智利拉哈河Ⅰ級電站施工導流方案

［瑞士］F.希帕 等

拉哈河Ⅰ級水電站壩址選在圣地亞哥南500 km處的拉哈河段，該河段是建立徑流式水電站的理想場地。在長20 km 的河段內(nèi)，河流穿過深20～30 m 的峽谷，河道縱比降約為0.1%，河床建壩地質(zhì)條件優(yōu)越，峽谷下游出口的壩址交通條件便利。為充分利用這些得天獨厚的條件，決定建設(shè)拉哈河1 級徑流式水電站，該水電站具有以下主要特征:①兩組燈泡式發(fā)電機組，總裝機35 MW;②水輪機設(shè)計流量:2 ×125 m3/s;③電站滿負荷的總落差為16 m;④年發(fā)電量約130 GW·h;⑤泄洪閘為5 孔弧形閘門(高15.3 m，寬8.4 m)，設(shè)計泄洪量(n－1)為3 700 m3/s。

盡管壩址條件優(yōu)越，但在水電站的設(shè)計中仍存在技術(shù)難題。其中，施工期間壩址區(qū)施工導流建筑物的布置就是涉及到大壩安全建設(shè)的關(guān)鍵性問題。

在該水電站導流工程的總體設(shè)計中，曾考慮過如下導流方案，但最終均被否決。

(1)在壩址外圍開挖一條導流明渠。否決原因:由于主河床位于峽谷內(nèi)，開挖方量巨大。

(2)在壩址外圍開挖一條導流隧洞。否決原因:由于隧洞上覆的強風化巖體較厚，因此在施工中存在較大技術(shù)困難。

(3)按照兩個階段的傳統(tǒng)工序分期施工:①通過發(fā)電廠房區(qū)域進行施工導流，同時建造泄洪閘;②通過泄洪閘進行施工導流，同時開展電站廠房基坑內(nèi)的工作。否決原因:工期將延長4 a 多的時間。

所有這些方案的直接和間接費用會對項目的投資收益影響較大。因此，唯一可行并最終被采納的導流方案是:將水電站的建設(shè)分成若干階段，每個施工階段采用通過泄洪閘不同閘孔交替導流的方案。在實施過程中，需要參建各方在技術(shù)領(lǐng)域和經(jīng)濟層面密切配合。

1 拉哈河水流動態(tài)影響

和智利中部的大多數(shù)河流一樣，拉哈河深受季節(jié)性水流動態(tài)的影響，在干旱的夏季(1～3 月)，河水流量較小;在多雨的冬季(6～8 月)，河水流量較大。在河流水位較低的季節(jié)，由于沒有足夠的施工場地來保證大范圍的施工，因此在規(guī)定時間內(nèi)不能完成泄洪閘堰的施工，必須將泄洪閘孔數(shù)設(shè)計成奇數(shù)。這樣，較旱季施工而言，在雨季施工就能多用1個閘孔進行施工導流。

然而水力設(shè)計者建議，在設(shè)計洪水標準條件下，僅需要4 個泄洪閘孔就可達到下泄洪峰流量的目的。然而為滿足施工導流的需要，最終選擇了5 孔閘。發(fā)電站總布置見圖1。

2 導流階段

河水導流分為5 個階段實施，每階段需要6 個月的時間原則上，在施工中每階段規(guī)定時間內(nèi)，所選擇的施工導流方案可下泄20 a 重現(xiàn)期內(nèi)的洪峰流量，而洪水不會對防護工程、基礎(chǔ)開挖或已部分完工的建筑物結(jié)構(gòu)造成損壞。

在施工組織設(shè)計中，雨季和旱季的定義如下:①旱季(D)從11 月1 日到翌年的4 月15 日，5.5個月;②雨季(W)從4 月16 日到10 月31 日，6.5個月。

