夾巖水利樞紐工程導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)與優(yōu)選

林琦 蘇艷菲 楊路通 朱曄

摘要：為優(yōu)化水利樞紐導(dǎo)流方案，針對(duì)夾巖水利樞紐工程地形地質(zhì)條件、樞紐布置等，設(shè)計(jì)了枯水期導(dǎo)流和全年施工導(dǎo)流等3種方案，通過(guò)綜合投資、技術(shù)要求、工期要求和安全性等方面的分析，對(duì)3種方案進(jìn)行了比選。研究結(jié)果表明：全年導(dǎo)流方案經(jīng)濟(jì)性、安全性較好，且滿(mǎn)足施工工期要求。研究成果可為類(lèi)似水利樞紐工程導(dǎo)流方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)選提供借鑒。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流;枯水期導(dǎo)流;全年導(dǎo)流;方案優(yōu)選;綜合投資;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV551.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.005

Abstract： In order to optimize the diversion schemes for water conservancy projects， three schemes of dry season diversion and annual construction diversion etc. are designed based on the characteristics of the topographical and geological conditions， layout etc. of Jiayan Hydro-complex Project and compared through the analysis of comprehensive investment， technical requirements， security and construction period requirements. The results show that the annual diversion scheme is economical and safe， and meets the requirements of construction period. The determination of the scheme provides a reference for the design and optimization of diversion scheme of the project.

Key words： diversion; dry season diversion; annual diversion; scheme optimization; comprehensive investment; Jiayan Hydro-complex Project;Guizhou Province

1 研究背景

導(dǎo)流是水利樞紐工程施工中的重要環(huán)節(jié)之一，導(dǎo)流方案的選擇不僅與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文條件有關(guān)，且與水利樞紐布置及施工條件有關(guān)，會(huì)直接影響到施工工期、工程造價(jià)及工程安全性[1-2]。因此，導(dǎo)流方案的優(yōu)選與制定非常重要。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)導(dǎo)流方案的設(shè)計(jì)及決策進(jìn)行了較多研究。張超等[3]針對(duì)葉巴灘水電站地質(zhì)地形條件，對(duì)其導(dǎo)流洞布置方案進(jìn)行了優(yōu)選;王以斌等[4]通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)，緩解了泄流底孔、引水發(fā)電壩段等關(guān)鍵部位的工期壓力;羅舒等[5]提出了施工導(dǎo)流總費(fèi)用、導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)損失及停工天數(shù)等方案決策指標(biāo)的區(qū)間范圍數(shù)學(xué)表達(dá)，為導(dǎo)流方案多目標(biāo)決策提供了方法和依據(jù);閔志華等[6]針對(duì)施工導(dǎo)流決策評(píng)價(jià)指標(biāo)間灰色關(guān)聯(lián)性，提出了一種考慮主觀認(rèn)知的灰色關(guān)聯(lián)定權(quán)方法，為方案決策提供了新的評(píng)估手段。上述研究從不同角度對(duì)導(dǎo)流方案優(yōu)化與決策進(jìn)行了研究，取得了一定成效。但由于水利樞紐工程的復(fù)雜性、多樣性，導(dǎo)流方案的優(yōu)化選擇仍值得進(jìn)一步探索。本文針對(duì)貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“夾巖工程”），在分析其地質(zhì)、水文條件及施工進(jìn)度等影響后，提出了3種導(dǎo)流方案，對(duì)比方案的經(jīng)濟(jì)性、安全性等指標(biāo)，確定了較優(yōu)的導(dǎo)流方案。

2 工程概況

夾巖工程位于貴州省畢節(jié)及遵義市境內(nèi)，其中水源工程位于長(zhǎng)江流域?yàn)踅Я髁鶝_河七星關(guān)區(qū)與納雍縣界河段，水庫(kù)校核洪水位1 326.01 m，正常蓄水位1 323.0 m，總庫(kù)容13.23億m3，大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂防浪墻頂高程1329.0 m，壩頂高程1 328.0 m，最大壩高154.0 m，壩頂長(zhǎng)428.93 m。發(fā)電引水系統(tǒng)布置在大壩右岸，為深水式有壓隧洞，設(shè)計(jì)流量99.3 m3/s，隧洞采用圓形斷面，洞徑為6.8 m。電站廠房?jī)?nèi)裝有3臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為90 MW，其中2臺(tái)單機(jī)容量為36 MW，1臺(tái)單機(jī)容量為18 MW。

壩址位于峽谷出口下游800 m河段，河流流向S43°E，其上游有左岸潘家?guī)r腳沖溝和右岸法拉沖沖溝分布，下游有右岸的陳家大溝分布。河谷為典型橫向“V”型谷，河床高程 1 205～1 209 m，河床寬 60～75 m，寬高比2.94。主河床相對(duì)狹窄，河道呈轉(zhuǎn)彎狀，河床覆蓋層厚5～17 m，樞紐現(xiàn)場(chǎng)地形如圖1所示。

