清水河水庫(kù)擴(kuò)建工程施工導(dǎo)流及度汛探究

司禮山

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563100)

1 工程概況

清水河水庫(kù)位于播州區(qū)尚嵇鎮(zhèn)清水村，橫跨在烏江兩個(gè)一級(jí)支流之上，分別為魚(yú)塘河支流和清水河支流。水庫(kù)壩址距離遵義主城區(qū)63.0 km，與播州區(qū)城區(qū)間隔43.0 km，與尚嵇集鎮(zhèn)間隔8.0 km。該壩址上游流域面積總計(jì)82.6 km2，占全流域面積的58.8%，主河道長(zhǎng)21.1 km，主河道加權(quán)平均坡降4.0‰，流域形狀系數(shù)0.186，流域幾何特征參數(shù)43.3，壩址上游流域多年平均徑流量可達(dá)3110萬(wàn)m3。大壩左岸為溢洪道，包括引泄槽段、溢流段，水渠和消力池段，總長(zhǎng)340.0 m。溢流堰為WES實(shí)用堰，堰頂高程886.0 m，溢流堰凈寬18.0 m，共3孔，單孔寬6.0 m，設(shè)3扇6 m×4 m(b×h)弧形工作閘門(mén)，消力池寬14.0 m，深3.3 m，池長(zhǎng)40.0 m，池底高程858.7 m[1]。

以清水河水庫(kù)壩址為界限，上游流域暴雨量豐富，屬于一般暴雨區(qū)，5月入汛，10月結(jié)束，暴雨集中在5—8月。該流域的洪水主要來(lái)源于暴雨，峰高路險(xiǎn)，地勢(shì)陡峭，地貌千差萬(wàn)別，導(dǎo)致了該區(qū)域流水集中匯集，洶涌猛烈[1]。但洪水大多集中在24 h內(nèi)高發(fā)，歷時(shí)短，來(lái)得迅速，去得也快，洪水姿態(tài)多呈現(xiàn)山峰型。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，洪水量級(jí)較大時(shí)段主要集中在5—10月，其中以6—8月最為突出。清水河水庫(kù)大壩下游水位流量情況見(jiàn)圖1。

圖1 清水河水庫(kù)大壩下游水位流量

2 工程施工導(dǎo)流

2.1 施工分期洪水

結(jié)合清水河水庫(kù)工程設(shè)計(jì)流域洪水特性，根據(jù)該工程的實(shí)際施工要求和有關(guān)規(guī)范，擬定10月—次年4月、11 月—次年 4 月、11月—次年3 月、12月—次年4月及12 月—次年3月 5 個(gè)分期時(shí)段進(jìn)行分期洪水計(jì)算，壩址處分期設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1，總設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表2。

表1 清水河水庫(kù)壩址分期設(shè)計(jì)洪水成果 m3·s-1

表2 總設(shè)計(jì)洪水成果

2.2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

清水河水庫(kù)擴(kuò)建后為中型水庫(kù)，擴(kuò)建后最大壩高30.6 m，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物大壩、溢洪道等為3級(jí)建筑物。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 303—2017)，判斷導(dǎo)流建筑物為5級(jí)建筑物。結(jié)合現(xiàn)有水庫(kù)樞紐布置及水文條件，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)取5 a一遇洪水(P=20%)。

2.3 導(dǎo)流時(shí)段及流量

根據(jù)工程施工進(jìn)度計(jì)劃和大壩填筑強(qiáng)度測(cè)算[2]，枯季5個(gè)月內(nèi)水庫(kù)大壩臨時(shí)擋水?dāng)嗝婵商钪?83.00 m高程以上，本工程枯季導(dǎo)流時(shí)段取10月—次年4月及11月—次年4月均滿(mǎn)足要求，11月—次年4月洪峰流量相對(duì)較小，水庫(kù)大壩施工導(dǎo)流時(shí)段選用枯季的11月—次年4月，相應(yīng)5 a一遇(P=20%)洪峰流量Q=38.9 m3/s。

