大藤峽水利樞紐工程二期圍堰拆除設計優(yōu)化研究

陳規(guī)劃,李廣一,蘇文亮

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司,廣西 桂平 537200;2.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130000)

圍堰是保障主體工程安全施工的關鍵性項目,是確保整個工程按期完工的重要建筑物。重大水利工程因河床地形地質(zhì)條件復雜、水工樞紐整體布置緊湊、施工導截流難度大等特點,其圍堰工程建設周期長、拆除工程量大、圍堰工程投資占比較大等特點[1]。因此,圍堰在設計階段均會考慮上述因素,進行綜合設計,甚至圍堰永臨結(jié)合,以保證施工期基坑安全、度汛安全及降低后期圍堰拆除難度。后期在圍堰拆除中,因工程運用水位、拆除工期、難度等邊界條件發(fā)生較大變化,為此,很多重大工程均對圍堰拆除方案進行了優(yōu)化研究[2-3]。

大藤峽水利樞紐工程二期圍堰(圖1)兼顧右岸基坑建筑物施工及左岸工程運行,原設計拆除總方量高達209萬m3,拆除工期緊,單日拆除量大;上游橫向圍堰拆除時最大水深為30 m,且涉及水下爆破,施工難度極大;上游縱向圍堰混凝土爆破拆除渣料需防止進入左右側(cè)泄水閘,爆破及清渣難度大;圍堰拆除不能影響左岸工程正常運行,不得影響已建臨近工程和邊坡安全。綜上,二期圍堰拆除面臨難題較多,施工難度較大。在滿足左岸工程正常運行、后期泄洪安全及對工程發(fā)電影響程度等較小的前提下,優(yōu)化研究二期圍堰拆除范圍和高程,減少拆除工程量,降低拆除難度進而縮短拆除工期,減少投資,并能盡早發(fā)揮右岸效益。因此,圍堰拆除優(yōu)化研究意義重大[4-5]。

圖1 大藤峽二期圍堰

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程位于珠江水系黔江干流大藤峽出口處弩灘上,下游桂平市約6.6 km。大藤峽水利樞紐是以防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的大(1)型水利樞紐工程。樞紐建筑物主要包括泄水、通航、發(fā)電、擋水、灌溉取水口、過魚等建筑物。水庫總庫容34.79億m3,電站總裝機容量1 600 MW。工程采用兩期導流,一期導流先圍左岸,江水由束窄后的右岸河床過流,在一期圍堰的保護下,施工河床左岸21孔泄水閘、左岸廠房、船閘等一期工程建筑物;二期導流圍右岸,利用左岸已施工完成泄水閘泄流,施工右岸5孔泄水閘、右岸廠房、右岸擋水壩、魚道等建筑物?；炷量v向圍堰為一、二期工程共用。二期圍堰設計洪水標準為大汛50年一遇,下泄流量為44 900 m3/s,使用年限為4年,2019年10月右岸截流成功;2020年9月,利用二期圍堰擋水,水庫蓄水至施工期最高運行水位52 m,左岸工程全面發(fā)揮綜合效益[6-9]。根據(jù)施工組織設計,二期圍堰計劃2022年5月開始拆除。

二期圍堰由上、下游混凝土縱向圍堰和上、下游土石圍堰組成。其中上游段縱向混凝土圍堰長325 m,頂高程54.3 m,下游段縱向混凝土圍堰長202 m,頂高程43.68 m,均為碾壓混凝土結(jié)構(gòu)。上、下游段縱向混凝土圍堰分別與縱向混凝土圍堰壩段及消力池隔墻相接,縱向混凝土圍堰壩段長67 m,消力池隔墻長195 m。上游橫向圍堰布置在壩軸線上游約270 m處,采用土工膜心墻土石圍堰,軸線呈直線布置,左側(cè)與縱向圍堰上游段相連接,右側(cè)與右岸開挖邊坡相連接,圍堰總長349.6 m,頂高程54.3 m,最大堰高52.3 m。下游橫向圍堰布置在壩軸線下游約400 m處,軸線呈直線布置,左側(cè)與縱向混凝土圍堰相連接,右側(cè)與右岸岸坡相連接,圍堰總長404.8 m,頂高程43.68 m,其布置見圖2。

圖2 二期圍堰布置(m)

