兩底孔交替導(dǎo)流在水電站大壩修復(fù)改造中的應(yīng)用

宋茂興

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 475000)

兩底孔交替導(dǎo)流在水電站大壩修復(fù)改造中的應(yīng)用

宋茂興

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 475000)

以埃塞俄比亞阿巴薩姆爾水電站工程中大壩進(jìn)水口和底孔改造為例，介紹了壩區(qū)修復(fù)改造的主要任務(wù)，并根據(jù)壩區(qū)的現(xiàn)場條件，確定了兩底孔交替導(dǎo)流施工方案，闡述了具體的施工技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期的施工效果。

水電站，大壩，底孔，導(dǎo)流

1 工程概況

阿巴—薩姆爾水電站項目位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴附近，該項目由于年久設(shè)備老化、年久失修、水庫淤積、暴雨沖毀引水渠道和壓力前池，于1974年廢棄至今。本項目是我國政府開展的對外援助項目，主要施工任務(wù)是立足于充分利用現(xiàn)有的大壩、廠房等原有設(shè)施，改建引水系統(tǒng)，在原廠房內(nèi)重新安裝總?cè)萘考s為6.6 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)阿巴—薩姆爾水電站的發(fā)電功能。本工程屬于壩后引水式水電站，大壩由兩岸漿砌石擋水壩段、河床漿砌石溢流壩段和引水(沖沙底孔)壩段所組成。

2 壩區(qū)的修復(fù)改造任務(wù)分析

2.1 主要任務(wù)內(nèi)容

大壩單位工程的主要施工任務(wù)是大壩維修工程、取水口和底孔改造工程。其中大壩取水口和底孔改造工程是施工的重點和難點。主要工作內(nèi)容包括:壩身取水口為原攔河壩取水壩段的壩身機(jī)組取水口改造而成。修復(fù)后的壩身取水口由改造壩身進(jìn)水口+取水鋼管組成。進(jìn)水口前設(shè)有攔污柵和檢修閘門。取水鋼管直徑1.5 m，總長約107 m，外包混凝土。

原設(shè)計有的2個沖沙底孔，改造后原左側(cè)底孔封堵，右側(cè)底孔進(jìn)行改造加長，出口引至壩后下游的泄槽內(nèi)，用作沖沙放空通道。底孔進(jìn)水口底板高程仍為499.20 m，底孔前設(shè)有攔污柵和檢修閘門，改建后，底孔水平埋管后接長約15.5 m直徑為0.8 m的水平明管，明管末端設(shè)置手動閘閥控制水流，將沖沙水流匯入Akaki河(施工改造范圍和布置見圖1和圖2)。

圖1 壩身進(jìn)水口及底孔改造平面布置示意圖

2.2 施工現(xiàn)場條件分析

根據(jù)各方面條件分析，施工現(xiàn)場的有利條件主要有:1)施工所用土料可在庫區(qū)內(nèi)就近開采。2)施工改造工程量不大。

施工現(xiàn)場的不利條件較多，主要有:1)來水量極不均勻，實施中根據(jù)每日來水和泄水條件流量分析實際的日平均流量比水文信息提供的數(shù)據(jù)大2倍以上，在11月份最大流量為2.5 m3/s，在1月份～3月份為1.5 m3/s。一天內(nèi)有多個水位高峰，不排除上游非正常降雨情況，還會發(fā)生超正常流量現(xiàn)象。2)施工期2月～4月均有降雨量，會產(chǎn)生枯水期的洪水，可能會給施工造成極大的安全風(fēng)險。3)施工場地狹小，施工效率很低。4)兩底孔正常沖水排沙，壩內(nèi)與引水涵管串聯(lián)，水流最終匯入引水系統(tǒng)，部分在溢流通道溢出。5)兩底孔凈間距僅6.0 m，河槽淤積層深厚。6)底孔在壩前匯流處的沖溝很窄，最寬處僅6.5 m。

圖2 壩身進(jìn)水口及涵管改造剖面布置示意圖

3 主要施工方案的確定

本項目在施工組織上，從前期策劃就把壩區(qū)改造工程作為項目的難點，在實施前反復(fù)論證施工方案。根據(jù)施工任務(wù)和施工圖紙及現(xiàn)場條件綜合分析，施工按照“由低到高”和“先難后易”的順序原則，確定主要施工流程如下。

最終確定的主要施工順序(包括導(dǎo)截流施工任務(wù))為:施工道路修筑→1號導(dǎo)流涵管埋設(shè)→橫向圍堰進(jìn)占→縱向圍堰施工→2號溢流涵管埋設(shè)→橫向圍堰合龍→右側(cè)底孔改造(一期導(dǎo)流)→施工進(jìn)水口改造和壩內(nèi)壓力鋼管安裝(兩底孔同時導(dǎo)流)→左側(cè)底孔封堵(二期導(dǎo)流)。

導(dǎo)截流方式的確定是保證施工任務(wù)完成的基礎(chǔ)。項目最終確定采用非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導(dǎo)流方式，兩底孔間采用縱向鋼籠圍堰隔斷水流。

