雙叉河流上多壩型組合壩體導(dǎo)流方案研究

徐海亮,蘇軍安,王福初,李建軍,虞東亮

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙410014；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長(zhǎng)沙410014)

0 引 言

施工導(dǎo)流是水利水電工程施工過(guò)程中,將原河道水流通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞綄?dǎo)向下游的工程措施[1]。導(dǎo)流方案的選擇內(nèi)容復(fù)雜,涉及面廣,其與水文、地形、地質(zhì)、水文地質(zhì)、樞紐布置及施工條件等密切相關(guān)[2]。正確合理地選擇施工導(dǎo)流方案可以加快施工進(jìn)度、降低工程造價(jià),否則可能會(huì)受到其他因素的干擾而影響施工,拖延工期,增加投資,甚至?xí)斐晒こ淌?。?guó)內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者,對(duì)施工導(dǎo)流在理論上進(jìn)行了比較深入和詳細(xì)的研究,主要分為單目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策分析和多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策分析。姜樹(shù)海[3]以風(fēng)險(xiǎn)這個(gè)概念為依托,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)率和風(fēng)險(xiǎn)損失這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析,通過(guò)控制工程總造價(jià)和工程損失造成的費(fèi)用之和最小為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇。肖煥雄、史精生[4]用工程費(fèi)用及工期這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)分析來(lái)選擇導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)和方案,并給出了確定性施工費(fèi)用及施工工期和風(fēng)險(xiǎn)損失費(fèi)用及工期的計(jì)算方法。黃達(dá)海[5]以全年導(dǎo)流方案為對(duì)象進(jìn)行研究,把工程總工程量、總工期、風(fēng)險(xiǎn)率、施工不均衡系數(shù)及最大填筑強(qiáng)度等5個(gè)參數(shù)作為決策目標(biāo),采用模糊綜合評(píng)判方法使不同特性的指標(biāo)統(tǒng)一到綜合評(píng)價(jià)參數(shù)中,并分別采用專家咨詢法和層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重。周宜紅[6]、王卓甫[7]利用Monte-Carlo方法對(duì)施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算進(jìn)行研究。上述研究成果都是以保證工程安全施工的前提下縮短工期,降低工程總費(fèi)用為目標(biāo)來(lái)優(yōu)選導(dǎo)流方案的。本文依據(jù)喀麥隆Kikot水電站壩址區(qū)雙叉河過(guò)流且過(guò)流能力相差較大,河床寬、流量大、多種壩型組合的特點(diǎn),在保證施工安全可靠的前提下,進(jìn)行導(dǎo)流方案的優(yōu)選。

1 工程特點(diǎn)

1.1 多種壩型組合特點(diǎn)

Kikot水電站是喀麥隆規(guī)劃于薩納加河(Sanaga River)中游河段的水電項(xiàng)目,以發(fā)電為主,工程采取河床式布置,樞紐布置從左至右依次為：左岸面板堆石壩、廠房引水壩段(下游布置壩后式廠房)、沖沙壩段,河中島面板堆石壩、右叉河重力壩、泄洪底孔壩段、泄洪表孔壩段、右岸面板堆石壩。大壩壩頂高程354.00 m,最大壩高62.00 m,總裝機(jī)容量720 MW。泄洪表孔共5孔,采用開(kāi)敞式溢流堰,孔口尺寸為18.00 m×15.00 m(寬×高),堰頂高程336.00 m,采用WES型實(shí)用堰,上游面垂直。泄洪底孔共2孔,底板高程309.00 m,孔口尺寸為10.00 m×8.00 m(寬×高)。

1.2 雙叉河過(guò)流地形特點(diǎn)

壩址區(qū)屬丘陵地貌,總體地勢(shì)較緩,起伏差一般小于50.00 m。河道為典型的平原河道,該河段分布多個(gè)孤島,河水被其分隔成多股散流。河流在壩址處分為左右兩叉,兩岸岸坡相對(duì)較緩且高差不大,岸邊為基巖岸坡,河中基巖礁石出露基本無(wú)覆蓋層分布。左叉河河床底部高程約312.00 m,右叉河河床底部高程約290.00 m,兩叉河河床底部高程相差20多米,主要通過(guò)右叉河過(guò)流。河道無(wú)通航要求。