3 導(dǎo)流方案初步擬定

3.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)確定

根據(jù)樞紐布置及壩址區(qū)地形條件，施工導(dǎo)流采用河床一次攔斷，上、下游圍堰擋水，左岸導(dǎo)流洞泄流的導(dǎo)流方式。施工總工期為59個(gè)月，在整個(gè)施工期內(nèi)，面板壩施工將經(jīng)歷3個(gè)汛期，綜合考慮大壩最大填筑高度和總填筑量、施工工期、水文條件以及水工建筑物的布置特點(diǎn)等因素，工程導(dǎo)流采用10 a一遇全年洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量1 570 m3/s。

3.2 方案初擬及比選思路

針對(duì)該水利樞紐的導(dǎo)流需要，其導(dǎo)流建筑物由導(dǎo)流洞和上、下游圍堰組成，進(jìn)而設(shè)計(jì)枯水期導(dǎo)流、全年施工導(dǎo)流兩類(lèi)方案。另外，考慮到計(jì)劃導(dǎo)流時(shí)段為6個(gè)月，第一個(gè)枯水期內(nèi)壩體填筑至臨時(shí)度汛斷面施工難度大，在枯水期導(dǎo)流方案中分為11月至次年4月時(shí)段與10月至次年4月時(shí)段進(jìn)行比選。因此，采用方案1（枯水期導(dǎo)流10月至次年4月）、方案2（枯水期導(dǎo)流11月至次年4月）和方案3（全年施工導(dǎo)流）3種導(dǎo)流方案進(jìn)行比選。

值得注意的是，壩址附近潘家?guī)r腳堆積體治理方案為減載+壓坡優(yōu)化實(shí)施方案，即在滿(mǎn)足樞紐工程施工導(dǎo)流期正常導(dǎo)流的前提下，堆積體的處理方案分兩期實(shí)施。1期在樞紐工程施工導(dǎo)流前完成，主要是對(duì)堆積體高程1 330 m的上部平臺(tái)以上削坡減載，與此同時(shí)，開(kāi)挖的土石方分層碾壓填筑至坡腳形成壓坡體，其高程為1 229 m，并做好石籠墻等相應(yīng)的防沖刷措施。2期在導(dǎo)流洞封堵后水庫(kù)蓄水過(guò)程中實(shí)施，完成剩余的削方減載邊坡開(kāi)挖。該堆積體治理方案1期壓坡體施工需束窄河床，占用河床大部分有效過(guò)流斷面，對(duì)導(dǎo)流洞產(chǎn)生不利影響。堆積體治理方案將對(duì)導(dǎo)流產(chǎn)生影響，必須在導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)中考慮。

方案比選思路如下：①綜合對(duì)比投資和施工難度，在方案1和方案2中優(yōu)選;②設(shè)計(jì)導(dǎo)流隧洞、上下游圍堰，計(jì)算工程量;③與方案3進(jìn)行優(yōu)選，提出推薦的導(dǎo)流隧洞和上下游圍堰布置與施工措施。

4 導(dǎo)流方案比選

4.1 枯水期導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)

對(duì)面板壩枯水期10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)流方案做了不同導(dǎo)流時(shí)段的比選，結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)分析表1可知，方案1優(yōu)點(diǎn)是投資省，缺點(diǎn)則是臨時(shí)度汛斷面施工時(shí)段少，月填筑上升速度太快，施工難度較大。方案2優(yōu)點(diǎn)是臨時(shí)度汛斷面施工時(shí)段較方案1增加1個(gè)月，臨時(shí)度汛段面高程1.5 m，月填筑上升速度相對(duì)較慢，但其投資較方案1大。為此，綜合考慮工程壩基開(kāi)挖工程量和度汛臨時(shí)斷面填筑量大、強(qiáng)度高，且壩體上升速度快，為保證大壩施工質(zhì)量，該階段枯水期施工導(dǎo)流時(shí)段確定為10月至次年4月，相應(yīng)洪峰流量為367 m3/s，即采用方案2。

方案2中導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)如下：①導(dǎo)流洞布置于左岸，為無(wú)壓隧洞。主要由進(jìn)口明渠段、閘井段、洞身段及出口明渠段組成。隧洞進(jìn)口采用岸塔式，進(jìn)口明渠底寬9.0 m，底板采用50 cm厚素混凝土襯砌。閘井長(zhǎng)10 m，孔口尺寸為8 m×10 m （寬×高），進(jìn)口底板高程為1 214.00 m，閘井排架頂高1 245.00 m滿(mǎn)足導(dǎo)流度汛高程要求，導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置1道平板封堵門(mén)，孔口尺寸8.0 m×10.0 m（寬×高）。洞身為城門(mén)洞型，斷面尺寸為8.0 m×10.0 m（寬×高），120°拱角，洞身采用0.8 m/0.6 m厚全斷面鋼筋混凝土襯砌，洞長(zhǎng)765.52 m，縱坡為0.5%。進(jìn)口高程為1 214.00 m，出口高程為1 210.11 m。出口明渠長(zhǎng)32.78 m，底寬10 m。②上下游圍堰均采用土石圍堰結(jié)構(gòu)型式。上游圍堰擋水水位1 223.66 m，相應(yīng)堰頂高程為1 225.00 m，堰頂寬8 m，圍堰基礎(chǔ)防滲采用混凝土防滲墻防滲，墻厚0.6 m。堰體采用土工膜心墻防滲，迎水面邊坡1∶1.75，背水面邊坡1∶1.5/1.75，上游采用拋石護(hù)坡，最大堰高20 m。下游圍堰擋水水位1 214.70 m，相應(yīng)堰頂高程為1 215.50 m，堰頂寬6 m，下游圍堰水頭較低。圍堰基礎(chǔ)采用控制灌漿防滲，堰體采用土工膜心墻防滲。迎水面邊坡1∶1.75，背水面邊坡1∶1.5，迎水面采用拋石護(hù)坡，最大堰高7.1 m。

