新疆大石門水利樞紐工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)

石 英

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

大石門水利樞紐工程位于新疆且末縣境內(nèi)的車爾臣河出山口處，是車爾臣河上的控制性工程，是一座具有防洪、發(fā)電和灌溉等綜合利用的水利工程，該工程為大(2)型Ⅱ等工程，主要任務(wù)是防洪、發(fā)電兼顧灌溉。水庫總庫容1.27億m3，調(diào)節(jié)庫容0.99億m3，死庫容0.18億m3；水庫正常蓄水位2300.00m壩頂高程2304.500m；攔河壩最大壩高128.5m，電站裝機(jī)60MW，發(fā)電引水流量82.0m3/s。工程主要水工建筑物有瀝青心墻壩、底孔泄洪洞、表孔溢洪洞、導(dǎo)流洞、引水發(fā)電系統(tǒng)和電站廠房，其中大壩為1級建筑物，底孔泄洪洞、表孔溢洪洞、發(fā)電引水洞進(jìn)口為2級建筑物，發(fā)電引水洞和發(fā)電廠房為3級建筑物，臨時(shí)建筑物為4級。

2 工程特點(diǎn)

車爾臣河流域地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，光照充足，熱量豐沛，溫差較大，冬冷夏熱，降水極少，空氣干燥，蒸發(fā)量大，多大風(fēng)、風(fēng)沙天氣。多年平均氣溫10.5℃，多年平均降水量為25.43mm，多年平均蒸發(fā)量(20cm蒸發(fā)皿)為2292.9mm。徑流年內(nèi)分配不均勻，全年近半數(shù)徑流量產(chǎn)自于夏季，多年平均徑流量為5.509×108m3，多年平均流量為17.45m3/s。車爾臣河歷年年最大洪峰流量主要出現(xiàn)在4—8月，其中7—8月為主汛期，4—6月為前汛期，9月至次年3月為比較穩(wěn)定的平、枯水期。大石門壩址斷面多年平均洪峰流量為358m3/s。

壩址右岸為阿爾金中低山，山頂高程2360～2400m，相對高差近200m，右岸基巖出露，壩軸線上下游有少量殘留階地，階面狹窄，且多被全新統(tǒng)崩坡積塊石土、礫質(zhì)土覆蓋，在壩軸線下游有Ⅸ級階地連續(xù)分布。左岸為Ⅷ～Ⅸ級基座階地，階地面較平坦，地表高程2350～2363m，河寬170m左右，基巖基座的頂面在階地前緣陡坎上出露位置呈山包狀，基巖面在壩軸線附近高程最高為2340m左右，向上、下游很快降低到2200m左右。根據(jù)物探剖面資料，左岸基巖面垂直河流方向也呈下降趨勢，微有起伏，壩軸線左岸基巖面自河坎邊開始下降，在西側(cè)190m處達(dá)到最低高程2248m，低于水庫正常高水位。壩址區(qū)附近現(xiàn)代河床寬10～20m，正常水位為2300m高程處，谷寬194m，壩址區(qū)附近兩岸岸坡陡峻，岸坡坡度多在50°～80°，局部近直立，河流深切，峽谷發(fā)育，河谷呈深槽形，不具備分期導(dǎo)流條件，對工程導(dǎo)流及施工交通布置帶來很大挑戰(zhàn)。壩址區(qū)地貌圖如圖1所示。

圖1 壩址區(qū)地貌圖

3 導(dǎo)流方式及標(biāo)準(zhǔn)

3.1 導(dǎo)流方式

根據(jù)本工程壩址現(xiàn)場地形地質(zhì)特點(diǎn)處河谷呈“V”型地貌，谷底高程2190m，山頂高程2360～2400m，相對高差近200m，河流坡降12.5‰，河道非常窄深，因此，不具備分期導(dǎo)流條件，最終導(dǎo)流方式采用圍堰一次斷流、右岸導(dǎo)流洞過流。為了減少投資與施工工期考慮到永久與臨時(shí)相結(jié)合，導(dǎo)流洞可與永久泄洪洞結(jié)合使用即導(dǎo)流兼深孔泄洪洞。導(dǎo)流兼深孔泄洪洞布置在壩址右岸山體。導(dǎo)流兼深孔泄洪洞為深孔無壓洞，全長910m，由進(jìn)口明渠段、岸塔式閘井段、漸變段、洞身段、出口部分組成。具體圍堰導(dǎo)流方式如圖2所示。

