流方案平面布置見圖1和圖2。

圖1 導(dǎo)流一期平面布置圖

圖2 導(dǎo)流二期平面布置圖

2.4 導(dǎo)流建筑物布置

導(dǎo)流建筑物包括一期縱向土石圍堰、二期上下游土石圍堰和縱向混凝土圍堰。

土石圍堰采用混凝土防滲墻+墻下帷幕灌漿接土工膜心墻防滲；根據(jù)導(dǎo)流模型試驗成果，一期縱向土石圍堰縱向段最大流速達(dá)4～7 m/s，迎水側(cè)堰坡采用鋼筋石籠、預(yù)制混凝土柔性面板等防護(hù)，堰腳采用鋼筋石籠護(hù)底防淘；為了改善左岸明渠內(nèi)過流流態(tài)，二期上游土石圍堰軸線采用折線形式，與縱向混凝土圍堰端頭接觸部位采用混凝土防護(hù)扭曲面；縱向混凝土圍堰布置在2號與3號泄洪閘之間，中間段與泄洪閘閘墩結(jié)合，采用“L”型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上游段覆蓋層基礎(chǔ)采用灌注樁+防滲墻進(jìn)行處理，下游段覆蓋層淺，基礎(chǔ)開挖至基巖。

3 導(dǎo)流程序

工程施工總工期為64個月，其中施工準(zhǔn)備期為9個月，導(dǎo)流一期為14個月，導(dǎo)流二期為31個月，完建期為10個月。根據(jù)樞紐建筑物布置、施工項目安排和選定的導(dǎo)流方案，導(dǎo)流程序如下。

1)施工準(zhǔn)備期為第一年1月～第一年9月，由原河道過流，主要進(jìn)行左岸G245改復(fù)建、右岸3號公路加高改建、右岸過流斷面河床清挖和庫岸防護(hù)工程施工，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用全年5年一遇，洪水流量為5 590 m3/s。

2)導(dǎo)流一期為第一年10月～第二年11月，由一期縱向土石圍堰擋水，右岸束窄河道過流，主要進(jìn)行左岸3～5號泄洪閘、左岸重力壩和縱向混凝土圍堰施工，第一年10月開始填筑一期縱向土石圍堰，第二年11月開始拆除圍堰，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用全年10年一遇，洪水流量為6 140 m3/s，圍堰擋水水位為587.37～583.63 m。

3)導(dǎo)流二期為第二年12月～第五年6月，由縱向混凝土圍堰和二期上下游土石圍堰擋水，左岸已完建3孔泄洪閘過流，主要進(jìn)行右岸廠房、河床中間剩余1～2號泄洪閘和魚道施工，第二年12月開始填筑上下游土石圍堰，第五年6月底完成首臺機(jī)組安裝、調(diào)試和投產(chǎn)發(fā)電，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用全年10年一遇，洪水流量為6 140 m3/s，圍堰擋水水位為591.72～583.63 m。

4)完建期為第五年7月～第六年4月，由廠房進(jìn)、出口閘門擋水，已完建5孔泄洪閘過流，第六年4月完成所有機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

4 超標(biāo)準(zhǔn)洪水分析及應(yīng)急措施

枕頭壩二級水電站位于樂山市金口河區(qū)，城市防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，洪水流量為6 670 m3/s，為保證施工期城市防洪安全，須對20年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水工況進(jìn)行分析并提出工程應(yīng)急措施。

4.1 超標(biāo)準(zhǔn)洪水分析

根據(jù)施工導(dǎo)流模型試驗成果，導(dǎo)流一期發(fā)生20年一遇洪水時，河道沿程水位為587.52～583.92 m，低于水庫正常蓄水位592.00 m，滿足城市防洪標(biāo)準(zhǔn)；導(dǎo)流二期發(fā)生20年一遇洪水時，上游圍堰堰前水位為593.44 m，超過水庫正常蓄水位592.00 m和上游圍堰堰頂高程593.00 m，可能發(fā)生潰堰，不滿足城市防洪標(biāo)準(zhǔn)。本階段針對導(dǎo)流二期進(jìn)行潰堰洪水計算，選取計算工況：壩址發(fā)生20年一遇洪水流量6 670 m3/s，左岸3孔泄洪閘過流，洪水高程為593.00 m，圍堰瞬間潰決。潰堰洪水計算成果見表2。

