天水曲溪工程施工導(dǎo)流方案比選

馬 龍

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程[1]處于天水市秦州區(qū)和麥積區(qū)境內(nèi)，取水口位于長(zhǎng)江流域永寧河一級(jí)支流白家河左岸，引水線路向北穿過(guò)分水嶺至麥積區(qū)甘泉鎮(zhèn)胡家溝內(nèi)，再由管線引水至調(diào)蓄水池，經(jīng)水廠處理后利用管網(wǎng)供水系統(tǒng)輸送至天水市秦州區(qū)和麥積區(qū)以及所轄鄉(xiāng)鎮(zhèn)。曲溪水庫(kù)樞紐設(shè)計(jì)為碾壓混凝土重力壩，設(shè)計(jì)總庫(kù)容7782萬(wàn)m3，正常蓄水位1432 m，壩高約80 m；引水線路全長(zhǎng)約23.8 km，其中引水隧洞長(zhǎng)約21.6 km，年供水量4526萬(wàn)m3。工程等級(jí)為中型Ⅲ等工程，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 地形、地質(zhì)

水庫(kù)區(qū)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(kù)。兩岸Ⅰ、Ⅱ級(jí)堆積階地較發(fā)育，局部殘留有Ⅲ、Ⅳ級(jí)侵蝕基座階地。壩址區(qū)基巖為中泥盆統(tǒng)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(zhì)粘土、坡積碎石土等。

2.2 氣象、水文

白家河是永寧河的一級(jí)支流，白家河入永寧河河口以上集水面積1318 km2，河長(zhǎng)99.6 km，平均比降5‰～9‰。工程區(qū)屬溫帶大陸性氣候和亞熱帶氣候的過(guò)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(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及分期規(guī)劃

3.1 樞紐施工期導(dǎo)流基礎(chǔ)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(xiàn)代河床寬40 m～45 m，砂卵礫石厚3 m～6 m；右岸發(fā)育Ⅰ、Ⅱ級(jí)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(jù)壩址地形、地質(zhì)條件，具備全河床攔斷隧洞過(guò)流和河床內(nèi)分期導(dǎo)流的條件。

3.2 導(dǎo)流方案初步分析

根據(jù)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(wú)法結(jié)合利用，經(jīng)過(guò)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(guò)流(方案1)

樞紐區(qū)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(dǎo)流底孔預(yù)留在溢流壩段，二期在圍堰防護(hù)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(jié)合段位于河道彎道段，束窄河床率過(guò)大，過(guò)流面積太小，需將縱向圍堰和下游圍堰調(diào)整為斷面尺寸較小的混凝土圍堰，且導(dǎo)流底孔不在主河道內(nèi)，進(jìn)水及泄流條件較差。

3.2.2 導(dǎo)流明渠過(guò)流(方案2)

樞紐位置河谷較為開闊，河道右岸發(fā)育有I、II級(jí)階地，一期施工可在此階地上開挖導(dǎo)流明渠，在圍堰防護(hù)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(dǎo)流底孔可預(yù)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(hù)施工壩段較短，縱向圍堰可結(jié)合已完成壩段布設(shè)，但是工期無(wú)法保證。

3.2.3 一次斷流隧洞導(dǎo)流(方案3)

一次斷流隧洞導(dǎo)流方式，圍堰形式擬采用土石圍堰。通過(guò)經(jīng)濟(jì)比選，確定隧洞過(guò)五年一遇最大枯水期施工洪水(Q20%=32 m3/s)時(shí)按有壓隧洞進(jìn)行設(shè)計(jì)。導(dǎo)流隧洞設(shè)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(zhǎng)度約510 m。圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)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(guò)水圍堰，導(dǎo)流程序?yàn)椋合刃行藿▽?dǎo)流隧洞，然后進(jìn)行截流；枯水期利用導(dǎo)流隧洞泄流，汛期利用基坑、導(dǎo)流底孔、導(dǎo)流洞進(jìn)行泄流；在圍堰的圍護(hù)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(dǎo)流程序簡(jiǎn)單，施工干擾小，有利于快速施工，但考慮壩體填筑高程超過(guò)圍堰堰頂高程后，壩體臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇全年洪水，單條導(dǎo)流洞過(guò)流能力不足，因此需設(shè)大壩泄洪底孔泄流。

