浩口水電站施工期水流控制技術(shù)綜述

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng)，550081)

1 前言

施工期水流控制技術(shù)在水電工程施工過(guò)程中至關(guān)重要，它不僅關(guān)系到工程施工期安全，還對(duì)工程施工進(jìn)度、工程造價(jià)有重要影響。浩口水電站位于重慶武隆境內(nèi)的芙蓉江上，屬于典型的山區(qū)狹窄河谷地區(qū)，其具有的以下特點(diǎn)對(duì)工程施工期水流控制提出了較高要求：(1)工程所在地屬于典型的山區(qū)性河流，一年當(dāng)中枯水期和豐水期的界限相當(dāng)明顯，且兩者的流量相差巨大；(2)工程地處深山峽谷，河床狹窄，兩岸山體陡峻，不適合明渠導(dǎo)流或者分期導(dǎo)流；(3)工程規(guī)模較小，建設(shè)單位對(duì)工程投資有嚴(yán)格要求；(4)河床覆蓋層較深，下游岸坡有堆積體，對(duì)圍堰防滲及防沖有較高要求。

2 前期設(shè)計(jì)方案

2.1 工程基本情況

浩口水電站位于重慶市武隆縣浩口鄉(xiāng)，是芙蓉江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第11級(jí)，電站正常蓄水位352m，死水位349m，水庫(kù)總庫(kù)容8962萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量135MW，工程規(guī)模為3等，主要水工建筑物級(jí)別為Ⅲ級(jí)，臨時(shí)建筑物等級(jí)別為4級(jí)。

工程樞紐主要由攔河大壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸引水系統(tǒng)、地面廠(chǎng)房和生態(tài)流量小機(jī)組組成。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高84.5m，堰頂設(shè)置5孔13m×21m的溢流表孔。

2.2 施工導(dǎo)流方案

2.2.1 導(dǎo)流方式

壩址河谷寬約80m，兩岸陡峻，無(wú)開(kāi)挖明渠條件。河床覆蓋層深20m，壩基開(kāi)挖最大深度達(dá)30m，導(dǎo)流流量大，也無(wú)束窄河床分期導(dǎo)流的地形條件。壩址區(qū)兩岸山體雄厚，巖性為灰?guī)r和頁(yè)巖，具備成洞條件，采用一次斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式。

2.2.2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)流時(shí)段

工程初期導(dǎo)流采用10年重現(xiàn)期，導(dǎo)流流量1920m3/s(枯水期流量)；大壩施工面貌超過(guò)上游圍堰后采用20年重現(xiàn)期度汛標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)流流量8340m3/s。

工程地處山區(qū)河流，通過(guò)對(duì)工程水文條件分析，10年洪水重現(xiàn)期全年流量為6920m3/s，而枯水期10年洪水重現(xiàn)期流量?jī)H為1920m3/s，河段洪枯流量相差較大。對(duì)全年導(dǎo)流方案和枯期導(dǎo)流方案從施工工期、工程投資等角度進(jìn)行了比較和論證，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，全年導(dǎo)流方案和枯期導(dǎo)流方案各有優(yōu)劣，全年導(dǎo)流方案導(dǎo)流工程投資較大，考慮到提前發(fā)電效益后，仍然要比枯期導(dǎo)流方案多，枯期導(dǎo)流方案主要存在的問(wèn)題是工程總工期略長(zhǎng)、上下游過(guò)水圍堰的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)要求較高，但工程投資顯著減少。工程最終采用了枯期導(dǎo)流方案。

表1 枯期導(dǎo)流和全年導(dǎo)流投資比較

2.2.3 導(dǎo)流程序

(1)施工期第一年10月初至第二年10月底，主要施工導(dǎo)流洞、大壩壩肩開(kāi)挖以及廠(chǎng)房?？菟灰陨系拈_(kāi)挖，由原河床過(guò)流；

(2)施工期第二年11月初截流后至第三年4月底，主要施工項(xiàng)目有：上、下游圍堰填筑，大壩基坑開(kāi)挖及混凝土澆筑，廠(chǎng)房常枯水位以下基礎(chǔ)開(kāi)挖及混凝土澆筑等。該時(shí)段由圍堰擋水、導(dǎo)流洞泄流；

(3)施工期第三年5月初至第三年10月底，該時(shí)段圍堰過(guò)水，導(dǎo)流洞及基坑泄流，洪水淹沒(méi)大壩基坑，大壩及廠(chǎng)房停止施工；