表2 潰堰洪水計算成果表

根據(jù)潰堰洪水計算成果可知，潰堰洪水前峰約31 min到達(dá)下游沙坪一級水電站，最大洪峰流量為7 713 m3/s，小于該電站100年一遇洪水，不會對下游梯級電站造成重大影響；潰堰洪水前峰約4 min到達(dá)下游金口河城區(qū)，最高水位為585.79 m，低于現(xiàn)狀堤防頂高程(590.00～595.00 m)，金口河城區(qū)基本不受潰堰洪水影響；對下游居民區(qū)和地物敏感點調(diào)查分析，潰堰洪水將導(dǎo)致下游臨河部分房屋、永和鎮(zhèn)小學(xué)等4個敏感點部分或全部淹沒。

4.2 應(yīng)急措施

枕頭壩二級水電站施工期間應(yīng)制定超標(biāo)洪水應(yīng)急預(yù)案，保證施工期不發(fā)生被動潰堰，預(yù)案應(yīng)包括(不限于)以下應(yīng)急措施：

1)建立水情預(yù)報系統(tǒng)，根據(jù)上游水文站實測洪水，預(yù)報壩址處洪水，監(jiān)測入庫洪水；加強(qiáng)圍堰的安全監(jiān)測，定期檢查圍堰是否透水，如發(fā)現(xiàn)滲漏或管涌現(xiàn)象，要及時修補(bǔ)圍堰[5]。

2)預(yù)計將發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，及時撤出基坑、下游河道人員和機(jī)械設(shè)備，并根據(jù)上游水位、洪水漲勢，實施應(yīng)急措施：對基坑進(jìn)行預(yù)充水，主動將上下游土石圍堰挖開缺口分流，并對圍堰過流面進(jìn)行防沖保護(hù)等。

3)預(yù)計將發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，迅速通知下游可能受影響的各村鎮(zhèn)、社區(qū)，迅速把人員、財產(chǎn)轉(zhuǎn)移到地勢相對較高的避難場所，保證人民的生命和財產(chǎn)安全。

4)上游具有調(diào)蓄功能的瀑布溝水電站由本工程建設(shè)單位負(fù)責(zé)管理，在枕頭壩二級水電站施工期間，上游已建梯級水電站進(jìn)行積極調(diào)蓄和控泄。

5)針對導(dǎo)流一期發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)做好圍堰迎水側(cè)堰坡和右岸岸坡的防沖保護(hù)，汛前應(yīng)進(jìn)行檢查和必要的加固，確保圍堰和岸坡穩(wěn)定；針對導(dǎo)流二期超發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)及時主動破堰，將上下游土石圍堰左端開挖缺口參與泄洪，缺口寬度不小于40 m(對應(yīng)1～2號泄洪閘壩段寬度)，缺口底高程根據(jù)圍堰上游水位、缺口分流量以及實際施工條件綜合確定。

5 結(jié) 語

綜合考慮樞紐布置、地形地質(zhì)條件和水文特征等特性，通過施工導(dǎo)流模型試驗研究和潰堰洪水計算分析，形成枕頭壩二級水電站施工導(dǎo)流規(guī)劃與設(shè)計的主要成果：

1)壩址附近不宜布置導(dǎo)流洞，考慮后期利用泄洪閘過流能力大特點，選用分兩期束窄河床導(dǎo)流方式，圍堰全年擋水，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為全年10年一遇，洪水流量為6 140 m3/s。

2)導(dǎo)流方案選用一期圍3孔泄洪閘方案，分兩期施工，一期由縱向土石圍堰擋水，施工左岸3孔泄洪閘、左岸重力壩和縱向混凝土圍堰，右岸束窄河道過流；二期由縱向混凝土圍堰和二期上下游全年土石圍堰擋水，施工右岸廠房、右岸重力壩和河床中間剩余2孔泄洪閘，左岸已完建3孔泄洪閘過流。

3)圍堰布置偏向于左岸河床漫灘，減少侵占原河道范圍，降低圍堰高度和岸邊防護(hù)難度，土石圍堰防滲和迎水側(cè)堰坡防護(hù)措施合適，混凝土圍堰結(jié)構(gòu)型式和覆蓋層基礎(chǔ)處理合理，有效降低了導(dǎo)流工程投資。

4)壩址距離金口河城區(qū)近，為確保施工期城市防洪安全，針對各施工期分析超標(biāo)準(zhǔn)洪水對下游敏感點影響，并提出相應(yīng)的工程應(yīng)急措施。