2.4 導(dǎo)流方式

清水河水庫(kù)現(xiàn)有大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高22.55 m，壩頂高程884.30～884.38 m，壩頂寬9.30 m，壩頂長(zhǎng)171.00 m。河右岸布置溢洪道，溢流堰頂高程880.20 m，屬于岸邊開(kāi)敞式正槽溢洪道，溢流凈寬24.00 m，溢洪道總長(zhǎng)210.20 m。左壩段布置放水低涵，低涵長(zhǎng)110.00 m，進(jìn)口中心高程868.80 m，結(jié)構(gòu)型式為φ800鋼筋混凝土管。放水高涵位于左壩段，高涵長(zhǎng)60.00 m，進(jìn)口中心高程877.10 m，高涵洞身結(jié)構(gòu)型式為砌石拱涵，結(jié)構(gòu)尺寸為b×h=1.8 m×2.6 m。本工程大壩加高部分為黏土均質(zhì)壩，壩頂高程892.50 m，最大壩高30.60 m。取水(兼放空)隧洞修建在大壩右側(cè)，洞長(zhǎng)216.20 m。大壩在枯季11月—次年4月施工時(shí)段的5 a一遇洪峰流量為38.9 m3/s，根據(jù)現(xiàn)狀及擴(kuò)建工程樞紐布置情況，可利用現(xiàn)有大壩放水高涵、低涵及新建取水(兼放空)隧洞導(dǎo)流，考慮擴(kuò)建過(guò)程中需對(duì)高涵、低涵進(jìn)行處理，本工程采用現(xiàn)有大壩擋水+取水(兼放空)隧洞過(guò)水的導(dǎo)流方式[3]。

2.5 度汛要求

2.5.1 度汛標(biāo)準(zhǔn)

水庫(kù)大壩臨時(shí)擋水?dāng)嗝嫫鲋?83.00 m高程時(shí)，攔洪庫(kù)容377萬(wàn)m3<1000萬(wàn)m3，度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)取相應(yīng)洪水重現(xiàn)期的下限。根據(jù)規(guī)范SL 303—2017，本水庫(kù)大壩施工期的臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)取20 a一遇(P=5%)洪水，相應(yīng)的入庫(kù)洪峰流量281 m3/s。

2.5.2 度汛方式

通過(guò)對(duì)清水河水庫(kù)樞紐的綜合分析，得到以下兩種度汛組合：大壩臨時(shí)斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪和現(xiàn)有溢洪道泄洪。如采用現(xiàn)有溢洪道泄洪，汛期需保留現(xiàn)狀溢洪道面貌，不利于工程施工進(jìn)展。根據(jù)工程施工進(jìn)度計(jì)劃，本水庫(kù)大壩在枯季5個(gè)月內(nèi)臨時(shí)擋水?dāng)嗝婵商钪?83.00 m高程。本工程大壩施工期度汛，初步擬定采用大壩臨時(shí)斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪的度汛方案。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程870.60 m，斷面尺寸為3.0 m×4.0 m，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，在壩前水位達(dá)到882.56 m時(shí)，相應(yīng)入庫(kù)洪峰流量281 m3/s(P=5%)對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位不再上漲，下泄洪水流量83.6 m3/s，導(dǎo)流隧洞洞內(nèi)過(guò)水流速7.44 m/s。設(shè)計(jì)壩前度汛水位取882.56 m，相應(yīng)攔洪庫(kù)容377萬(wàn)m3。大壩施工度汛洪水分流設(shè)計(jì)成果見(jiàn)表3。

表3 度汛洪水分流設(shè)計(jì)計(jì)算成果

清水河水庫(kù)現(xiàn)有大壩壩頂高程884.30～884.38 m，溢洪道堰頂高程880.20 m，溢流凈寬24 m，現(xiàn)狀壩頂高程高于度汛水位882.56 m，汛前只需對(duì)溢洪道缺口進(jìn)行填筑即可。溢洪道缺口填筑量約0.8萬(wàn)m3，根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃及安排，大壩月填筑強(qiáng)度約2.3萬(wàn)m3，若第二施工年度3月開(kāi)始?jí)误w填筑，3月中旬大壩臨時(shí)擋水?dāng)嗝婵善鲋?83.00 m高程，大壩施工面貌能夠滿(mǎn)足度汛標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