圖1 發(fā)電站總布置

然而在從D1～W2，D2～W2 ，D2～W3 的過渡期，無明確界限，因此應(yīng)預(yù)見到基于月份時間序列的特定設(shè)計洪水。在每個過渡期，都要對這些中間出現(xiàn)的特定設(shè)計洪水做具體說明。對河水的階段性導流設(shè)計將在以下章節(jié)中以圖示方式做進一步解釋。

選擇的河流導流總體設(shè)計方案的主要優(yōu)點是將發(fā)電廠房的施工從其他施工場地中獨立出來。在第一個旱季(D1)中，實施適當?shù)暮樗踩胧┖?，發(fā)電站廠房施工就不再受導流工程施工活動的影響。因此，發(fā)電站廠房的各個施工階段不再贅述。

2.1 旱季1(D1)

該階段的施工導流方案如圖2 所示。施工工序如下:①通過擬建的第3～5 閘孔間的自然河道導流;②這一階段施工發(fā)電站廠房、河流中間的第1～2 閘孔以及與河流平行的建筑物。這些建筑物還包括第2～3 閘孔間的閘墩(閘墩2～3)，以及從閘墩2～3 向上游延伸的縱向圍堰。在以后的各個季節(jié)中，縱向圍堰起著保護其兩側(cè)建筑基坑的作用。

圖2 旱季1(D1)導流工程布置

圖3 雨季1(W1)導流工程布置

2.2 雨季1(W1)

此階段的施工導流方案見圖3。施工工序如下:①通過擬建的第3～5 閘孔間的自然河道導流;②建造閘孔1 和閘孔2(但不安裝弧形閘門)，包括發(fā)電站廠房和閘孔1 之間的墻體。在隨后的D2 和D3 季節(jié)，這道墻將保護發(fā)電廠房基坑免受洪水的淹沒。

2.3 旱季2(D2)

此階段的施工導流方案見圖4。施工工序如下:①通過第1 和第2 閘孔導流(沒有安裝弧形閘門);②建造第3～5 閘孔的第一部分建筑物，施工場地受上、下游臨時圍堰AT105 和AT106 保護。

圖4 旱季2(D2)導流工程布置

2.4 雨季2(W2)

此階段的施工導流方案如圖5 所示。施工工序如下:①通過第3 至第5 閘孔導流(未安裝弧形閘門);②安裝第1、2 號閘孔的弧形閘門。

圖5 雨季2(W2)導流工程布置

2.5 旱季3(D3)

此階段的施工導流方案如圖6 所示。施工工序如下:①通過第1、2 號閘孔導流(已完成弧形閘門的安裝);②在第3、5 號閘孔安裝弧形閘門;③項目施工完成，拆除臨時圍堰，開始投入使用。

圖6 旱季3(D3)導流工程布置

3 建設(shè)程序

選擇合適的施工導流總體設(shè)計方案對整個項目計劃影響巨大。首先，需選擇旱季剛來臨的時間開始現(xiàn)場施工，在此之前，需要有條不紊地安排好投標、評標、合同談判以及確定承包商等一系列程序，以滿足時間限制。此外，必須準備好由參建各方都同意的捆綁式建設(shè)程序，這應(yīng)作為建設(shè)合同的一部分。如果不考慮導流方案，建設(shè)中的某些程序可能看似不合理。比如，泄水閘第2、3 閘孔間閘墩的土木工程必須在D1 階段完成，而與之相距僅20 m 的電站廠房地基的開挖工程卻仍在進行中。此外，涉及到電站廠房施工，為在D2 季度保護電站廠房基坑，應(yīng)優(yōu)先施工廠房緊鄰泄水閘的部分。

在項目施工程序路徑上，為每個參與項目建設(shè)的承包商制定了中間里程碑。對土木工程承包商來說，這些里程碑標志著在每個季末必須完成施工的建筑物。對設(shè)備供應(yīng)商(尤其是水力設(shè)備)而言，這些則指明了設(shè)備交付的日程表，以保證設(shè)備按時安裝到位，滿足后續(xù)階段導流的需要。

