曲河水庫(kù)大壩施工導(dǎo)流及度汛方案研究

(內(nèi)江水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 內(nèi)江，641000)

1 工程概況

曲河水庫(kù)是四川省“十二五”開工建設(shè)的中型水庫(kù)，工程位于廣元市青川縣清江河上游曲河鄉(xiāng)境內(nèi)，水庫(kù)集雨面積797km2，正常庫(kù)容4870萬(wàn)m3，總庫(kù)容5925萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4256萬(wàn)m3。工程開發(fā)任務(wù)是農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村生產(chǎn)生活用水、防洪、發(fā)電等綜合利用，設(shè)計(jì)灌溉面積6.15萬(wàn)畝，供水人口13.9萬(wàn)人，電站裝機(jī)容量為10MW。曲河水庫(kù)工程由水庫(kù)樞紐工程、關(guān)莊取水樞紐工程、灌區(qū)工程和電站工程組成，屬Ⅲ等中型工程。

水庫(kù)樞紐由鋼筋混凝土面板堆石壩、開敞式溢洪道、泄洪(放空)洞等組成。大壩壩軸線全長(zhǎng)226.0m，壩頂高程801.00m，最大壩高74.0m，壩頂寬度8.0m。正常蓄水位797.00m，設(shè)計(jì)洪水位798.90m，校核洪水位799.88m。溢洪道緊靠大壩右壩端布置，軸線長(zhǎng)366.00m，由進(jìn)水渠、控制段、泄槽段、挑流段和護(hù)坦組成。泄洪(放空)隧洞布置于大壩左岸山體內(nèi)，隧洞長(zhǎng)513.0m，進(jìn)口底板高程758.00m，隧洞斷面為圓形，洞徑7.5m。工程于2014年6月動(dòng)工修建，截止2019年3月，水庫(kù)樞紐主體工程已基本完成。

圖1 曲河水庫(kù)總體布置

2 施工導(dǎo)流及度汛方案研究

2.1 導(dǎo)流方案擬定

在進(jìn)行導(dǎo)流方案擬定時(shí)，需確定各方案導(dǎo)流洞洞徑大小。導(dǎo)流洞洞徑大小與導(dǎo)流流量正相關(guān)，一般導(dǎo)流流量越大需要的導(dǎo)流洞洞徑也越大。但在相同導(dǎo)流流量下，導(dǎo)流洞洞徑和圍堰高度呈負(fù)相關(guān)，即導(dǎo)流洞徑越大，圍堰高度越小，導(dǎo)流洞洞徑越小，圍堰高度越大。因此，為確定最優(yōu)的導(dǎo)流洞洞徑，最終將體現(xiàn)在臨建投資上，即導(dǎo)流洞+圍堰投資最小時(shí)的導(dǎo)流洞洞徑為最優(yōu)。

圖2 導(dǎo)流洞洞徑～投資關(guān)系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件，現(xiàn)場(chǎng)左、右岸地形較陡峻，為典型“V”型河谷，河床寬度較窄，具備導(dǎo)流洞過(guò)流條件，導(dǎo)流洞可與泄洪(放空)洞采用“龍?zhí)ь^”結(jié)合，泄洪洞洞徑7.5m。結(jié)合工程實(shí)際情況，通過(guò)洪水特性分析，擬定全年圍堰導(dǎo)流方案、枯期圍堰汛期臨時(shí)壩體擋水方案、枯期圍堰汛期臨時(shí)壩體過(guò)流方案進(jìn)行比較，三個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將各方案簡(jiǎn)述如下：

(1)全年圍堰導(dǎo)流(方案一)

該方案圍堰需經(jīng)歷汛期，為增加施工保證率，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)取上限20年一遇(P=5%)，相應(yīng)導(dǎo)流流量為2060m3/s。由于導(dǎo)流流量較大，在利用左岸泄洪(放空)洞作導(dǎo)流洞的基礎(chǔ)上，需新增一條導(dǎo)流洞(洞徑7.5m)滿足施工導(dǎo)流要求。圍堰頂高程769.00m，頂寬5.0m，圍堰長(zhǎng)130m，高度27m，圍堰填筑量15.9萬(wàn)m3，工程施工總工期32個(gè)月。