根據(jù)選擇的導(dǎo)流方式——現(xiàn)有大壩擋水+取水(兼放空)隧洞過(guò)水，本工程導(dǎo)流建筑物有導(dǎo)流隧洞和擋水圍堰。

3.1 導(dǎo)流隧洞

3.1.1 隧洞布置

本工程可利用大壩右岸取水(兼放空)隧洞兼作導(dǎo)流隧洞使用，導(dǎo)流隧洞軸線(xiàn)呈“︹ ”型，軸線(xiàn)總長(zhǎng)416.50 m，進(jìn)口軸線(xiàn)方向NE85.16°，出口軸線(xiàn)方向NE6.86°，第一個(gè)轉(zhuǎn)彎段樁號(hào)導(dǎo)0+149.32～導(dǎo)0+170.32，轉(zhuǎn)角40.11°，轉(zhuǎn)彎半徑30 m；第二個(gè)轉(zhuǎn)彎段樁號(hào)導(dǎo)0+337.33～0+357.33，轉(zhuǎn)角38.20°，轉(zhuǎn)彎半徑30 m。

3.1.2 導(dǎo)流隧洞計(jì)算及斷面設(shè)計(jì)

(1)導(dǎo)流隧洞計(jì)算。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)：P=20%，導(dǎo)流時(shí)段選用11月—次年4月，相應(yīng)5 a一遇的導(dǎo)流流量Q=38.9 m3/s。度汛標(biāo)準(zhǔn)：P=5%，相應(yīng)20 a一遇的度汛流量Q=281 m3/s。隧洞斷面計(jì)算采用有壓流公式(1)進(jìn)行試算：

(1)

式中：σ為淹沒(méi)系數(shù)；μ為流量系數(shù)；Z為上下游計(jì)算水位差，m；A為隧洞計(jì)算斷面面積，m2。經(jīng)水力學(xué)[3-4]試算，并結(jié)合汛前壩體填筑強(qiáng)度，導(dǎo)流隧洞斷面面積取11.0 m2。

(2)斷面設(shè)計(jì)。導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程為進(jìn)水口底板高程870.60 m，隧洞底坡0.71%，隧洞出口底板高程868.70 m?？紤]大壩施工期度汛泄洪，斷面按導(dǎo)流時(shí)段為無(wú)壓隧洞，度汛時(shí)為有壓隧洞的型式設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)流能力和水力學(xué)計(jì)算，隧洞凈高設(shè)計(jì)為4.00 m、底部?jī)魧挒?.00 m，洞身段頂拱、側(cè)墻及底板均采用0.50 m厚C25鋼筋混凝土襯砌，對(duì)隧洞進(jìn)出口及洞身不良地質(zhì)段，在開(kāi)挖時(shí)先進(jìn)行超前支護(hù)和0.10 m厚的C20混凝土噴錨，再采用0.50 m厚的C25鋼筋混凝土襯砌。

導(dǎo)流隧洞進(jìn)口引渠長(zhǎng)28.70 m，出口引渠長(zhǎng)171.90 m，進(jìn)出口引渠均采用側(cè)墻邊坡為1∶0.5的梯形斷面，引渠底寬3.00 m，側(cè)墻高2.50 m。進(jìn)口引渠底板高程870.60 m，平底；出口引渠底板高程861.50 m，導(dǎo)0+244.56～導(dǎo)0+298.59段平底，導(dǎo)0+298.59～導(dǎo)0+416.50段底坡取i=5.68%。進(jìn)出口引渠底板及側(cè)墻均采用0.30 m厚C20混凝土澆筑。

3.1.3 邊坡支護(hù)

