剛果(金)某水電站工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)

吳甲一，李 杰，馮曉成

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津市 300222)

0 引 言

施工導(dǎo)流作為水電站工程建設(shè)施工的子系統(tǒng)，其導(dǎo)流方案優(yōu)選與壩體施工進(jìn)度的安排是相互影響的，必須通過(guò)整個(gè)工程的施工系統(tǒng)分析進(jìn)行全面的協(xié)調(diào)、平衡，以達(dá)到總體施工系統(tǒng)的穩(wěn)定與優(yōu)化[1]。導(dǎo)流建筑物作為完成施工導(dǎo)流任務(wù)的重要臨時(shí)建筑物，其設(shè)計(jì)是水電站工程施工組織設(shè)計(jì)的首要任務(wù)之一，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣影響工程的造價(jià)與工期，直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全[2]。本文針對(duì)剛果(金)某水電站工程施工導(dǎo)流進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，優(yōu)化了施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)，可為同類(lèi)工程提供參考。

1 工程概況

剛果(金)某水電站位于中剛果省境內(nèi)INKISI河上游河段，該河段落差近200 m，河道平均坡降11.11%，坡陡流急、水力資源豐富。水電站采用混合式開(kāi)發(fā)方式，工程總體布置由攔河壩+引水系統(tǒng)+岸邊式廠房組成。攔河壩采用混凝土重力壩+黏土心墻堆石壩混合壩型，最大壩高34.5 m。發(fā)電引水系統(tǒng)布置于河道右岸山體內(nèi)，引水線路長(zhǎng)度5 980.38m，發(fā)電額定水頭175.5 m，發(fā)電設(shè)計(jì)引用流量為155.70 m3/s。

岸邊式電站廠房布置于壩址下游河道右岸階地上，尺寸為52.3 m×32.4 m×47.80 m(長(zhǎng)×寬×高)，內(nèi)裝3臺(tái)單機(jī)容量為83 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。壩址河床局部基巖出露，左岸發(fā)育沖積灘地，灘地寬約20～25 m。壩址區(qū)出露地層主要有前寒武紀(jì)INKISI巖組及第四系(Q)松散堆積物。

2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

工程為Ⅲ等工程，攔河壩、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房等主要建筑物為3級(jí)建筑物，根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 303—2017)的規(guī)定[3]，本工程導(dǎo)流建筑物級(jí)別確定為5級(jí)。

攔河壩施工導(dǎo)流采用全年10年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量約553 m3/s。導(dǎo)流明渠封堵施工采用枯水期(6—10月)10年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量約232 m3/s。攔河壩攔洪度汛采用全年30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量約645 m3/s。廠房尾水預(yù)留巖坎的擋水標(biāo)準(zhǔn)為全年10年一遇，相應(yīng)流量約553 m3/s。

3 導(dǎo)流方式

(1)攔河壩

壩址處山體較平緩，不具備隧洞導(dǎo)流條件。壩址處河谷底寬130～200 m，不具備河床分期導(dǎo)流條件。經(jīng)分析比較，壩址處左岸坡度15°～20°，基本具備明渠導(dǎo)流條件。

攔河壩施工導(dǎo)流采用圍堰一次攔斷河床、左岸明渠導(dǎo)流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。攔河壩上、下游施工圍堰按全年導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在其保護(hù)下進(jìn)行大壩施工。

(2)廠房

電站廠房布置于壩址下游INKISI河右岸階地上。由于廠房所處位置地面高程高于河道汛期水位，因此只需在河岸邊預(yù)留巖坎并做好防滲，無(wú)需修建廠房施工圍堰。

4 導(dǎo)流程序

(1)明渠施工階段

第二年4—8月中旬，原河床過(guò)流，進(jìn)行導(dǎo)流明渠施工。

(2)明渠導(dǎo)流階段

第二年9月初河道截流，導(dǎo)流明渠過(guò)流。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量553 m3/s，上游水位719.15 m，下游水位713.48 m。

在河床上、下游圍堰的保護(hù)下，完成混凝土壩段施工，該階段共經(jīng)歷第二年11月—第三年5月及第三年11月—第四年5月兩個(gè)汛期。

(3)明渠封堵階段

第四年6月進(jìn)行明渠封堵。利用河床部位已建成的2個(gè)底孔(4.5 m×4.8 m)過(guò)流，施工被明渠占?jí)翰课坏膲误w。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為枯水期10年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量232 m3/s，上游水位717.69 m，下游水位713.48 m。