(2)枯期圍堰汛期臨時(shí)壩體擋水(方案二)

該方案利用泄洪(放空)洞作導(dǎo)流洞，枯期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水(P=10%)，導(dǎo)流流量為82m3/s，度汛標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，度汛流量為2550m3/s。圍堰頂高程753.00m，頂寬5.0m，圍堰長(zhǎng)65m，高度11m，圍堰填筑量1.8萬(wàn)m3。圍堰使用時(shí)間為枯水期11月-次年4月，6個(gè)月的施工時(shí)間要求壩體填筑至大壩度汛高程，壩體度汛高程796.70m，臨時(shí)壩體地面以上高度58.7m，臨時(shí)壩體填筑量約85萬(wàn)m3，臨時(shí)壩體填筑強(qiáng)度約29.7m3/月。工程施工總工期32個(gè)月。

(3)枯期圍堰汛期臨時(shí)壩體過(guò)流(方案三)

該方案導(dǎo)流洞前段洞徑為4.0m，后段利用泄洪(放空)洞?？萜趯?dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水(P=10%)，導(dǎo)流流量為82m3/s，度汛標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，度汛流量為2060m3/s。圍堰頂高程753.00m，頂寬5.0m，圍堰長(zhǎng)65m，高度11m，圍堰填筑量1.8萬(wàn)m3，圍堰采用過(guò)水圍堰，使用時(shí)間自擋水開始～壩前混凝土面板澆筑完成為止。壩體過(guò)流面高程796.70m，臨時(shí)壩體地面以上高度15m，臨時(shí)壩體填筑量約23萬(wàn)m3，臨時(shí)壩體填筑強(qiáng)度約9.5萬(wàn)m3/月。工程施工總工期42個(gè)月。

2.2 方案比較

經(jīng)同精度技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，三個(gè)方案比較成果見附表。

附表導(dǎo)流方案比較

注：導(dǎo)流洞工程中不含與放空洞結(jié)合的部分。

根據(jù)比較可知，方案一的臨建投資太大，經(jīng)濟(jì)上不合理；方案三臨建投資比方案二多151.53萬(wàn)元，但方案二中臨時(shí)壩體擋水度汛的高程為796.70m，距離壩頂801.00m僅相差4.3m，填筑強(qiáng)度高達(dá)29.7萬(wàn)m3/月，通過(guò)對(duì)料場(chǎng)開采、施工道路及施工場(chǎng)地等施工條件的分析，施工難以達(dá)到。方案三雖臨建投資較方案二略微增加，但臨時(shí)壩體填筑強(qiáng)度較低，僅9.5萬(wàn)m3/月，同時(shí)也減輕了下一個(gè)枯水期壩體填筑壓力(填筑強(qiáng)度約12.1萬(wàn)m3/月)，因此，方案三合理可行。

3 臨時(shí)壩體防護(hù)

3.1 臨時(shí)過(guò)流壩體高程確定

臨時(shí)過(guò)流壩體高程與施工導(dǎo)流規(guī)劃及工程進(jìn)度安排密切相關(guān)，根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，4月上旬(汛前)臨時(shí)過(guò)流壩體全斷面填筑至753.00m。

3.2 流速分析

臨時(shí)壩體斷面高程為753.00m，壩體下游壩坡為1∶1.6，壩坡較陡，坡腳最低處高程約738.00m，高差較大達(dá)15m，臨時(shí)壩體過(guò)流時(shí)水流易在壩面與下游壩坡結(jié)合處(轉(zhuǎn)折)形成脫空，造成該部位淘刷嚴(yán)重并危害整個(gè)壩體，同時(shí)較陡的邊坡也將加大水流對(duì)壩腳的沖刷。因此，為使壩體過(guò)流時(shí)形成較好的流態(tài)，降低對(duì)臨時(shí)壩體轉(zhuǎn)折處及壩坡的沖刷，考慮將壩體下游壩坡采用粒徑較大的大塊石放緩至1∶7，達(dá)到降低過(guò)流流速，簡(jiǎn)化防護(hù)措施的目的。