2 試驗方案

根據(jù)研究內(nèi)容、河道特征、河床形態(tài)、地形特點和模型場地情況,模型確定為正態(tài)模型,比尺為1∶80,模型按重力相似準則設計,模擬壩軸線上、下游分別3.0、2.8 km,共5.8 km范圍。為了觀測研究上游橫向圍堰和縱向混凝土圍堰附近的沖刷情況,以及泄水閘消力池下游的沖刷,試驗對相應位置的基巖依據(jù)巖石的抗沖流速進行了模擬。上游縱向混凝土圍堰附近基礎基巖抗沖流速為4.5～5.5 m/s,通過伊茲巴什公式v=(5～7)d0.5算得模擬沖料的粒徑為6.4～9.6 mm,試驗選取中值粒徑為8.0 mm的石子模擬;消力池下游基巖抗沖流速為4.5 m/s,算得沖料的粒徑為6.4 mm,選取中值粒徑為6.4 mm的石子模擬[10],模型整體布置情況見圖3。

圖3 樞紐整體模型情況

大藤峽水利樞紐工程調(diào)度分為洪水調(diào)度、航運調(diào)度、發(fā)電調(diào)度、水資源配置調(diào)度和灌溉調(diào)度,二期圍堰優(yōu)化主要由大藤峽工程洪水及發(fā)電調(diào)度工況控制。汛期6—8月維持庫水位在汛限水位47.6 m運行,當入庫流量大于20 000 m3/s時,水位可降至防洪運用最低水位44 m;5月份按流量分級控制壩前水位運行,允許最高水位為59.6 m;10月至次年3月亦按流量分級控制壩前水位方式運行,允許最高水位達到正常蓄水位61 m,4月份允許最高水位為59.6 m。

3 圍堰拆除優(yōu)化研究

原設計二期上游橫向土石圍堰拆除至22 m高程;下游橫向土石圍堰全部拆除;上游段縱向混凝土圍堰拆除長度275 m,剩余50 m不拆,拆除高程至36 m;下游段縱向混凝土圍堰全部拆除至22 m,拆除長度202 m。受左岸通航和機組發(fā)電限制,二期上游圍堰拆除期間上游庫水位只能降低到47.6 m,上游圍堰頂高程為54.3 m,水上拆除量較小,大部分為水下拆除,拆除工程量大,施工難度高、工期長。右岸第一臺機組發(fā)電時間計劃提前,要求上下游圍堰的拆除完成時間也要適當提前。為此,開展優(yōu)化二期圍堰拆除范圍和高程研究,以減少拆除工程量,降低拆除難度進而縮短工期,盡早發(fā)揮右岸效益。

3.1 上游橫向圍堰

上游橫向圍堰基礎采用塑性混凝土防滲心墻防滲,心墻頂高程為31.17 m,拆除其高程以下需水下爆破,固對橫向圍堰拆除至高程31.17、28.00、26.00、22.00 m進行對比研究。前期模型試驗研究表明上游圍堰拆除至36 m以下時,26孔泄水閘泄量能力均能滿足設計要求,因此主要研究不同拆除高程對發(fā)電水頭的影響[11]。研究表明低水位發(fā)電工況圍堰上下游水位差受拆除高程影響較大,庫水位越低、橫向圍堰斷面過流面積越小,圍堰斷面平均流速越大,引起圍堰上下游水位差越大,圍堰拆除不同高程與圍堰上下游水位差關系見圖4。在流量14 000 m3/s、庫水位47.6 m、橫向圍堰高程31.17 m時測得圍堰上下游水位差為0.13 m,拆除至28.00 m時測得圍堰上下游水位差為0.08 m,而橫向圍堰高程26 m時水位差減小為0.07 m。

圖4 上游橫向圍堰拆除不同高程與圍堰上下游水位差關系

試驗對上游橫向圍堰堰頂流速進行觀測,下泄20年一遇洪水時,泄水閘全部敞泄,流量39 000 m3/s,橫向圍堰拆除至22.00、25.00、28.00、31.17 m時,圍堰頂面最大流速分別3.61、3.77、4.17、4.49 m/s,最大流速均位于橫向圍堰頂面最上游端,不同拆除高程堰頂最大流速見表1。堰體填筑砂礫石抗沖流速為2.91 m/s,堰頂流速均大于抗沖流速,剩余堰體存在沖至下游泄水閘消力池風險,研究在橫向圍堰后(泄水閘進口前)設置攔渣坎。

表1 不同拆除高程堰頂最大流速(P=5%,39 000 m3/s)

上游橫向圍堰拆除不同高程對電廠攔污柵影響方面,拆除高程28、26 m時,攔污柵處最大流速分別為1.33、1.35 m/s,拆除不同高程各機組攔污柵處流速變化不明顯,由于廠房前攔沙坎高程為28 m,圍堰拆除至28 m高程及以下時,對攔污柵處流速沒有顯著影響,拆除至31.17 m時最大流速為1.48 m/s,流速稍大。大藤峽右岸為原河床主流,且后期運用右區(qū)5孔泄水閘幾率最大,圍堰拆除至22 m高程,最大圍堰拆除深度達39 m,水下拆除難度極大。考慮右岸電站進口設置有頂高程為28 m攔沙坎,最后選定上游橫向圍堰右岸側(cè)拆除至31.17 m高程,5孔泄水閘段前圍堰拆除至25 m高程,為防止圍堰頂流速偏大引起沖刷碎石至消力池破壞流道,圍堰后增設一道攔渣坎,頂高程為26 m。