由于導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口處地質(zhì)和巖石性質(zhì)具有特殊性，因此需對(duì)洞口邊坡做加固措施——噴錨處理。隧洞掛口以上邊坡采用錨桿錨固，錨桿按梅花形布置，間距3.00 m；錨筋直徑Ф25、長(zhǎng)度4.50 m，錨固深度4.30 m。

3.2 擋水圍堰

根據(jù)選用的導(dǎo)流方式和大壩施工進(jìn)度安排，本工程導(dǎo)流隧洞施工進(jìn)口設(shè)臨時(shí)圍堰擋水，水庫(kù)樞紐施工初期設(shè)攔蓄枯季洪水的下游擋水圍堰。因下游河床覆蓋層較厚，建剛性圍堰堰體雖然工程量較小，但堰基開(kāi)挖量大，本工程下游圍堰采用土石擋水圍堰堰型[5-9]。

3.2.1 導(dǎo)流洞進(jìn)口圍堰

導(dǎo)流隧洞施工期間利用大壩低涵導(dǎo)流，枯水期遇5 a一遇Q=38.9 m3/s(P=20%，11月—次年4月)洪水時(shí)，最高庫(kù)水位為872.30 m，低涵下泄流量3.41 m3/s。圍堰距導(dǎo)流隧洞進(jìn)口明渠約6.00 m，堰頂高程取873.00 m，最大堰高4.00 m，堰頂寬取1.00 m。經(jīng)布置，堰頂長(zhǎng)約42.00 m，圍堰迎水面、背水面坡比均為1∶1，圍堰采用黏土編織袋堆筑。汛前應(yīng)拆除導(dǎo)流進(jìn)口圍堰，閘門(mén)井及洞內(nèi)埋管施工在導(dǎo)流洞進(jìn)口明渠設(shè)臨時(shí)黏土編織袋圍堰，堰頂高程取873.00 m。

3.2.2 下游圍堰

下游圍堰堰腳距大壩開(kāi)挖邊界約106.00 m，堰前水位取導(dǎo)流隧洞泄洪38.9 m3/s(P=20%，11月—次年4月)時(shí)的下游河水位862.55 m，堰頂高程按堰前水位+波浪爬高+安全超高計(jì)算，堰頂高程取863.50 m，最大堰高3.50 m，堰頂寬取4.00 m。經(jīng)布置，堰頂長(zhǎng)30.00 m，圍堰迎水面、背水面坡比均為1∶2。圍堰心墻設(shè)在堰體軸線(xiàn)處，墻頂高程863.00 m，墻頂厚2.00 m，墻底厚3.00 m，墻體上下游坡比均為1.0∶0.5，墻體嵌入河床以下約1.00 m，坡比為1∶1。

3.3 導(dǎo)流建筑物工程量

根據(jù)導(dǎo)流、度汛建筑物的布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮安全度汛以及“成本節(jié)約”的原則，確定該項(xiàng)工程的導(dǎo)流建筑物主要工程量見(jiàn)表4。

表4 導(dǎo)流建筑物主要工程量表 m3

4 結(jié) 語(yǔ)

清水河水庫(kù)擴(kuò)建工程中導(dǎo)流擋泄水建筑物布置困難，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、工期緊。通過(guò)對(duì)大壩周邊地勢(shì)地貌和自然降雨的研究，確定了導(dǎo)流程序簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小的導(dǎo)流方式——現(xiàn)有大壩擋水+取水(兼放空)隧洞過(guò)水。在度汛方案比選中，比選了“大壩臨時(shí)斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪”與“現(xiàn)有溢洪道泄洪”兩種方案的利弊，最終選定“大壩臨時(shí)斷面擋水+導(dǎo)流隧洞泄洪”，為整個(gè)工程施工進(jìn)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，在5個(gè)月內(nèi)將臨時(shí)擋水?dāng)嗝嫣钪搅?83.00 m，成功解決了工期緊等問(wèn)題。根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行情況，所選擇的度汛方案及導(dǎo)流程序完全符合規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，各導(dǎo)流建筑物運(yùn)行狀況均良好。