圖2 施工導(dǎo)流平面布置圖

3.2 導(dǎo)流時(shí)段及標(biāo)準(zhǔn)

大石門水利樞紐工程于2014年至2016年主要進(jìn)行前期三通一平建設(shè)，2016年5月導(dǎo)流洞開工，計(jì)劃2017年8月底導(dǎo)流洞具備泄水條件，9月工程截流。工程截流后，壩體施工將經(jīng)歷兩個(gè)汛期，壩體施工導(dǎo)流劃分為初期、中期和后期3個(gè)導(dǎo)流時(shí)段。

(1)初期導(dǎo)流：2017年9月截流后，立即施工上下游圍堰，2018年汛期由圍堰擋水度汛，導(dǎo)流洞泄流。初期導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)為P=10%，洪峰流量為701.31m3/s。

(2)中期導(dǎo)流：2019年汛期，壩體填筑尚未完成，計(jì)劃采用壩體臨時(shí)斷面擋水度汛，度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)為P=2%，洪峰流量為1159.04m3/s。

(3)后期導(dǎo)流：工程計(jì)劃2019年10月導(dǎo)流洞下閘，進(jìn)行導(dǎo)流洞封堵體、深孔“龍?zhí)ь^”反弧段及出口消能段的施工，計(jì)劃約6個(gè)月完成。

4 導(dǎo)流設(shè)計(jì)

本工程導(dǎo)流洞布置在右岸，導(dǎo)流洞進(jìn)口位于壩軸線上游約450m處，在樁號(hào)0+127處布置40°轉(zhuǎn)角與底孔泄洪洞“龍?zhí)ь^”之后的軸線重合，洞身段結(jié)合設(shè)計(jì)。底孔泄洪洞全長約905m，進(jìn)口布置于壩軸線上游約570m處。底孔泄洪洞進(jìn)口設(shè)一道平板事故門，孔口尺寸為6.5m×9.0m(寬×高)，一道弧形工作門，孔口尺寸為5.0m×5.0m(寬×高)；“龍?zhí)ь^”段斷面型式為5.0m×7.5m城門洞型；結(jié)合段長約603m，為6.0m×8.5m的城門洞型。

4.1 調(diào)洪演算

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水資料，通過五組方案對導(dǎo)流洞斷面尺寸和上游圍堰堰前水位關(guān)系進(jìn)行了調(diào)洪演算，具體方案見表1，此次洪水標(biāo)準(zhǔn)P=10%，對應(yīng)洪峰流量701.31m3/s，導(dǎo)流洞調(diào)洪演算結(jié)果見表1。

表1 導(dǎo)流洞調(diào)洪演算成果表

由于本工程壩址區(qū)河谷狹窄，交通布置困難，施工進(jìn)度受到場地和交通條件影響較大，且上游圍堰在截流后一個(gè)枯水期內(nèi)必須填筑完成，因此，上游圍堰越高，就會(huì)導(dǎo)致圍堰施工工期越緊；根據(jù)規(guī)范要求[1]最終采用上游圍堰堰體與瀝青心墻壩完全結(jié)合，為土石圍堰，堰體采用砂礫料填筑，堰體填筑量計(jì)入壩體工程量中，上游圍堰盡量高一些，導(dǎo)流洞尺寸越小越經(jīng)濟(jì)。

為了滿足上述要求根據(jù)上游圍堰在一個(gè)枯水期能夠填筑的最大高度，并充分考慮冬季施工的氣候條件、截流時(shí)間等影響因素，根據(jù)匯交法初步選定方案三作為本次導(dǎo)流洞與圍堰的基本尺寸，即導(dǎo)流洞孔口尺寸為5.5m×5.5m，對應(yīng)上游圍堰高39m。

4.2 度汛及封堵施工期工況

對于壩體度汛工況，經(jīng)調(diào)洪演算，最高庫水位為2246.40m，導(dǎo)流洞泄流，最大下泄流量為728.10m3/s。要求在2019年汛前大壩填筑高程不得低于2250.0m高程，壩體填筑高度不低于74m。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，壩體填筑及瀝青心墻月上升高度8～10m，壩體填筑進(jìn)度完全能夠滿足壩體度汛要求。