3.2.4 導(dǎo)流方案比較

上述三種設(shè)計(jì)均可做為曲溪工程施工導(dǎo)流方案，各方案的優(yōu)、缺點(diǎn)詳見導(dǎo)流方案比較表(表1)。

表1 導(dǎo)流方案比較表

通過(guò)表1對(duì)比分析可知，從導(dǎo)流方式、導(dǎo)流建筑物經(jīng)濟(jì)性、施工期安全性、工期等特性比選，方案3，即隧洞導(dǎo)流方式為最佳方案。過(guò)水圍堰的缺點(diǎn)是汛期存在基坑被淹，不能連續(xù)施工的問(wèn)題，但優(yōu)點(diǎn)是圍堰及導(dǎo)流洞工程量小，導(dǎo)流工程費(fèi)用低，并且在導(dǎo)流底孔開始發(fā)揮作用后，施工強(qiáng)度高，工期可以得到保障。因此確定方案3為施工導(dǎo)流方案。

4 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和圍巖地質(zhì)情況，導(dǎo)流建筑物主要有導(dǎo)流洞和大壩施工上、下游圍堰。由于土石圍堰具有地基適應(yīng)性強(qiáng)、能直接利用當(dāng)?shù)夭牧?、施工技術(shù)成熟及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較優(yōu)等特點(diǎn)，故上、下游均采用土石過(guò)水圍堰堰型。

4.1 圍堰設(shè)計(jì)

上下游圍堰按枯水期5年一遇洪水設(shè)計(jì)，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(jù)穩(wěn)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(zhǎng)約178 m。迎水面邊坡采用鉛絲籠塊石護(hù)坡，背水面邊坡采用1 m厚的砼面板防護(hù)，邊腳處采用大塊石護(hù)坦，防止沖刷。堰體采用壤土心墻和高壓旋噴帷幕結(jié)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(shè)計(jì)見圖1。

圖1 典型圍堰設(shè)計(jì)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(zhǎng)約55 m。防滲結(jié)構(gòu)采用壤土心墻防滲型式，并以塊石和砼面板護(hù)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(guò)水圍堰，為盡量減小堰基塌滑風(fēng)險(xiǎn)，在填筑過(guò)程中需要注意加強(qiáng)碾壓，局部夯實(shí)處理[3]。

4.2 導(dǎo)流隧洞

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)地下工程施工機(jī)械設(shè)備情況及施工經(jīng)驗(yàn)，斷面型式選用城門洞形?；趬螀^(qū)地形、地質(zhì)、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(jié)合導(dǎo)流程序，初選一條2.8 m×2.8 m城門洞型導(dǎo)流洞方案。

根據(jù)導(dǎo)流洞進(jìn)、出口處的水位流量關(guān)系，綜合考慮截流戧堤的高度等，確定導(dǎo)流洞進(jìn)口高程1368.13 m，出口高程1364.0 m，洞長(zhǎng)約510 m。導(dǎo)流洞軸線設(shè)置了1個(gè)轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑為30 m，轉(zhuǎn)彎角度45°。施工導(dǎo)流特性見表2。

表2 施工導(dǎo)流特性表

5 結(jié)論

在曲溪工程中實(shí)施一次斷流隧洞導(dǎo)流設(shè)計(jì)，利用導(dǎo)流圍堰為工程建設(shè)提供重要的技術(shù)支持，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。本文得到的具體結(jié)論如下：

1)導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)，為確保庫(kù)區(qū)施工營(yíng)地的安全提供技術(shù)借鑒。

2)以曲溪工程為依托，首次在甘肅永寧河境內(nèi)應(yīng)用枯水期過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)堰型，為其他流量豐枯差別大、深厚覆蓋層的過(guò)水圍堰提供可行的技術(shù)方案，推進(jìn)該圍堰的技術(shù)發(fā)展。

3)提出碾壓混凝土重力壩導(dǎo)流底孔度汛的思路，可有效提高大壩施工進(jìn)度，取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益[4]。

4)積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，為其他類似工程提供重要啟示。