響水澗上水庫導(dǎo)流方案優(yōu)化對工程的影響分析

張衛(wèi)林

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 工程概況

響水澗抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、開關(guān)站和下水庫等建筑物組成，電站裝機(jī)容量1000MW(4×250MW)。電站上水庫由主壩、南北副壩、上庫引水系統(tǒng)等組成，主、副壩均為混凝土面板堆石壩，最大壩高分別為88.0m、62.0m、53.5m，壩頂長度分別為520m、353m、174m，壩頂寬度均為8.0m。

主壩前沿高程為138m，庫內(nèi)降雨積水主要通過主壩建設(shè)區(qū)域排出庫區(qū)，因此上水庫防洪度汛重點(diǎn)在主壩工程。

2 工程原設(shè)計(jì)導(dǎo)流方式

2.1 導(dǎo)流度汛標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)資料，上水庫土建工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)施工時(shí)段不同，劃分兩個(gè)階段:

2.1.1 自施工進(jìn)點(diǎn)至2008年汛前，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按10年日暴雨降水量201.8mm/24h，24小時(shí)暴雨排水總量20.15萬m3。

2.1.2 2009年和2010年汛前，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按20年日暴雨降水量248.2mm/24h，24小時(shí)暴雨排水總量25.34萬m3。

2.2 導(dǎo)流規(guī)劃

根據(jù)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及日暴雨強(qiáng)度曲線，原導(dǎo)流方式及規(guī)劃為:

2.2.1 2007年11月～2008年2月，導(dǎo)流建筑物施工，入庫降雨從主壩溝谷排走。此階段進(jìn)行導(dǎo)流建筑物的修建施工，包括擋水圍堰、引水明渠、泄水廊道。原施工導(dǎo)流布置見圖1。擋水圍堰:圍堰頂長32.3m，底寬21.2m，頂部寬度為4m，底部高程為144.9m，高6.9m，上游迎水面坡度為1∶1，下游坡度為1∶1.5，采用袋裝土防滲。

圖1 原施工導(dǎo)流布置(單位:m)

引水明渠:明渠為漿砌石，修建在圍堰右側(cè)，過流斷面為1.2×1.6m，底部厚度為0.5m，兩側(cè)直墻厚0.3m。

泄水廊道:泄水廊道進(jìn)口底板高程為139.50m，出口底板高程為72.30m，縱坡i=7.7%、29.4%、27.3%及13.2%不等，斷面為2.6×3.6m，廊道長350.0m。廊道內(nèi)設(shè)通長DN800壓力鋼管用于庫區(qū)排水，出口設(shè)消能池。

2.2.2 2008年3月～2010年12月，入庫降雨在圍堰前匯積，高程149m以上積水通過泄水廊道內(nèi)鋼管自流排出庫外，高程149m以下通過水泵進(jìn)行抽排。

2.2.3 2010年12月進(jìn)行圍堰拆除施工。

3 原方案實(shí)施中存在的問題

泄水廊道位于主壩溝谷內(nèi)，多數(shù)為槽挖，受主壩壩體開挖和降雨影響較大，在主壩、廊道開挖時(shí)間段內(nèi)，火工品供應(yīng)也存在問題。加之，進(jìn)場不久即遭受到百年一遇的暴雪影響，致使2008年4月前工程建設(shè)幾乎處于停滯狀態(tài)，根據(jù)施工總進(jìn)度安排，難以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流目標(biāo)。

泄水廊道內(nèi)16MnR壓力鋼管需定制，在原規(guī)定時(shí)間到貨比較困難。

由于雪災(zāi)等影響，導(dǎo)致主壩壩基及其他部位石方開挖工程滯后，開挖可利用石料無法直接上壩填筑，需在庫內(nèi)堆存，導(dǎo)致原導(dǎo)流方案滯洪庫容減小，對度汛安全造成一定的危害。

基于以上幾點(diǎn)分析，通過與相關(guān)單位協(xié)調(diào)，決定對施工導(dǎo)流方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 優(yōu)化后的施工導(dǎo)流程序

上水庫建于響水澗溝源山坳中，集水面積為1.12km2，流域洪水由暴雨形成，暴雨均發(fā)生在4月至9月，以6月至7月梅雨期最多。針對以上特點(diǎn)，制定的導(dǎo)流方案及規(guī)劃如下:

4.1 導(dǎo)流方案

擋水圍堰填筑結(jié)合后期主壩上游蓋重區(qū)進(jìn)行規(guī)劃施工，頂部高程加高至155m，采用庫區(qū)剝離風(fēng)化料填筑，防滲采用粘土，取消原導(dǎo)流方案中的引水明渠，改由內(nèi)徑為800mm的鋼管代替(鋼管布設(shè)高程142～140m)，另在泄水廊道進(jìn)口段高程140m處預(yù)留孔，將鋼管與泄水廊道內(nèi)壓力鋼管相連，預(yù)留孔后期使用微膨混凝土封堵。優(yōu)化后的施工導(dǎo)流布置見圖2。