2 導(dǎo)流方式選擇

Kikot水電站工程壩址所在的河道分為左右兩叉,且較寬,兩岸地形較緩,山體較單薄,成洞較困難,河流流量較大,因此,不適合采用隧洞導(dǎo)流方式。根據(jù)本工程壩址地形、地質(zhì)、水文條件以及水工樞紐布置的特點(diǎn),并充分利用河道左右兩河道以及中間孤島的天然優(yōu)勢(shì),工程適宜采用分期導(dǎo)流方式。

3 導(dǎo)流方案比較

3.1 方案擬定

結(jié)合地形地質(zhì)條件,在水工樞紐布置總體保持不變的前提下,初步擬定了4個(gè)導(dǎo)流方案進(jìn)行比較。

3.1.1方案1——分兩期導(dǎo)流,第一期先圍左叉河及中間島

一期圍左叉河的左岸混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段(下游布置壩后式廠房)、沖沙壩段和河中島混凝土面板堆石壩段,在左叉河沖沙壩段右側(cè)壩段(該方案需將約80.00 m河中間島混凝土面板堆石壩改成混凝土重力壩)內(nèi)布置4個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程313.00 m的導(dǎo)流底孔,由右叉河過(guò)流。一期采用全年土石圍堰擋水,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期全年20年一遇洪水,相應(yīng)流量8 679 m3/s；二期圍右叉河右岸的混凝土面板堆石壩段、泄洪壩段(包括5孔泄洪表孔壩段和2孔泄洪底孔壩段)和右叉河重力壩段,枯水期由布置在左叉河的4個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程313.00 m的導(dǎo)流底孔過(guò)流,采用過(guò)水土石圍堰(汛期過(guò)水)擋水,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯水時(shí)段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應(yīng)流量2 470 m3/s。汛期由4個(gè)導(dǎo)流底孔和右叉河基坑過(guò)流,度汛標(biāo)準(zhǔn)采用全年20年一遇洪水,相應(yīng)流量8 679 m3/s。

第7年4月工程下閘蓄水,第7年5月初全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,第7年6月底導(dǎo)流底孔封堵完成,工程完工。

方案1機(jī)組發(fā)電工期6年4個(gè)月,總工期6年6個(gè)月。

3.1.2 方案2——分兩期導(dǎo)流,第一期先圍右叉河

一期圍右叉河右岸混凝土面板堆石壩段、泄洪壩段(包括5孔泄洪表孔壩段和2孔泄洪底孔壩段)和右叉河重力壩段,在泄洪表孔壩段和右叉河重力壩段內(nèi)布置7個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導(dǎo)流底孔,由擴(kuò)挖后的左叉河過(guò)流,采用過(guò)水土石圍堰(汛期過(guò)水)擋水。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯水時(shí)段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應(yīng)流量2 470 m3/s。度汛標(biāo)準(zhǔn)采用全年10年一遇洪水,相應(yīng)流量8 195 m3/s,其中,第1個(gè)汛期由左叉河及右叉河基坑過(guò)流,第2個(gè)汛期由左叉河及右叉河壩段布置的7個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導(dǎo)流底孔和2個(gè)10.00 m×8.00 m(寬×高)的泄洪底孔過(guò)流；二期圍左叉河的混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段、沖沙壩段和島中間混凝土面板堆石壩段,由2個(gè)泄洪底孔和布置在右叉河泄洪表孔壩段及右叉河重力壩段內(nèi)的7個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導(dǎo)流底孔過(guò)流,采用全年土石圍堰擋水,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期全年20年一遇的洪水,相應(yīng)流量8 679 m3/s。

第7年4月工程下閘蓄水；第7年9月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電；第8年7月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,導(dǎo)流底孔封堵完成,工程完工。

方案2首臺(tái)機(jī)發(fā)電發(fā)電工期6年零9個(gè)月,總工期7年零7個(gè)月。

3.1.3方案3——分兩期導(dǎo)流,第一期先圍左叉河、中間島和右叉河部分壩段(設(shè)縱向圍堰)