4.2 全年導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)

方案3為全年施工導(dǎo)流方案，其導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)如下：①導(dǎo)流洞布置于左岸，為有壓隧洞。主要由進(jìn)口明渠段、洞身段、閘井段及出口明渠段組成。隧洞進(jìn)口采用岸塔式，底板采用30 cm厚素混凝土襯砌。閘井長(zhǎng)12.5 m，孔口尺寸為6 m×8 m （寬×高），進(jìn)口底板高程為1 217.00 m，閘井排架頂高1 245.00 m，滿(mǎn)足導(dǎo)流度汛高程要求，導(dǎo)流洞進(jìn)口設(shè)置1道平板封堵門(mén)，孔口尺寸6 m×8 m（寬×高）。洞身為城門(mén)洞型，斷面尺寸為6 m×8 m（寬×高），120°拱角， 0.8 m/0.6 m厚全斷面鋼筋混凝土襯砌，洞長(zhǎng)1 490.17 m，縱坡為0.45%。進(jìn)口高程為1 217.00 m，出口高程為1 210.00 m。出口明渠長(zhǎng)為38.92 m，底寬為7.2 m。②上、下游圍堰均采用土石圍堰結(jié)構(gòu)型式。上游圍堰擋水水位1 251.13 m，相應(yīng)堰頂高程為1 252.50 m，堰頂寬15 m，圍堰基礎(chǔ)采用混凝土防滲墻防滲，墻厚0.6 m。堰體采用土工膜心墻防滲，迎水面邊坡1∶2，背水面邊坡1∶1.5/1.75，上游采用拋石護(hù)坡，最大堰高43.5 m。下游圍堰方案與枯水期導(dǎo)流方案中下游圍堰設(shè)計(jì)相同。

4.3 方案比選

方案2，3導(dǎo)流特性對(duì)比和投資對(duì)比見(jiàn)表2和表3。分析可知，方案2優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)流臨時(shí)建筑物規(guī)模小，投資小，上游圍堰填筑施工時(shí)段短。其缺點(diǎn)是壩址附近需進(jìn)行堆積體治理，堆積體將占用河床有效過(guò)流斷面，對(duì)導(dǎo)流洞產(chǎn)生不利影響，施工過(guò)程中在洪水期存在一定安全隱患。另外，上游圍堰布置受大壩趾板開(kāi)挖與地形制約，布置相對(duì)困難，與大壩趾板開(kāi)挖線(xiàn)的安全距離小;同時(shí)，由于大壩河床覆蓋層比較深、開(kāi)挖量大，大壩在第一個(gè)枯水期填筑至大壩臨時(shí)擋水?dāng)嗝娴墓て诒容^緊張、填筑規(guī)模及上升速度大。

方案3中，無(wú)需對(duì)堆積體進(jìn)行削坡減載，圍堰與大壩趾板之間采用棄渣進(jìn)行壓腳和設(shè)置排水溝即可，避免潘家?guī)r腳堆積體開(kāi)挖減載帶來(lái)的一系列問(wèn)題。另外，導(dǎo)流時(shí)段為全年10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，大壩施工安排較為靈活，不受第一個(gè)枯水期大壩施工臨時(shí)度汛的制約;同時(shí)在圍堰與大壩趾板之間設(shè)置永久棄渣場(chǎng)，可減小永久棄渣場(chǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)模、減少投資額，還可就近進(jìn)行開(kāi)挖料堆存，減少開(kāi)挖料的運(yùn)輸距離。其缺點(diǎn)在于導(dǎo)流臨時(shí)建筑物規(guī)模大，其投資大。綜合對(duì)比其經(jīng)濟(jì)性、安全性等指標(biāo)后，方案3為最優(yōu)導(dǎo)流方案（見(jiàn)圖2）。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)夾巖工程施工導(dǎo)流，設(shè)計(jì)了3種導(dǎo)流方案。從工程量及綜合投資看，全年導(dǎo)流方案（方案3）比枯水期導(dǎo)流方案（方案1和方案2）投資節(jié)省420萬(wàn)元。另外，枯水期導(dǎo)流方案導(dǎo)流洞施工受潘家?guī)r腳堆積體的施工干擾大，且施工過(guò)程中存在一定安全隱患。因此，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選，推薦采用全年導(dǎo)流方案。

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（編輯：唐湘茜）