圖2 優(yōu)化后施工導(dǎo)流布置(單位:m)

4.2 導(dǎo)流規(guī)劃

4.2.1 2007年12月～2008年7月中旬，利用主壩溝谷泄洪。

4.2.2 2008年8月～2009年3月下旬，在主壩左、右側(cè)各修建一條排水溝(截水溝)泄水。

4.2.3 2009年4月～2010年12月，利用已修建的導(dǎo)流建筑物進(jìn)行防洪度汛。

4.2.4 2010年12月進(jìn)行圍堰拆除施工。

5 優(yōu)化方案對工程的影響

5.1 基本資料

安徽響水澗抽水蓄能電站地處在亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)北緣，全年有三個(gè)明顯降雨期:4至5月春雨，6至7月梅雨，9至10月秋雨。日降雨量100mm以上的大暴雨多出現(xiàn)在6、7月份。電站多年平均(1959年～2003年)年降水量為1215.5mm。響水澗(上庫)各代表年徑流年內(nèi)分配情況詳見表1，響水澗日暴雨強(qiáng)度及上庫日暴雨排水量詳見表2，上庫及響水澗主溝全年汛期設(shè)計(jì)洪水過程詳見表3。

表1 響水澗(上庫)各代表年徑流年內(nèi)分配單位:萬m3

表2 響水澗日暴雨強(qiáng)度及上庫日暴雨排水量

表3 上庫及響水澗主溝全年汛期設(shè)計(jì)洪水過程單位:m3·s－1

5.2 對工程成本的影響

5.2.1 抽排水費(fèi)用

如按照原導(dǎo)流度汛方案采用導(dǎo)流明渠引水，在圍堰及其他導(dǎo)流建筑物修建完成后，每月均要安排水泵對處于149m高程以下的降雨積水進(jìn)行抽排。不考慮蒸發(fā)等因素，根據(jù)水文資料及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，2009年3月～2010年4月期間，需投入22萬元的抽排水費(fèi)用。優(yōu)化后，此部分費(fèi)用可以省去。

5.2.2 裝運(yùn)、堆存料維護(hù)費(fèi)用

優(yōu)化后的導(dǎo)流度汛方案，圍堰填筑料為庫區(qū)剝離風(fēng)化料，滿足主壩壩體填筑區(qū)域劃分中對“上游蓋重區(qū)任意料區(qū)(1B)的填筑可以采用開挖棄渣石料，無碾壓要求”的規(guī)定，因此該區(qū)域壩體填筑料可以直接使用圍堰填筑料。優(yōu)化后的度汛方案將圍堰填筑與壩體填筑有機(jī)結(jié)合在一起，降低了堆存料堆存維護(hù)費(fèi)用及減少一次挖裝、運(yùn)輸費(fèi)用。圍堰填筑方量12000m3，1m3風(fēng)化料挖裝、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用為10元，合計(jì)12萬元(不計(jì)維護(hù)管理費(fèi)用)。優(yōu)化后，此部分費(fèi)用可以省去。

5.2.3 拆除費(fèi)用

根據(jù)合同等文件，上水庫建設(shè)完成后需要按要求清庫，原施工導(dǎo)流圍堰屬于此項(xiàng)工作，由于優(yōu)化后的導(dǎo)流方案在規(guī)劃階段已經(jīng)把圍堰作為主壩填筑的一部分，因此間接除去了此項(xiàng)工作，可減少8萬元的圍堰拆除費(fèi)用。

5.2.4 壩體填筑、庫區(qū)清理費(fèi)用

由于優(yōu)化后的導(dǎo)流圍堰已在壩前鋪蓋范圍內(nèi)，其填筑指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，另結(jié)合庫區(qū)清理等相關(guān)工作，因此，優(yōu)化后的導(dǎo)流圍堰施工方案，可在不發(fā)生任何施工成本的情況下，增加施工產(chǎn)值。根據(jù)合同文件，庫區(qū)清理單價(jià)為11.44元/m3，壩前任意料填筑20.35元/m3，因此增加產(chǎn)值為38.1萬元。

5.2.5 其他相關(guān)費(fèi)用

優(yōu)化后的導(dǎo)流方案，由于取消漿砌石引水明渠修建施工，改為使用鋼管代替，此部分增加的費(fèi)用9萬元(不計(jì)鋼管剩余價(jià)值)可節(jié)約。

由上述幾項(xiàng)，可以看出，導(dǎo)流度汛方案優(yōu)化后，降低工程建設(shè)成本至少33萬元，增加純利潤至少38.1萬元，具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 對工程安全的影響

根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)度安排，在2009年6月前主壩壩體不具備擋水條件，為保證主壩區(qū)域內(nèi)施工安全，必須采用圍堰擋水。