在準(zhǔn)備工程施工期修建縱向圍堰。一期圍左叉河的混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段、沖沙壩段、島中間混凝土面板堆石壩段以及右叉河的混凝土面板堆石壩段、泄洪表孔壩段、泄洪底孔壩段和部分右叉河重力壩段,在右叉河泄洪表孔壩段內(nèi)布置2個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導(dǎo)流底孔,枯水期由右叉河束窄河床泄流,汛期由右叉河束窄河床和右叉河基坑過(guò)流。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)分兩種,左叉河圍堰的擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期全年20年一遇的洪水,相應(yīng)流量8 679 m3/s,圍堰形式為全年擋水土石圍堰；右叉河的圍堰擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為枯水時(shí)段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應(yīng)流量2 470 m3/s,圍堰形式為過(guò)水土石圍堰(汛期過(guò)水)。

二期圍束窄河床段的右叉河重力壩段,由2個(gè)泄洪底孔和2個(gè)導(dǎo)流底孔泄流,采用土石圍堰擋水,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯水時(shí)段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應(yīng)流量2 470 m3/s。

第5年8月底工程下閘蓄水；第5年9月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電；第6年4月底導(dǎo)流底孔封堵完成；第6年7月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,工程完工。

方案3,首臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)間為4年9個(gè)月,總工期5年7個(gè)月。

表1 4個(gè)導(dǎo)流方案造價(jià)及工期比較

3.1.4方案4——分兩期導(dǎo)流,第一期同時(shí)圍左叉河、右叉河及部分中間島(明渠導(dǎo)流)

在準(zhǔn)備工程施工期修建導(dǎo)流明渠,明渠修建在島中間。一期圍左叉河的混凝土面板堆石壩段、廠房引水壩段、沖沙壩段、河中島混凝土面板堆石壩段及右叉河的混凝土面板堆石壩段、泄洪表孔壩段、泄洪底孔壩段、部分右叉河重力壩段,在右叉河泄洪表孔壩段內(nèi)布置2個(gè)9.00 m×10.00 m(寬×高)、底板高程300.00 m的導(dǎo)流底孔,枯水期由導(dǎo)流明渠過(guò)流,汛期由導(dǎo)流明渠和右叉河基坑過(guò)流。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)分兩種,左叉河圍堰的擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期全年20年一遇的洪水,相應(yīng)流量8 679 m3/s,圍堰形式為全年擋水土石圍堰；右叉河圍堰的擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為枯水時(shí)段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應(yīng)流量2 470 m3/s,圍堰形式為過(guò)水土石圍堰(汛期過(guò)水)。

二期圍導(dǎo)流明渠壩段,由2個(gè)泄洪底孔和2個(gè)導(dǎo)流底孔泄流,采用不過(guò)水土石圍堰,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用枯水時(shí)段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相應(yīng)流量2 470 m3/s。該方案需要將推薦樞紐方案中明渠壩段由混凝土面板堆石壩改成混凝土重力壩。

第5年8月底工程下閘蓄水；第5年9月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電；第5年12月底完成廠房二期混凝土的澆筑。

第6年4月底導(dǎo)流底孔封堵完成；第6年7月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,工程完工。

方案4,首臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)間為4年9個(gè)月,總工期5年7個(gè)月。

4個(gè)導(dǎo)流方案造價(jià)及工期比較詳見(jiàn)表1。

3.2 方案分析比較

3.2.1 導(dǎo)流工程造價(jià)比較分析

4個(gè)導(dǎo)流方案造價(jià)及工期比較見(jiàn)表1。從表1可以看出,4個(gè)方案中,方案1導(dǎo)流工程投資最大,方案4最小,但是方案4由于需要在島中間開(kāi)挖一條明渠,考慮明渠后期的封堵施工,需將推薦樞紐布置方案相應(yīng)明渠壩段由混凝土面板堆石壩改成混凝土重力壩,相應(yīng)地增加了混凝土工程量,樞紐投資約增加11 040萬(wàn)元,因此,綜合考慮主體工程及導(dǎo)流工程投資,方案3投資最小。

3.2.2 工期比較分析

從表1可以看出,方案3和方案4的首臺(tái)機(jī)發(fā)電工期和總工期最短,方案2的首臺(tái)機(jī)發(fā)電工期和總工期最長(zhǎng),且方案1和方案2在首臺(tái)機(jī)發(fā)電工期和總工期方面都遠(yuǎn)大于方案3和方案4。