后期導(dǎo)流時(shí)段為枯水期，壩體填筑及上游護(hù)坡混凝土澆筑已經(jīng)完成，具備下閘蓄水條件。水庫初期蓄水期間，由布置于導(dǎo)流洞洞壁外側(cè)的放水管向下游泄水，直至蓄水至表孔溢洪洞進(jìn)口高程，表孔溢洪洞下泄?jié)M足下游用水需求，之后關(guān)閉放水管閥門、封堵放水管。根據(jù)后期導(dǎo)流時(shí)段枯水期洪水進(jìn)行計(jì)算，最高庫水位為2297.6m，最大下泄流量為279.4m3/s。

4.3 導(dǎo)流洞水力學(xué)計(jì)算

導(dǎo)流洞洞身段全長約828m，其中臨時(shí)段長225m，結(jié)合段長603m，縱坡0.0115，初定臨時(shí)段的洞身斷面尺寸為6.0m×7.0m的城門洞型。結(jié)合段洞身斷面尺寸根據(jù)底孔泄流要求，按永久建筑物設(shè)計(jì)為6.0m×8.5m的城門洞型。考慮水流平順銜接，本次計(jì)算采用明渠恒定非均勻漸變流水面曲線計(jì)算程序進(jìn)行導(dǎo)流洞水力學(xué)計(jì)算。

4.3.1正常水深h0計(jì)算理論

按照明渠恒定非均勻流計(jì)算公式：

(1)

(2)

正常水深h0即求解下列方程的根：

(3)

4.3.2 臨界水深計(jì)算

臨界水深hk計(jì)算公式如下：

(4)

對于任意形狀的斷面，此式為h的隱函數(shù)形式即試算求解下列方程的根：

(5)

(1)設(shè)計(jì)工況時(shí)，導(dǎo)流洞最大下泄流量為552.87m3/s，通過水力學(xué)計(jì)算可得：設(shè)計(jì)工況最大下泄流量對應(yīng)的正常水深為7.28m，臨界水深為9.92m，最大流速為18.6m/s，導(dǎo)流洞樁號(hào)0+225m處水深為5.58m，導(dǎo)流洞樁號(hào)0+828m處水深為6.75m。導(dǎo)流洞臨時(shí)段最小通氣凈空面積比例為14.11%，結(jié)合段最小通氣凈空面積比例為15.59%。

(2)度汛工況時(shí)導(dǎo)，流洞最大下泄流量為728.10m3/s，度汛工況最大下泄流量對應(yīng)的正常水深為9.12m，臨界水深為11.84m，最大流速為24.33m/s，導(dǎo)流洞樁號(hào)0+225m處水深為5.70m，導(dǎo)流洞樁號(hào)0+828m處水深為7.46m。導(dǎo)流洞臨時(shí)段最小通氣凈空面積比例為12.26%，結(jié)合段最小通氣凈空面積比例為6.71%。

計(jì)算結(jié)果可見，度汛工況時(shí)水位最深，導(dǎo)流洞臨時(shí)段的洞身斷面尺寸為6.0m×7.0m的城門洞型滿足過水要求。

5 結(jié)語

(1)根據(jù)大石門水利樞紐工程壩址地形地質(zhì)特點(diǎn)，河谷呈“V”型地貌，河道窄深，不具備分期導(dǎo)流施工條件，采用圍堰一次斷流、右岸導(dǎo)流洞過流的導(dǎo)流方式，采用導(dǎo)流洞與永久泄洪洞相結(jié)合設(shè)計(jì)達(dá)到了減少投資與保證施工工期的目的。

(2)根據(jù)導(dǎo)流方式和導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行調(diào)洪演算和水力學(xué)計(jì)算，確定經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的導(dǎo)流洞及上游圍堰規(guī)模，對于確保工程施工期的安全度汛和實(shí)現(xiàn)工程施工進(jìn)度計(jì)劃具有重要意義，本工程2017年底順利截流，目前各項(xiàng)施工進(jìn)度及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均按計(jì)劃有序展開。