4 水力設(shè)計

在D2 和D3 季，需要建造導流明渠，并將第1、2號閘孔作為溢洪道導流拉哈河水。在這一導流階段，導流明渠兩側(cè)的堤防必須填筑到一定高度，避免河中洪水暴漲而滿溢越堤，保護導流明渠兩側(cè)的建筑基坑不受洪水淹沒。為安全渡汛，在閘室軸線上游，導流明渠左右兩側(cè)要建兩堵高約10 m 的墻。

由于這兩堵墻建于主廠房引水渠的進水口前，可能會對兩個渦輪機進水口附近區(qū)域的水流狀態(tài)產(chǎn)生負面影響，進而影響到發(fā)電站的發(fā)電效益。為解決這些問題，進行了物理模型試驗。結(jié)果令人滿意，這兩堵墻不會對未來發(fā)電產(chǎn)生任何負面影響，可按照導流設(shè)計方案建造。

水力設(shè)計的另一重要問題是在每個導流階段將設(shè)計標準下的洪水安全地導流出施工區(qū)。業(yè)主將施工期的設(shè)計洪水重現(xiàn)期定為20 a 一遇的洪水標準，即風險概率為12%。由于狹窄的地形條件和確定的導流設(shè)計方案限制，保證發(fā)生率低且泄洪量大的防護方案不可行，因此該風險是可接受的。

所有擋水建筑物的最低防洪標準是基于回水曲線分析計算而確定的?？紤]到風浪和爬高，在計算水位標準的基礎(chǔ)上，旱季按超高0.5 m、雨季按1.0 m進行設(shè)計。狹窄河流橫斷面的最窄處，即所謂的“縮口”，應(yīng)避免因縮窄效應(yīng)而導致的水流不確定流態(tài)或產(chǎn)生危及附近圍堰穩(wěn)定的水躍。有了這些縮口，可保證沿圍堰的水流呈現(xiàn)穩(wěn)定流或亞臨界流。

為在規(guī)定時間內(nèi)疏散建筑基坑內(nèi)的施工人員，安裝了預(yù)警系統(tǒng)，在每個施工導流階段采用5 a 洪水重現(xiàn)期水位作為預(yù)警水位，在旱、雨季過渡期和洪峰期應(yīng)特別注意進行預(yù)警。

導流工程的設(shè)計水位是使用常用的一維水流分析軟件HECRAS 計算的。在D1、W1 和W2 季節(jié)時，導流工程的設(shè)計水位主要采用合適的尾水水位并通過回水分析計算得到;而在D2 和D3 季節(jié)時，導流工程的設(shè)計水位主要受1、2 號閘室堰頂高程的影響。

5 土建設(shè)計

由導流工程設(shè)計方案而決定的工程建設(shè)程序，常出現(xiàn)臨時荷載的情況，控制著特定建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并最終決定建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計。下列導流工程中關(guān)鍵單元工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計極具挑戰(zhàn)性:①由閘墩2～3 號向上、下游延伸的翼墻以及AT103 圍堰;②溢洪道1 號閘室和廠房之間的隔離墻。

2～3 號閘墩上游最初的保護措施是箱型圍堰，為板樁結(jié)構(gòu)的重力壩型。該圍堰是準備在旱季D2時用來保護3～5 號閘室的建筑基坑，并在雨季W(wǎng)1時保護1、2 號溢洪道閘室基坑的。由于土建承包商負責所有的臨時保護措施，因此提議用混凝土墻AT103 結(jié)構(gòu)代替原設(shè)計中的箱型圍堰。該混凝土墻用預(yù)應(yīng)力錨索錨固在巖石地基上。從結(jié)構(gòu)角度來看，將嵌巖混凝土墻設(shè)計為高約15 m 極具挑戰(zhàn)性。由于從相對較寬的箱型圍堰設(shè)計改變?yōu)榧氶L的混凝土墻設(shè)計，在墻下相對較窄的基礎(chǔ)下控制水力梯度更具挑戰(zhàn)性。隨著基底面積的減小，導致基底水力梯度增加，為減輕其對結(jié)構(gòu)安全的負面影響，必須采取灌漿措施。此外，還必須保證該臨時墻基下不能殘留河流沖積物。