3.2.3 從導(dǎo)流布置與工程施工的特點(diǎn)分析

方案1。二期導(dǎo)流由4個(gè)導(dǎo)流底孔過(guò)流,導(dǎo)流底孔布置在沖沙壩段右側(cè)約80.00 m長(zhǎng)范圍由混凝土面板堆石壩改為混凝土重力壩壩段內(nèi),從而增加了混凝土工程量,其次,導(dǎo)流底孔布置的位置高程較高,導(dǎo)流底孔上下游需進(jìn)行開(kāi)挖,增加了土石方開(kāi)挖量。

方案2。方案2由于先進(jìn)行右叉河混凝土面板堆石壩、泄洪表孔壩段、泄洪底孔壩段、重力壩段的施工,使得廠房的修建時(shí)間延遲,進(jìn)而推遲了該方案首臺(tái)機(jī)組的發(fā)電工期和總工期。其次,二期導(dǎo)流廠房施工采用全年20年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn),需在泄洪表孔壩段和重力壩段下布置7個(gè)導(dǎo)流底孔才能滿足二期過(guò)流要求,增加了施工難度。

方案3。方案3在準(zhǔn)備工程建設(shè)期要進(jìn)行混凝土縱向圍堰的施工(含圍堰過(guò)壩段混凝土重力壩的施工),混凝土圍堰有一部分需要在水下施工。

方案4。方案4需要在河中島開(kāi)挖一條寬65.00 m的導(dǎo)流明渠,明渠開(kāi)挖工程量較大,且需將推薦樞紐布置方案明渠所在壩段的混凝土面板堆石壩(超過(guò)65.00 m)改成混凝土重力壩段。

綜上所述,從投資方面來(lái)看,方案3最?。粡氖着_(tái)機(jī)發(fā)電工期和總工期方面來(lái)看,方案3和方案4最??；從導(dǎo)流布置及工程施工的特點(diǎn)來(lái)看,4個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。但總體上看方案3最優(yōu),因此,方案3作為推薦的導(dǎo)流方案。

4 結(jié) 論

(1)從施工導(dǎo)流方式的角度來(lái)看,在流量大,河床寬且兩岸山體較單薄的平原河道上修建水利樞紐,其導(dǎo)流方式適合采用分期導(dǎo)流。

(2)從Kikot水電站工程本身所具有的特點(diǎn)：雙叉河過(guò)流且河道底部高程相差較大,水工樞紐由多種壩型組合而成來(lái)看,經(jīng)過(guò)4種導(dǎo)流方案的比較,最終本階段選擇束窄主河道(右叉河)的分期導(dǎo)流方案。該導(dǎo)流方案對(duì)于具有類似地形條件、樞紐布置形式的工程具有較大的參考價(jià)值。

(3)從導(dǎo)流與樞紐布置格局兩者之間的關(guān)系來(lái)看,導(dǎo)流工程是為了樞紐工程能夠安全快速施工而進(jìn)行建設(shè)的一項(xiàng)輔助性工程,但是兩者是相輔相成的。從本工程來(lái)看,最優(yōu)的導(dǎo)流方案需要水工樞紐布置在一定的范圍內(nèi)緊密配合,并適當(dāng)作出相應(yīng)調(diào)整。

[1] 全國(guó)水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng). 水利水電工程施工手冊(cè)(第5卷)[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社, 2005．

[2] 袁光裕. 水利工程施工[M]. 第5版. 北京: 中國(guó)水利電力出版社, 2009．

[3] 姜樹(shù)海. 用風(fēng)險(xiǎn)決策方法確定施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)[J]. 水利水運(yùn)科學(xué)研究, 1997(1)： 1- 10．

[4] 肖煥雄, 史精生. 施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)決策[J]. 水利學(xué)報(bào), 1990(11)： 66- 71．

[5] 黃達(dá)海. 用模糊綜合評(píng)判的方法進(jìn)行施工導(dǎo)流方案的選擇[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版, 1993(2)： 106- 112．

[6] 周宜紅. 施工導(dǎo)截流方案風(fēng)險(xiǎn)決策研究[D]. 武漢： 武漢水利電力大學(xué), 1995．

[7] 王卓甫. 施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 水利學(xué)報(bào), 1992(5)： 65- 71．