3.2 上游縱向圍堰

縱向圍堰拆除主要研究剩余不同長度對泄流能力、流態(tài)及沖刷等影響,擬定拆除剩余長度分別為50、157、320 m(全面保留)等3個方案,考慮拆除部分可攔截橫向圍堰碎石沖至左岸泄洪閘,拆除部分高程至36 m。泄流能力控制工況為20年一遇洪水,流量為39 000 m3/s,試驗采用此工況進行動床研究對比。

下泄20年一遇洪水,在橫向圍堰拆除至28.00 m高程時,縱向圍堰拆除剩余50、157 m庫水位分別為45.83、45.94 m,相比設計水位46.15 m低0.32、0.21 m;在橫向圍堰拆除臺階型式時,縱向圍堰拆除剩余50、157 m,全部保留3種布置,庫水位分別為45.91、45.99、46.08 m,相比設計水位低0.24、0.16、0.07 m;在橫向圍堰拆除至31.17 m高程時,縱向圍堰全部保留的庫水位為46.11 m,相比設計水位低0.04 m,試驗測得數(shù)據(jù)見表2。下泄1 000年一遇洪水,在橫向圍堰拆除臺階型式時,縱向圍堰拆除剩余50、157 m,全部保留3種布置,庫水位分別為51.50、51.54、51.63 m。表明不同剩余長度下泄流能力均滿足設計要求,剩余長度越大,影響越大,發(fā)生20年一遇洪水時安全余度很小。

表2 圍堰拆除不同方案泄流能力(P=5%) 單位:m

宣泄20年一遇洪水時,上游縱向圍堰拆除剩余部分左側(cè)和泄水閘上游區(qū)域均有繞流。拆除剩余50 m時,圍堰左側(cè)相鄰2～3個閘孔受繞流影響;拆除剩余157 m時,左側(cè)相鄰4～5個閘孔受回流影響,水面橫向比降明顯,流態(tài)情況見圖5;圍堰全部保留時,左側(cè)相鄰6～7個閘孔受回流影響,圍堰左側(cè)圓頭處沖刷最深點高程17 m,沖深5.0 m。宣泄1 000年一遇洪水,控泄庫水位61 m,圍堰全部保留時,左側(cè)圓頭處沖刷最深點高程20.1 m,沖深1.9 m。

圖5 圍堰拆除剩余157 m上游縱向圍堰流態(tài)

3.3 下游橫向圍堰

二期下游橫向土石圍堰位于右岸電廠尾水渠下游,圍堰拆除難度不大,拆除高程主要考慮對電廠尾水的影響。結(jié)合圍堰前后樞紐布置和地形高程情況,試驗對圍堰拆除至15 m和10 m高程(全部拆除)進行對比研究,觀測分析圍堰上下游水位差判別其對電廠尾水的影響。不同發(fā)電流量條件下,不同拆除高程上下游水位成果見表3。

表3 各工況二期下游橫向土石圍堰上下游水位成果

圍堰拆除至15 m高程時,對應1臺機、3臺和5臺滿發(fā)流量上下游水位差為0.04、0.11、0.14 m,影響較為明顯。而圍堰拆除至10 m時,圍堰上下游水位差最大值為0.02 m,對電廠尾水影響較小。試驗測得相應工況下圍堰頂部流速,最大流速見表3。最大流速均位于圍堰上游邊緣,相對圍堰拆除高程15.00 m,拆除至10.00 m時流速均有所減小。考慮剩余圍堰填筑石渣料在水流持續(xù)沖刷下,易對下游河道造成淤積,因此推薦下游橫向圍堰全部拆除,土石方拆除工程量96×104m3。

3.4 下游縱向圍堰

大藤峽26孔泄洪閘下游采用二級消力池底流消能,分左、中、右3個分區(qū),其中縱向圍堰下游段是中區(qū)和右區(qū)5孔泄洪閘的隔墻,因此縱向圍堰下游段拆除主要考慮對消力池出池水流擴散及下游沖刷的影響。在下游橫向圍堰拆除至10 m高程基礎上,對下游縱向圍堰全部保留、拆除至高程30.0、26.5 m高程3個方案進行對比研究,控制工況為泄洪工況。