5.3.1 滯洪量計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)提供響水澗日暴雨強(qiáng)度，上庫日暴雨排水量及日暴雨強(qiáng)度曲線，在發(fā)生20年一遇的日暴雨強(qiáng)度時(shí)，10∶00～12∶00為危險(xiǎn)時(shí)段，結(jié)合上庫及響水澗主溝全年汛期設(shè)計(jì)洪水過程(表3)可知:

式中:Q——10∶00～12∶00匯水總量;

Q1——10∶00來水量為5.4×60×60=19440 m3;

Q2——11∶00來水量為17.3×60×60=62280 m3;

Q3——12∶00來水量為4.7×60×60=16920m3。

式中:Q1——10∶00～12∶00下泄總量;

q——下泄流量，根據(jù)設(shè)計(jì)要求最大不超過3 m3/s;

h——計(jì)算時(shí)間段，10∶00～12∶00共計(jì)3小時(shí)。

滯洪量:滯洪量=來洪量－排洪量=98640－32400=66240 m3

5.3.2 滯洪庫容選擇

5.3.2.1 原導(dǎo)流方案下實(shí)際滯洪庫容校核原導(dǎo)流方案中圍堰填筑頂高程為151.8m，因工程前期延誤，導(dǎo)致其他施工面部分界定為開挖可利用料，無法直接進(jìn)行填筑。建設(shè)方為降低工程建設(shè)成本，要求在庫區(qū)設(shè)置堆存場地進(jìn)行堆存，造成圍堰高程151.5m以下滯洪庫容減小。經(jīng)復(fù)測，圍堰前部主壩沖溝滯洪庫容為1.15萬m3(參見表4)，加上庫區(qū)棄渣場渣料孔隙水3.4萬m3，上水庫庫區(qū)僅有4.5萬m3滯洪庫容，小于度汛滯洪庫容要求。

5.4 對工程進(jìn)度、質(zhì)量的影響

如不進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)上庫及響水澗主溝全年汛期設(shè)計(jì)洪水過程(參見表4)，假設(shè)每小時(shí)降水都能及時(shí)排除，滯洪庫容每小時(shí)可利用量均為4.5萬m3，因此只要保證在11∶00其匯水能及時(shí)排除，即可保證上水庫度汛安全。結(jié)合本節(jié)5.3.1相關(guān)計(jì)算，在11∶00時(shí)，需用水泵抽排水量=來洪量－滯洪量－排洪量=Q2－V滯洪庫容－q1×h/3=62280－45000－10800=6480 m3，需配置22kW、排水能力200m3/h的水泵33臺。因此，從度汛安全、施工難度、資源配置，建設(shè)成本等考慮均不利。

5.3.2.2 優(yōu)化方案選擇為保證度汛安全，根據(jù)測量現(xiàn)場復(fù)測數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合比較，確定上水庫圍堰頂部高程加高至高程155m，圍堰蓄水高程154.3m，滯洪庫容可增加到3.5萬m3，加上庫區(qū)棄渣場渣料孔隙水3.4萬m3，滯洪庫容可增加到6.9萬m3＞滯洪量=66240 m3，滿足度汛要求。

通過對導(dǎo)流方案的優(yōu)化，對保證上水庫度汛安全、簡化施工程序、節(jié)約度汛成本起到了較為明顯的效果。主壩沖溝滯洪庫容復(fù)測見表4。

表4 主壩沖溝滯洪庫容復(fù)測

通過對響水澗抽水蓄能電站上庫導(dǎo)流度汛方案的優(yōu)化，現(xiàn)響水澗上水庫土建工程主壩工程壩體填筑已于2010年2月初填筑到高程222m，主壩填筑實(shí)際施工工期超合同工期要求兩個(gè)月，其他各主要分部工程滿足合同進(jìn)度節(jié)點(diǎn)要求。

主壩壩體填筑共驗(yàn)收639個(gè)單元，其中優(yōu)良589個(gè)，一次驗(yàn)收合格639個(gè)，一次驗(yàn)收合格率100%，優(yōu)良率92.2%。

6 結(jié)語

響水澗抽水蓄能電站上水庫土建工程前期，由于方方面面的因素造成防洪度汛難度加大，同時(shí)也加大了汛期在建項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)。通過對整個(gè)工程的深入剖析，根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際情況，及時(shí)與相關(guān)單位協(xié)商，對導(dǎo)流度汛方案進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)做好各分部工程銜接施工，對加快工程進(jìn)度，確保工程建設(shè)安全，降低工程建設(shè)成本起到了很好的效果。

通過對響水澗上水庫土建工程導(dǎo)流度汛方案的優(yōu)化，體會到在制定技術(shù)方案時(shí)，既要在方案上具有可行性，還應(yīng)在工程建設(shè)的空間上、時(shí)間上做動態(tài)分析，尤其是在成本投入等方面應(yīng)做深入研究。