(4)施工期第三年11月初至第四年4月底，大壩進(jìn)行基坑清理并繼續(xù)澆筑混凝土，廠(chǎng)房進(jìn)行土建部分施工。該時(shí)段由圍堰擋水、導(dǎo)流洞泄流；

(5)施工期第四年5月至第四年10月底，該時(shí)段由大壩溢流面和導(dǎo)流洞聯(lián)合溢流，大壩和廠(chǎng)房繼續(xù)施工；

(6)施工期第四年11月初至第五年4月底，該時(shí)段由大壩擋水、導(dǎo)流洞泄流，大壩及廠(chǎng)房主要土建、金結(jié)、機(jī)電工程全部完成。3月底導(dǎo)流洞下閘，導(dǎo)流洞開(kāi)始封堵，封堵期由大壩溢流堰過(guò)流。

2.3 導(dǎo)流建筑物布置

2.3.1 泄水建筑物

壩址區(qū)河道右岸為凸岸，左岸為凹岸，兩岸地質(zhì)條件基本相同，經(jīng)比較后在右岸布置一條導(dǎo)流隧洞，直線(xiàn)布置，隧洞進(jìn)口底板高程303.8m，出口底板高程301.6m，隧洞底坡0.39%，進(jìn)口引渠段長(zhǎng)47.10m，隧洞長(zhǎng)562.50m，出口明渠段長(zhǎng)180.50m，隧洞采用城門(mén)洞型，斷面尺寸11.5m×16.0m(寬×高)，過(guò)流面積172.55m2。

導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)15.0m長(zhǎng)閘室段，鋼閘門(mén)最大擋水水頭約40.0m。導(dǎo)流洞洞身靠近進(jìn)口段地層為灰?guī)r，以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，局部有Ⅳ類(lèi)；靠近出口段地層為頁(yè)巖，以Ⅳ類(lèi)圍巖為主。為保證導(dǎo)流洞在開(kāi)挖和運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全，導(dǎo)流洞開(kāi)挖后，進(jìn)行噴錨支護(hù)，全洞段進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度根據(jù)洞段所處位置、圍巖地質(zhì)條件等確定，以60cm～80cm不等，洞身進(jìn)行固結(jié)灌漿和回填灌漿。導(dǎo)流洞堵頭設(shè)在大壩帷幕線(xiàn)上，堵頭最大擋水水頭約50.0m，堵頭長(zhǎng)度20.0m。

①擋水大壩 ②引水隧洞 ③地面廠(chǎng)房 ④導(dǎo)流隧洞 ⑤上游圍堰 ⑥下游圍堰 ⑦導(dǎo)流洞施工支洞

2.3.2 擋水建筑物

2.3.2.1 圍堰堰型的選擇

大壩在截流后的第一個(gè)汛期澆筑高程遠(yuǎn)低于上游圍堰，基坑在汛期需要過(guò)水，上游圍堰高達(dá)32.5m，填筑方量較大，如果采用土石不過(guò)水圍堰，汛期洪水將沖毀上下游圍堰，汛后需要重新恢復(fù)，大壩及廠(chǎng)房在汛后施工前也需要清理基坑，工程投資勢(shì)必要加大。更重要的是，本工程大壩混凝土澆筑工期較為緊張，修復(fù)圍堰和清理基坑均需要時(shí)間，將直接影響到大壩在截流后第二個(gè)汛期參與度汛的目標(biāo)。因此，本工程考慮上下游圍堰均采用土石過(guò)水圍堰，通過(guò)對(duì)堰面的保護(hù)，避免圍堰在汛期遭到破壞，以節(jié)省汛后修復(fù)圍堰的時(shí)間和工程投資。

2.3.2.2 上下游圍堰協(xié)調(diào)布置研究

土石過(guò)水圍堰的主要技術(shù)指標(biāo)是上、下游圍堰高差和過(guò)堰水頭。小流量時(shí)落差大，流速大，單寬流量小，單寬動(dòng)能小；大流量時(shí)落差小，流速小，單寬流量大，單寬動(dòng)能也大。一般情況下，上游圍堰受下游圍堰保護(hù)，如能使上游圍堰的堰腳有足夠的淹沒(méi)深度，過(guò)流時(shí)堰腳就不會(huì)直接受到?jīng)_刷，并產(chǎn)生對(duì)堰面較為有利的遠(yuǎn)趨水躍面流消能形式。因此，下游圍堰的穩(wěn)定對(duì)上游圍堰來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。針對(duì)浩口水電站過(guò)水圍堰，主要有以下技術(shù)問(wèn)題：