縱向圍堰全部保留時,宣泄20年一遇洪水,右區(qū)下游沖坑最深點高程15.4 m,沖深4.6 m,沖坑位于消力池下游的縱向混凝土圍堰右側(cè)堰腳附近,距離消力池尾坎末端16 m;宣泄100年一遇洪水時,圍堰左側(cè)堰腳處產(chǎn)生沖刷,高程多數(shù)低于圍堰基礎高程20 m,最深點高程17 m,沖深5 m,位于消力池下游176 m堰腳處,沖坑最深點及堰腳沖刷數(shù)據(jù)見表4,模型沖刷情況見圖6;宣泄1 000年一遇洪水時,消力池下游最深點為12.5 m,左側(cè)堰腳沖刷高程為19.7?？v向圍堰拆除至30 m高程時,宣泄100年一遇洪水時,縱向圍堰左側(cè)呈淤積形態(tài),最高點同圍堰拆除高程30 m,模型沖刷情況見圖7;宣泄1 000年一遇洪水時,消力池下游最深點12.90 m,左側(cè)堰腳沖刷高程21.50 m?？v向圍堰拆除至26.5 m高程時,以上各工況沖刷情況和拆除至30 m高程時相當,區(qū)別不大。右區(qū)下游沖刷較為嚴重的最不利工況為總流量11 500 m3/s、機組過流量6 500 m3/s、右區(qū)泄洪5 000 m3/s,圍堰拆除至30.0、26.5 m高程時,右區(qū)堰腳沖坑最深點高程分別為13.4、12.7 m,兩拆除高程的沖刷結(jié)果基本一致,均低于圍堰基礎高程。

表4 縱向圍堰拆除不同方案消力池下游沖刷(100年一遇洪水)

圖6 縱向圍堰全部保留消力池下游沖刷(100年一遇洪水)

圖7 縱向圍堰拆除至30 m高程消力池下游沖刷(100年一遇洪水)

樞紐壩下河流成S型,受河勢影響,左岸岸坡位于頂沖區(qū),下泄水流明顯集中沖擊左岸岸坡,并在左岸廠房尾水渠上游段形成回流區(qū),回流區(qū)后頂沖左岸岸坡。對于消力池下游水流擴散影響來看,隨著縱向圍堰拆除高程的降低,出池水流向右側(cè)擴散有所增加,泄流對下游左岸岸坡的頂沖影響略有減弱,試驗測得泄洪20年一遇情況下,縱向圍堰全部保留、30 m高程和26.5 m高程左岸最大回流流速分別為1.01、0.96、0.89 m/s,下游左岸坡腳最大流速分別為4.52、4.38、4.30 m/s,拆除方案越低岸坡坡腳底部流速越小;百年一遇泄洪情況下,對應左岸最大回流流速分別為1.54、1.51、1.41 m/s,下游左岸坡腳最大流速分別為4.78、4.63、4.56 m/s。研究表明,縱向圍堰拆除越低岸坡坡腳底部流速越小,但各方案間的岸坡坡腳流速值總體相差不大。

下游縱向圍堰全面保留時,消能工設計工況下出現(xiàn)沖坑底高程低于圍堰基礎高程,影響縱向圍堰工程安全,因此縱向圍堰消力池下游段需要拆除。拆除至30.0、26.5 m高程2個拆除方案,在設計工況下均為左岸堰腳處為淤積狀態(tài),在右區(qū)沖刷不利工況下,堰腳右側(cè)會出現(xiàn)沖坑均低于圍堰基礎高程,沖坑深度相差不大。2個拆除方案水力及沖刷情況差別不大,考慮盡量減少圍堰拆除工程量,推薦下游段縱向混凝土圍堰拆除至30 m高程,相關右區(qū)沖刷不利工況后期調(diào)度試驗進一步研究論證。

3.5 優(yōu)化研究影響分析

研究調(diào)整后的二期圍堰拆除方案,整體泄流能力、水力學條件滿足設計要求,上游橫向圍堰拆除高度提高,施工難度及風險相對降低;減少土石方開挖和混凝土拆除量分別為32.55萬、5.86萬m3,節(jié)省投資2 830萬元。上下游橫向土石圍堰工期不變,但圍堰拆除強度明顯變低,縱向圍堰拆除工期提前,強度不變。

4 結(jié)論

本文采用水工模型試驗方法,綜合考慮泄量能力、流態(tài)、沖刷、施工難度、工程投資、工期等因素,對大藤峽二期圍堰拆除方案進行優(yōu)化研究。優(yōu)化后,上游橫向圍堰拆除高程由22.00 m變?yōu)橛野秱?cè)拆除至31.17 m高程,泄水閘段拆除至25.00 m高程;下游縱向圍堰拆除高程由22 m提高至30 m高程,拆除長度202 m?？v向圍堰上游段和下游橫向圍堰拆除方案經(jīng)進一步研究維持原方案。