4 施工難點分析

進(jìn)水口和底孔改造的施工本身施工難度并不大，難度最大的是水流的控制。采取什么擋水建筑物，什么導(dǎo)水建筑物，底孔改造時的干地施工條件怎么實現(xiàn)，導(dǎo)流能力怎么滿足等多項施工難題擺在項目團(tuán)隊面前。項目團(tuán)隊認(rèn)為充分認(rèn)識到實施的難點是解決這些難點的前提。

根據(jù)現(xiàn)場條件的不利因素分析，導(dǎo)截流施工主要難點及風(fēng)險有:1)縱向圍堰施工。兩底孔底坎高程低于進(jìn)水口底坎4.6 m，根據(jù)上游水位和基礎(chǔ)淤積深度及兩底孔凈寬限制(據(jù)前述僅6.0 m)，縱向圍堰的成堰難度極大。縱向圍堰堰體與壩體接觸面的防滲問題難以解決，滲漏量的控制能否滿足施工條件也是風(fēng)險點之一。2)兩底孔串水問題。兩底孔在壩內(nèi)最終匯入引水渠道，存在混流和串水，導(dǎo)流時可能有回水問題。解決導(dǎo)流通道的獨立運行條件和可能的回流問題是難點之一。3)單個底孔的導(dǎo)流能力不足。兩底孔的孔徑均為80 cm，按照小孔口自由出流公式計算Q=μA√2gH0=0.62×0.311×6=1.86 m3/s(其中，H0為上游水頭，取2 m;μ=0.62)，考慮到底孔管路的水頭損失最終的出流流量應(yīng)小于該流量。因此可以判定單個底孔的泄流能力不能滿足正常泄水能力。此問題是導(dǎo)流的最大難題之一。4)單個底孔導(dǎo)流時所配套的導(dǎo)流涵管的導(dǎo)流能力的匹配與否將決定圍堰的安全和底孔進(jìn)口前池的正常運行。如導(dǎo)流涵管太大，底孔泄水能力不足會導(dǎo)致縱向圍堰被淹。如果太小，又會導(dǎo)致導(dǎo)流能力不足，影響橫向圍堰的安全。

5 兩底孔交替導(dǎo)流方案的實施

5.1 主要施工方法描述

本工程采用非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導(dǎo)流方式(平面布置見圖3)。其主要方法是利用現(xiàn)有底孔工作條件，按照科學(xué)的施工順序，首先進(jìn)行進(jìn)場路鋪筑和河道截流進(jìn)占施工，施工須按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計并保證安全。當(dāng)截流進(jìn)占到1號底(左側(cè)底孔，下述按1號底孔;右側(cè)底孔下稱2號底孔)附近時沿河道方向埋設(shè)φ1.2 m長25 m的1號鋼管(涵管)，鋼管進(jìn)口方向挖明渠平順引入河道水流，出口方向?qū)?zhǔn)1號底孔。1號涵管出水口管口底部高程與底孔底坎高程基本一致為EL500 m(實際施工時因底部為巖基，出口高于底孔為EL501.5)。涵管按照4%的坡度設(shè)置，出口低于進(jìn)口。

圖3 兩底孔交替導(dǎo)流和水流控制平面布置示意圖

其次是繼續(xù)進(jìn)行截流進(jìn)占，同時完成縱向圍堰的施工?？v向圍堰采用鋼籠圍堰，鋼籠寬度參照進(jìn)水口外側(cè)寬度(保證堰體緊貼壩體立面，方便卡位防止縱向位移)，長度根據(jù)進(jìn)水口前河槽寬度確定，深度經(jīng)人工探測河槽底部斷面和淤泥深度推測確定(鋼籠尺寸為6 m高×6 m長×4.1 m寬;人工探測時在架設(shè)預(yù)先制作好的寬1 m，長12 m的棧橋上進(jìn)行)，鋼籠兩側(cè)用10 mm厚的鋼板焊接封閉，預(yù)留局部小孔作為排水之用?；\體就位后周邊用袋裝粘土填充，中間填充淤質(zhì)粘土等防滲材料，起到擋水作用。導(dǎo)流施工重要的創(chuàng)新點之一是施工至主河槽中心前，埋設(shè)2號導(dǎo)流管(涵管)。2號導(dǎo)流涵管進(jìn)水口管口底部高程設(shè)置在EL503，同樣采用φ1.2 m的鋼管，長10 m，進(jìn)出口位置保持與圍堰堰體的距離，減少水流沖刷破壞。之后，在截流前加高戧堤填筑圍堰至EL504 m，在縱向圍堰具備擋水條件后，選擇合適時段進(jìn)行截流(河道水位小時在下午)。截流完成后，立即進(jìn)行戧堤的加高使圍堰整體達(dá)到初步的設(shè)計高程。