(1)上下游圍堰高差大。在導(dǎo)流流量Q10%=1920m3/s時(shí)，上游水位為328.3m，下游水位為308.2m，不算堰面水頭，上下游圍堰高差就達(dá)到20.1m，而上下游圍堰軸線(xiàn)之間的距離僅為500m，在如此短的河道里，太高的上下游圍堰落差將導(dǎo)致上游圍堰的堰面流速過(guò)大，堰面保護(hù)將會(huì)很困難。結(jié)合其它工程經(jīng)驗(yàn)，在上游圍堰頂部設(shè)自潰堰，同時(shí)加高下游圍堰，以減小上下游落差。下游圍堰的高程最終確定為318.0m，比309.0m高程抬高了9.0m；同時(shí)，上游圍堰頂部設(shè)5.0m高的自潰堰，在324.0m高程對(duì)堰面進(jìn)行保護(hù)，這樣在過(guò)流時(shí)上下游圍堰的高差就降到了6.0m，大大降低了上游圍堰的壓力；

(2)圍堰高度高，水流過(guò)堰流速大，堰面保護(hù)困難。上游圍堰擋水時(shí)最大高度達(dá)到32.5m，超過(guò)一般過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)高度，再加上本工程水流過(guò)堰時(shí)單寬流量大，導(dǎo)致了過(guò)堰流速大，致使堰面保護(hù)困難。為了保證上下游圍堰在過(guò)流時(shí)的安全穩(wěn)定，擬在圍堰的下游坡設(shè)消能平臺(tái)，坡腳加強(qiáng)保護(hù)。關(guān)于消能平臺(tái)高程的設(shè)置，主要考慮過(guò)流時(shí)能形成水墊塘，以保護(hù)消能平臺(tái)，即下游圍堰消能平臺(tái)高程應(yīng)低于圍堰最小過(guò)流量對(duì)應(yīng)的下游水位，上游圍堰消能平臺(tái)高程應(yīng)低于下游圍堰堰頂高程，以便圍堰過(guò)流基坑充滿(mǎn)水后能保護(hù)上游圍堰堰腳，保護(hù)消能平臺(tái)。

2.3.2.3 上下游圍堰設(shè)計(jì)

上游圍堰頂高程為329.0m，最大堰高32.5m，堰頂寬度15.0m。圍堰上游坡比為1∶2.0，下游312.0m高程設(shè)15.0m長(zhǎng)的消能平臺(tái)，高程324.0m～312.0m之間坡比1∶5，312.0m高程以下坡比1∶1.5。在324.0m高程以上設(shè)5.0m高的土石自潰堰，堰頂寬度1.0m，在324.0m高程平臺(tái)設(shè)1.0m厚的混凝土板，下游坡面設(shè)混凝土護(hù)面，以保證圍堰過(guò)流時(shí)的安全穩(wěn)定。

下游圍堰堰頂高程318.0m，最大堰高17.0m，堰頂寬度10.0m。圍堰上游坡比為1∶1.8，下游306.0m高程設(shè)15.0m長(zhǎng)的消能平臺(tái)，高程318.0m～306.0m之間坡比1∶5，306.0m高程以下坡比1∶1.5。在318.0m高程平臺(tái)設(shè)1.0m厚的混凝土板，下游坡面設(shè)混凝土護(hù)面，以保證圍堰過(guò)流時(shí)的安全穩(wěn)定。

下游圍堰兩岸均為深厚覆蓋層，兩岸的防滲和過(guò)流時(shí)對(duì)岸坡的保護(hù)成為下游圍堰需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，由于兩岸覆蓋層較深，特別是左岸為堆積體，在兩岸對(duì)覆蓋層進(jìn)行斜孔控制性灌漿，以解決河水繞堰坡滲漏的問(wèn)題；同時(shí)，為減小過(guò)流時(shí)水流對(duì)兩岸覆蓋層的沖刷，在圍堰兩岸設(shè)鋼筋籠護(hù)坡，護(hù)坡高程以圍堰過(guò)流時(shí)最高的堰前水位為準(zhǔn)。由于河床覆蓋層較深，在下游圍堰堰腳20m范圍內(nèi)拋填d=50cm～80cm的大塊石。

