TB水電站高過水圍堰方案可行性研究

鞠智敏

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

施工導(dǎo)流方案的選擇直接影響工程總進(jìn)度和工程造價(jià)，若采用全年圍堰方案則導(dǎo)流程序簡單，工程可全年施工，施工強(qiáng)度較均衡，施工工期保證率高，但導(dǎo)流工程費(fèi)用相對較大；若采用枯水期時(shí)段圍堰方案，導(dǎo)流工程費(fèi)用較低，但施工工期保證率低，導(dǎo)流程序復(fù)雜，因此施工導(dǎo)流方案選擇須分析各方面因素，經(jīng)綜合比較論證合理選定。

TB水電站屬一等大(1)型工程，壩址控制流域面積8.87萬km2，多年平均流量822m3/s，多年平均徑流量259.2億m3。樞紐主要建筑物由擋水建筑物(碾壓混凝土重力壩，最大壩高約158m)、泄洪消能建筑物、右岸地下輸水發(fā)電系統(tǒng)等組成，電站裝機(jī)1400MW。

因TB水電站施工導(dǎo)流工程投資較高，可研階段施工導(dǎo)流方案對全年圍堰方案、枯水期時(shí)段圍堰方案和高過水圍堰方案等進(jìn)行了全面綜合比較?？尚行匝芯侩A段最終推薦工程施工導(dǎo)流方案為：采用圍堰擋水、隧洞導(dǎo)流、壩體全年施工的導(dǎo)流方案。在左岸平行布置兩條導(dǎo)流洞，洞軸線中心距50m，斷面尺寸均為13m×16m(寬×高)，為中心角120°的城門洞型。①、②導(dǎo)流洞洞身長度分別為1359.677m和1489.489m。上游圍堰最大堰高55.4m，下游圍堰最大堰高34.5m。

本文主要對TB水電站高過水圍堰方案深化研究內(nèi)容進(jìn)行簡要介紹，供以后類似工程研究參考。

1 高過水圍堰方案可行性研究

1.1 圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)與型式

高過水圍堰方案指圍堰擋常遇洪水，若遇超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水則考慮堰頂過水。

根據(jù)NB/T 10491—2021《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，過水圍堰的擋水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合水文特點(diǎn)、施工工期、擋水時(shí)段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，在3～20年重現(xiàn)期范圍內(nèi)選定。

1.1.1水文資料與過水概率分析

根據(jù)水文資料，TB水電站壩址處全年重現(xiàn)期為2、3、4、5年的設(shè)計(jì)洪水流量分別為3130、3720、4110、4420m3/s，各標(biāo)準(zhǔn)洪水流量跳躍性較為均勻。根據(jù)本工程施工總進(jìn)度安排，2021年11月進(jìn)行主河床截流，2024年汛前大壩已澆筑至壩頂高程，高過水圍堰方案2022年和2023年汛期可能出現(xiàn)圍堰過流工況。根據(jù)32年實(shí)測水文資料統(tǒng)計(jì)，不同設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下連續(xù)2年都不過水、連續(xù)2年有1年過水和連續(xù)2年都過水的概率見表1。

表1 不同設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下連續(xù)2年的過水概率統(tǒng)計(jì)表

當(dāng)過水圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用全年2年一遇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，32年實(shí)測資料中連續(xù)2年都過水的概率達(dá)48.4%，大壩施工期(跨2個(gè)汛期)圍堰及基坑過水概率很大，且年內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)多，需要考慮停工的時(shí)間長，直接影響施工工期，因此，不予考慮，重點(diǎn)針對全年3年一遇、全年4年一遇以及全年5年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)比選后確定。