以上工作完成之后，基本具備了擋水和泄水條件。

5.2 水流控制的解決

水流控制的解決是本工程的難點，能否解決好這個難題，是底孔進(jìn)水口改造施工成敗的關(guān)鍵，也是兩底孔交替導(dǎo)流成功的關(guān)鍵(水流控制平面布置見圖3)。在此，詳細(xì)說明導(dǎo)流施工難點的解決辦法。

兩底孔串水問題的解決。在具備導(dǎo)流的基本條件后，受串水影響的是右側(cè)底孔改造和沖沙管安裝作業(yè)及壩內(nèi)壓力鋼管安裝。在施工安排上，首先進(jìn)行沖沙管的安裝。施工前，在兩底孔導(dǎo)流的條件下采用液壓沖擊錘將2號底孔下游側(cè)的引流室外墻打通，打通后水流直接通過墻體空洞外泄，同時也給沖沙管安裝創(chuàng)造安裝條件。為避免串水影響，導(dǎo)流布置上采取兩底孔都不導(dǎo)流的辦法，在施工日下午4時，來水量最小時，關(guān)閉1號和2號導(dǎo)流涵管進(jìn)水口，兩個工作日分別完成施工準(zhǔn)備和安裝工作。就此2號導(dǎo)流底孔的水就可以直接排到河里，相應(yīng)解決了此底孔的串水問題。2號底孔的串水問題是在2號底孔導(dǎo)流的條件下采用液壓沖擊錘將1號底孔下游側(cè)的引流室外墻打通，讓水不再引流至壩內(nèi)直接排出進(jìn)入原引水渠。然后將壩內(nèi)的串水口進(jìn)行漿砌石封堵，堵塞串水通道。采取這一系列辦法后，串水問題徹底解決，給壩內(nèi)老混凝土鑿除和壓力鋼管安裝創(chuàng)造了施工條件。

導(dǎo)流涵管的設(shè)置解決了與底孔導(dǎo)流能力匹配的問題。涵管的埋設(shè)位置和高程以及配置較大的涵管直徑恰到好處的解決了涵管配合底孔交替導(dǎo)流的匹配問題。

表1 施工和導(dǎo)流時段設(shè)置說明

導(dǎo)流能力不足問題的解決。針對此問題的解決，項目團(tuán)隊創(chuàng)造性的提出并實施了導(dǎo)流涵管臨時閘門來控制水流，通過導(dǎo)流時段調(diào)節(jié)水流，很好的解決了水流控制和導(dǎo)流能力不足的大難題。臨時閘門采用12 mm厚鋼板，通過與涵管進(jìn)口法蘭盤的平面接觸在水壓力的作用下達(dá)到密閉作用。在關(guān)閉狀態(tài)下，只有少量滲水，才能達(dá)到關(guān)閉效果。底孔改造工作任務(wù)重，是受導(dǎo)流影響最大的項目，通過涵管臨時閘門的控制，施工導(dǎo)流時段得以實現(xiàn)，當(dāng)來水量大時(河道水位高)兩底孔導(dǎo)流，來水量小時一個底孔導(dǎo)流，順利的給底孔和進(jìn)水口改造施工創(chuàng)造了施工條件。

具體導(dǎo)流時段設(shè)置可見以下敘述和表1。

5.3 導(dǎo)流時段

根據(jù)大壩取水口和底孔改造任務(wù)及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c，施工節(jié)點目標(biāo)定為2016年3月31日前完成全部進(jìn)水口和底孔的改造任務(wù)。施工任務(wù)目標(biāo)的實現(xiàn)，首要的前提是導(dǎo)流方案的成功，分解后的各部分詳細(xì)時間節(jié)點的完成需與導(dǎo)流時段的分解和成功實施相匹配，來保障有效的施工時間，也就是干地施工時間的實現(xiàn)。具體詳細(xì)施工節(jié)點和導(dǎo)流時段設(shè)置見表1。

6 結(jié)語

正常情況下，大壩修復(fù)改造工程的施工難度都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新建工程的難度的。本工程施工改建中，采取非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導(dǎo)流方式并且成功應(yīng)用，在實施中通過采取多種措施，順利解決了多個技術(shù)難題，創(chuàng)造性的進(jìn)行水流控制并利用導(dǎo)流時段的安排，出色的完成了施工任務(wù)。本項目的成功經(jīng)驗，科學(xué)的證明了兩底孔交替導(dǎo)流這個科技創(chuàng)新推動了工程的順利進(jìn)行，極大的促進(jìn)了工程各方面效益的取得。

The application of two under ports alternating river diversion in dam repair transformation of hydropower station

Song Maoxing
(China Water Conservancy and Hydropower 11th Engineering Limited Company，Zhengzhou 475000，China)

Taking the under port transformation of dam water inlet in Ethiopia Samur ABA hydropower station engineering as an example，this paper introduced the main tasks of dam area renovation，and according to the site conditions of dam area，identified the construction scheme of two under ports alternating river diversion，elaborated specific construction technology，achieved the desired construction effect.

hydropower station，dam，under port，river diversion

TV738

:A

1009-6825(2016)36-0223-03

2016-10-16

宋茂興(1981-)，男，工程師