溢洪道閘室1 和廠房之間的永久墻體建設(shè)同樣重要。在旱季，河水經(jīng)由1、2 號閘室形成的導流明渠導流，該墻將河水與廠房建筑基坑隔離開來。最終該墻的一部分將形成廠房引水渠進口與溢洪道進水口之間的中隔墩。與AT103 相似，高約10 m 的水壓將作用于單薄的水泥墻的一側(cè)，這一特定工況必須在臨時建筑階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計中予以考慮。在此條件下，要求建筑基坑一側(cè)的墻面必須保持干燥。同時還需考慮開挖深10～15 m 的巖石廠房基坑對墻穩(wěn)定性的影響。采用預(yù)應(yīng)力錨以及在重力結(jié)構(gòu)中設(shè)置被動錨來抵抗浮力和側(cè)向推力。為使這些保護建筑物不透水，必須再次采取灌漿措施，灌漿孔結(jié)合排水孔布置，使設(shè)計盡可能地經(jīng)濟、合理。

應(yīng)通過精心設(shè)計來控制滲入建筑基坑的水以及被混凝土結(jié)構(gòu)覆蓋的基坑壁上的水壓。這些控制措施須通過建造過程中的調(diào)查驗證、完善。

6 合同事宜

如上所述，所有圍堰和臨時保護措施的設(shè)計由建筑承包商負責，而要進行河流導流工程的總體設(shè)計，即使是對在河流導流工程中頗具經(jīng)驗的承包商來說，在許多方面也極具挑戰(zhàn)性或接近其技術(shù)臨界點。這些建筑的設(shè)計高度依賴于相關(guān)承包商的技術(shù)、經(jīng)驗、設(shè)備和能力，因此這些臨時建筑(包括細節(jié)設(shè)計)應(yīng)由項目實施所選擇的承包商負責。

因此，建筑承包商必須提交其技術(shù)標書和經(jīng)濟標書，以及一套針對保護措施的詳細解決方案，證明已充分了解導流設(shè)計方案以及相關(guān)建設(shè)的風險。在對投標人的技術(shù)評估中，關(guān)注的焦點就集中在解決方案上。對這些臨時建筑物提出不同解決方案的投標人才是中意的，評標專家對這些方案進行仔細研究，并最終在AT103 中被采納。

承包商為圍堰設(shè)計，而不是為導流工程的總體設(shè)計負責。因此，關(guān)于每個保護措施邊界的準確位置，顧問必須提出精確的設(shè)計標準，包括導流明渠兩側(cè)堤防的最低高度和過水渠道的最小寬度，每個導流階段運行最后期限的日程表，以及拆除的最早日期。在準備這些施工指南和合同條款時，前提是應(yīng)清楚提出的導流總體設(shè)計的水力學。結(jié)果證明，在拉哈河1 期徑流式電站的導流工程中，這種將工作與責任分開的特殊做法較為成功。

7 結(jié)語

目前，該項目已進入建設(shè)最后階段，成功渡過了從雨季W(wǎng)2 到旱季D3 的最后一個過渡期。且已于2012 年3 月開始水庫蓄水。所幸在過去2 a 施工期內(nèi)未發(fā)生大洪水，所有過渡時期的工作都已順利實施，在導流工程實施過程中未發(fā)生人員傷害或安全事故。

如上所述，作為合同商定的結(jié)果，要求在每個導流階段開始前，承包商必須提交詳細的工作時間表，包括證明每個圍堰穩(wěn)定性的適當支持性文件。導流工程設(shè)計具有復雜性，然而合同的條款和管理機制允許對承包商的工作進行持續(xù)地控制和支持。

采用開放式的交流和多學科的工程方法，預(yù)計導流工程以及與之相關(guān)的建筑物和巖土工程可能出現(xiàn)的各種情況是十分必要的。