①截流戧堤 ②塊石護(hù)坡 ③過(guò)渡料 ④石渣 ⑤干砌石 ⑥碎石 ⑦混凝土鍥形體 ⑧黏土草袋 ⑨塊石排水棱體 ⑩塊石護(hù)坡 混凝土防滲墻 土工膜 鋼筋混凝土板 消能平臺(tái) 地面線(xiàn) 基覆分界線(xiàn)

①塊石護(hù)坡 ②石渣 ③碎石 ④干砌石 ⑤混凝土鍥形體 ⑥塊石排水棱體 ⑦塊石護(hù)底 ⑧鋼筋混凝土板 ⑨消能平臺(tái) ⑩混凝土防滲墻 地面線(xiàn) 基覆分界線(xiàn)

2.3.3 模型試驗(yàn)

為驗(yàn)證和優(yōu)化導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)，開(kāi)展了導(dǎo)流建筑物模型試驗(yàn)，模型比尺選定為1∶80。通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證導(dǎo)流洞過(guò)流能力，率定流量系數(shù)，了解導(dǎo)流洞過(guò)流流態(tài)；了解圍堰在過(guò)流時(shí)的堰面流態(tài)、流速及沖刷情況，了解水流對(duì)堰腳和堰坡沖刷情況。

圖4 模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

主要結(jié)論和優(yōu)化意見(jiàn)如下：

(1)導(dǎo)流洞過(guò)流能力滿(mǎn)足要求；

(2)因堰面及與兩岸邊連接處的水流速度較大，需要對(duì)基巖未出露的圍堰范圍內(nèi)的兩岸岸坡進(jìn)行保護(hù)；

(3)在大流量情況下，下游圍堰右岸堰腳有輕微沖刷，需要對(duì)下游圍堰堰腳和下游30.0m范圍內(nèi)河床進(jìn)行工程保護(hù)；

(4)因基坑預(yù)充水對(duì)上游圍堰堰腳穩(wěn)定影響很大，故在堰面初次過(guò)流前，須對(duì)基坑進(jìn)行預(yù)充水。

3 施工期主要方案調(diào)整

在工程施工期，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，針對(duì)工程施工期水流控制方案，開(kāi)展了一系列調(diào)整和優(yōu)化工作，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)由于截流后第一個(gè)枯水期大壩混凝土澆筑高程超過(guò)預(yù)期面貌，達(dá)到309.0m高程，通過(guò)對(duì)芙蓉江歷年實(shí)測(cè)洪水資料分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)汛期需要施工的項(xiàng)目，對(duì)上下游圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整：降低下游圍堰堰頂高程至309.0m，同時(shí)取消堰面保護(hù)；上游圍堰堰體317.0m高程以上至329.0m高程結(jié)構(gòu)調(diào)整為不過(guò)水圍堰，堰體317.0m高程以下至壩體上游面按1∶10的坡度填筑，填筑面采用1m厚的塊石進(jìn)行護(hù)坡，同時(shí)在317.0m高程堰體頭部采取鋼筋石籠進(jìn)行防護(hù)；

(2)根據(jù)導(dǎo)流洞開(kāi)挖后地質(zhì)情況，對(duì)導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：取消堵頭后Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖洞段頂拱襯砌混凝土，調(diào)整為掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土；取消堵頭后洞段的固結(jié)灌漿；為加快施工進(jìn)度，減小施工難度，取消堵頭段瓶塞結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

浩口水電站導(dǎo)流洞于2015年4月全線(xiàn)開(kāi)挖貫通，工程于2015年10月實(shí)現(xiàn)截流，2017年10月下閘蓄水。建設(shè)期間，工程順利實(shí)現(xiàn)安全度汛，導(dǎo)流洞建筑物經(jīng)歷了三個(gè)洪水期考驗(yàn)，實(shí)踐證明，浩口水電站施工期水流控制技術(shù)是安全可靠的，主要體會(huì)有以下幾點(diǎn)：

(1)在工程實(shí)施階段，施工期水流控制需要根據(jù)工程進(jìn)度，實(shí)時(shí)調(diào)整方案，以滿(mǎn)足工程建設(shè)安全，節(jié)約工程投資；

(2)實(shí)踐證明，山區(qū)狹窄河谷地區(qū)規(guī)模相對(duì)較小的工程，枯期導(dǎo)流方案具有一定的優(yōu)勢(shì)，可大幅降低工程造價(jià)；

(3)過(guò)水圍堰結(jié)構(gòu)可減小過(guò)流后基坑修復(fù)工作量、縮短工期，但需要重視其過(guò)流時(shí)的堰面保護(hù)。