(4)壩體攔洪階段

第四年10月，右岸混凝土壩段及左岸壩體施工完成，導(dǎo)流工程結(jié)束。

5 導(dǎo)流建筑物布置

(1)攔河壩施工導(dǎo)流

根據(jù)攔河壩布置及壩址左岸的地形和地質(zhì)條件，結(jié)合基坑開(kāi)挖、施工交通和場(chǎng)地布置，確定上、下游圍堰及導(dǎo)流明渠布置。

導(dǎo)流明渠泄流時(shí)應(yīng)滿足渠內(nèi)水流通暢，且其進(jìn)出口不應(yīng)影響上、下游圍堰的正常運(yùn)用。導(dǎo)流明渠的布置采取進(jìn)出口段為直線段、中間是半徑為80 m的圓曲線布置方式。

導(dǎo)流明渠進(jìn)口直線段長(zhǎng)約81.69 m，進(jìn)口轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)約73.70 m，渠身直線段長(zhǎng)103.14 m，出口轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)約73.70 m，出口直線段長(zhǎng)80.47 m，全長(zhǎng)412.70 m。

壩址處河床高程在711 m左右，從降低截流難度等角度考慮，確定明渠進(jìn)口高程為712.70 m，出口高程為711.00 m，縱坡為4.1‰。

明渠位于全風(fēng)化巖石上，邊坡采用1∶1.5，底寬采用16.0 m，渠道采用厚0.3 m全斷面鋼筋混凝土襯砌。

明渠水力學(xué)計(jì)算按明渠均勻流計(jì)算：

式中，Q為明渠泄水流量(m3/s)；A為明渠過(guò)水面積(m2)；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑(m)；i為明渠縱坡。

明渠進(jìn)口處水流按寬頂堰計(jì)算：

式中，Q為明渠泄水流量(m3/s)；m為流量系數(shù)；δs為淹沒(méi)系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；H為上游水深(m)。

導(dǎo)流明渠在10年一遇洪水(Q=553 m3/s)時(shí)，水力特性指標(biāo)如表1所示。

表1 導(dǎo)流明渠特性指標(biāo)表

(2)廠房施工導(dǎo)流

根據(jù)電站廠房布置及廠址的地形和地質(zhì)條件，結(jié)合施工交通和場(chǎng)地布置，確定廠房尾水處預(yù)留巖坎的擋水標(biāo)準(zhǔn)為全年10年一遇，相應(yīng)流量約553 m3/s，巖坎前水位550.68 m。

6 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

(1)導(dǎo)流明渠

導(dǎo)流明渠全長(zhǎng)412.70 m，其進(jìn)口高程為712.70 m，出口高程為711.00 m，縱坡為4.1‰。

明渠位于全風(fēng)化巖石上，邊坡采用1∶1.5，底寬采用16.0 m，渠道采用厚0.3 m全斷面鋼筋混凝土襯砌。

(2)大壩上、下游圍堰

大壩上游圍堰堰前水位為719.15 m，堰頂高程720.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高7.3 m，堰長(zhǎng)114.80 m。大壩下游圍堰堰前水位為713.48 m，堰頂高程715.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高3.5 m，堰長(zhǎng)85.30 m。大壩上、下游圍堰均為土石結(jié)構(gòu)，迎水面防護(hù)均采用拋石護(hù)坡，堰體及堰基防滲均采用高噴防滲墻。

(3)明渠封堵上、下游圍堰

明渠封堵上游圍堰堰前水位為717.69 m，堰頂高程719.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高6.8 m，堰長(zhǎng)37.2 m。明渠封堵下游圍堰堰前水位為713.48 m，堰頂高程715.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高3.8 m，堰長(zhǎng)25.0 m。

明渠封堵上、下游圍堰均為土石結(jié)構(gòu)，堰體防滲均采用黏土，迎水面防護(hù)均采用拋石護(hù)坡。

7 導(dǎo)流明渠封堵及水庫(kù)下閘蓄水

根據(jù)施工總進(jìn)度的安排，本工程導(dǎo)流明渠封堵時(shí)間選在第四年6月中旬，封堵標(biāo)準(zhǔn)為壩址多年6月平均流量，截流流量為77.20 m3/s。導(dǎo)流明渠封堵圍堰結(jié)合左側(cè)土石壩壩體填筑的施工進(jìn)行布置。導(dǎo)流明渠封堵圍堰擋水采用枯水期(6—10月)10年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)流量約232 m3/s。左側(cè)土石壩壩體填筑在封堵圍堰的保護(hù)下施工。左側(cè)壩體填筑完畢后，首部樞紐于第五年5月下閘蓄水。