根據(jù)能量守恒定律，對(duì)壩面處斷面(斷面1)及壩坡處斷面(斷面2)分別列能量方程，則壩面處的動(dòng)能和位能之和等于壩腳處動(dòng)能+位能+斷面間的能量損失，而能量損失主要由兩斷面間的沿程摩擦與水躍消能組成，能量損失大小與接觸面的粗糙度、長(zhǎng)度及水躍類型有關(guān)。兩段面能量方程如下：

式中：μ為接觸面的摩擦系數(shù)；L為兩斷面間的接觸面的長(zhǎng)度；△E為水躍消能損失；θ為坡角。

通過(guò)對(duì)壩面過(guò)流過(guò)程分析，經(jīng)計(jì)算，得出下游壩面的流速為7.8m/s～10.6m/s之間，流速較大，需采取相應(yīng)措施加以保護(hù)，保證安全。

3.3 防護(hù)設(shè)計(jì)

3.3.1 上游壩坡防護(hù)

大壩采用混凝土擠壓邊墻施工方法，由于擠壓邊墻強(qiáng)度不高，為防止上游壩坡表面及部分壩面淘刷，考慮在上游壩坡上部坡面采用10cm厚C20混凝土壓面，上游壩坡的防護(hù)底高程為747.00m，滿足上游壩坡的保護(hù)要求。

3.3.2 壩面防護(hù)

經(jīng)計(jì)算，壩面的平均流速為2.52m/s～2.84m/s，流速相對(duì)較小。壩體填筑材料有墊層料、過(guò)渡料、主堆石料及次堆石料等，各種壩料粒徑各不相同，既有粗顆粒也有細(xì)顆粒，是本工程的重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象。為防止壩面沖刷，保證壩體穩(wěn)定，在壩面采取碾壓20cm厚的C20混凝土進(jìn)行防沖保護(hù)，汛期上游來(lái)水經(jīng)防護(hù)后的壩面過(guò)流。

3.3.3 下游壩坡防護(hù)

下游壩坡流速達(dá)7.8m/s～10.6m/s，流速較大，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，格賓石籠在工程上應(yīng)用的實(shí)際流速一般為8m/s～10m/s左右，可采用格賓石籠對(duì)下游壩坡進(jìn)行防護(hù)，且格賓石籠之間采用鋼絲連成整體，并具有一定柔性，能適應(yīng)一定的變形。因此，下游壩坡防護(hù)在做好1m厚干砌塊石(原壩體)的基礎(chǔ)上，回填大于0.5m的大塊石放緩大壩下游壩坡至1∶7，其1∶7坡面上再鋪設(shè)1.0m厚的格賓石籠網(wǎng)，在下游坡腳采用深3m，寬2m的格賓石籠網(wǎng)壓腳，防止水流淘刷。

圖3 臨時(shí)壩體防護(hù)設(shè)計(jì)

3.4 運(yùn)用效果

臨時(shí)壩體于2016年汛期安全度汛，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷和安全事故，實(shí)踐證明曲河水庫(kù)采用臨時(shí)壩體過(guò)流度汛的方案是科學(xué)合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)工程汛期度汛不僅關(guān)系到工程本身安全，更關(guān)系到水庫(kù)下游沿線人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，做好水庫(kù)工程汛期安全度汛工作是施工中的重中之重，需選擇科學(xué)合理、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)適用的度汛方案。通過(guò)曲河水庫(kù)臨時(shí)壩體過(guò)流的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)汛期流量大，枯期流量小，洪水暴漲暴落的山區(qū)性河流上修建的堆石壩，當(dāng)壩體填筑強(qiáng)度難以在一個(gè)枯水期填筑至度汛高程時(shí)，可通過(guò)對(duì)臨時(shí)壩體進(jìn)行臨時(shí)過(guò)流防護(hù)，達(dá)到安全度汛要求，可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。