1.1.2導(dǎo)流建筑物型式與控制規(guī)模分析

(1)圍堰型式與控制規(guī)模分析

過水圍堰一般采用土石-碾壓混凝土混合過水圍堰、土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+自潰堰、全RCC(碾壓混凝土)圍堰以及CSG(貧膠凝粗粒料)圍堰等形式。鑒于目前CSG圍堰施工技術(shù)已有成功經(jīng)驗(yàn)，可有效取代RCC圍堰，并節(jié)省工程投資，因此，本次研究不另比選全RCC圍堰形式。根據(jù)國內(nèi)已建工程典型過水圍堰資料，土石過水圍堰最大高度均不超過40m，上下游土石過水圍堰堰頂高差均小于15.5m；混凝土過水圍堰(含CSG圍堰)最大高度55m左右，相應(yīng)上下游過水圍堰堰頂高差小于30m。魯?shù)乩娬就潦?碾壓混凝土混合過水圍堰具有施工速度快、抗沖效果好、過流前不用預(yù)先充水等特點(diǎn)；DHQ水電站CSG過水圍堰，最大堰高57m，實(shí)現(xiàn)了一次性連續(xù)上升澆筑，最大限度地節(jié)約了施工成本、縮短了施工工期。

因此，本工程對上游高過水圍堰型式考慮3種：①土石-碾壓混凝土混合過水圍堰；②土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+自潰堰；③CSG圍堰。

同時(shí)，考慮在2021—2022年1個(gè)枯水期內(nèi)需完成上游高過水圍堰的填筑，確保2022年汛前具備擋水條件，參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)并適當(dāng)考慮技術(shù)進(jìn)步，擬定土石-碾壓混凝土混合過水圍堰高度控制在40m左右(原地面線起算)，CSG圍堰高度控制在60m左右(壩基開挖高程起算)，若圍堰高度進(jìn)一步增加，則圍堰施工強(qiáng)度加大，過水保護(hù)難度加大。

(2)導(dǎo)流洞規(guī)模控制分析

以上游土石-碾壓混凝土混合過水圍堰高度40m左右、CSG圍堰高度60m左右為控制原則，對所需導(dǎo)流隧洞洞徑進(jìn)行反算，不同圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)及圍堰型式對應(yīng)的導(dǎo)流洞規(guī)模見表2，表中①代表土石-碾壓混凝土混合過水圍堰(堰基最低原地面高程1606m)；②代表土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+自潰堰；③代表CSG圍堰(壩基最低開挖高程1585.2m)。

表2 高過水圍堰方案不同堰型對應(yīng)導(dǎo)流洞規(guī)模比較表

考慮施工安全、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性，導(dǎo)流洞最大洞徑按不超過20m為控制原則。根據(jù)表2，全年3年、全年4年擋水標(biāo)準(zhǔn)下土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+自潰堰型式下對應(yīng)的導(dǎo)流洞洞徑均較為合理可行。

1.1.3過水圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)與型式選定

土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+自潰堰規(guī)模相當(dāng)時(shí)，全年3年、全年4年擋水標(biāo)準(zhǔn)下對應(yīng)的導(dǎo)流洞洞徑分別為16.5m×18.5m(寬×高)和17m×19m(寬×高)，導(dǎo)流建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度上無本質(zhì)的區(qū)別。從導(dǎo)流工程投資分析，全年3年、4年擋水標(biāo)準(zhǔn)分別為56516萬元和57326萬元(不含壩面過水保護(hù)和過水基坑清淤等費(fèi)用)，相差810萬元，兩個(gè)擋水標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的導(dǎo)流工程投資相差不大。

32年實(shí)測水文資料中，1998—2000年連續(xù)3年均發(fā)生了超全年3年一遇洪水，連續(xù)2年都發(fā)生了超全年3年一遇洪水的概率為6.5%，連續(xù)2年有1年發(fā)生超全年3年一遇洪水的概率為41.9%，連續(xù)2年都未發(fā)生超全年3年一遇洪水的概率為51.6%，1991年7月11日—8月30日發(fā)生了6次超全年3年一遇洪水、歷時(shí)長達(dá)51d；連續(xù)2年未同時(shí)發(fā)生超全年4年一遇洪水，連續(xù)2年有1年發(fā)生了超全年4年一遇洪水的概率為22.6%，連續(xù)2年都未發(fā)生超全年4年一遇洪水的概率為77.4%。很明顯，大壩施工期(跨2個(gè)汛期)圍堰擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按全年4年一遇比按全年3年一遇的基坑過水概率小。

考慮工程的重要性，在導(dǎo)流工程投資增加不大的情況下，盡量降低汛期圍堰過水風(fēng)險(xiǎn)，盡可能爭取施工工期。因此，高過水圍堰方案擋水標(biāo)準(zhǔn)推薦采用全年4年一遇洪水，并擬定采用土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+自潰堰型式。

1.2 方案布置及圍堰設(shè)計(jì)

高過水圍堰方案在左岸布置1條過水?dāng)嗝娉叽鐬?7m×19m(寬×高)，中心角120°的城門洞型導(dǎo)流隧洞，隧洞進(jìn)、出口高程分別為1615m和1612m，導(dǎo)流洞洞身段長1380.25m。圍堰擋水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用全年4年一遇洪水，相應(yīng)流量為4110m3/s。圍堰過水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用全年20年一遇洪水，相應(yīng)流量為6320m3/s。

上游圍堰采用土石-碾壓混凝土混合過水圍堰+5m自潰堰，自潰堰堰頂高程1650.92m，軸線長度183.67m，上游坡比為1∶2，在上游邊坡高程1626.5mm設(shè)防護(hù)平臺。過水圍堰堰頂高程1645.92m，采用厚度4m碾壓混凝土進(jìn)行防護(hù)，為保證堰頂平臺的穩(wěn)定性，在平臺前端設(shè)置混凝土深齒槽；下游堰面高程1624.25m上、下坡比分別為1∶3.5和1∶2，下游堰面至基巖面采用碾壓混凝土防護(hù)，并在高程1624.25m設(shè)寬度20m消能平臺。圍堰左右岸兩側(cè)直接受水流沖刷部位采用混凝土貼坡處理。因上游堰基覆蓋層深度為20m，為盡量縮短導(dǎo)流隧洞長度，原地面高程圍堰背水側(cè)堰腳離壩基開挖開口線水平距離為40m，為減小汛后基坑清淤難度，將圍堰堰腳與大壩基坑之間的覆蓋層挖除。如圖1所示。

圖1 上游土石-碾壓混凝土過水圍堰橫剖面

下游圍堰采用土石過水圍堰，堰頂高程1628.2m，軸線長度106.12m，堰頂寬度20m。上游堰坡高程1618.7m上、下坡比分別為1∶1.7和1∶1.5，采用1.2m厚雙絞鋼絲網(wǎng)石籠護(hù)面。下游堰面高程1621m設(shè)寬度90m消能平臺，平臺以上堰坡為1∶5，采用1m厚混凝土面板防護(hù)；消能平臺以下坡比1∶1.5，采用雙絞鋼絲網(wǎng)石籠防護(hù)。下游土石過水圍堰橫剖面如圖2所示。

圖2 下游土石過水圍堰橫剖面

1.3 汛期基坑過水工期影響分析

根據(jù)實(shí)測水文統(tǒng)計(jì)資料來看，工程開工后，汛期存在基坑過水的可能。根據(jù)下游DHQ水電站圍堰過水的實(shí)際情況綜合分析，圍堰過水1次，施工工期影響2～3個(gè)月。本工程高過水圍堰按全年4年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，32年實(shí)測資料中，1991年8月14日—17日發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，歷時(shí)4d；1998年8月31日—9月6日發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，歷時(shí)7d；2000年7月31日發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，歷時(shí)1d；2017年7月8—11日發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，歷時(shí)4d。

以實(shí)際過水歷時(shí)最長計(jì)算，①若2022年圍堰基坑過水1次，洪水歷時(shí)7d，汛前預(yù)警，發(fā)生洪水前人員撤退歷時(shí)2d，基坑排水歷時(shí)15d(排水量約158.80萬m3，排水強(qiáng)度6530～4571m3/h，歷時(shí)11～15d)，清淤歷時(shí)30d，合計(jì)54d，按過水工期損失2個(gè)月考慮；②若2023年圍堰基坑過水1次，洪水歷時(shí)7d，汛前預(yù)警，發(fā)生洪水前人員撤退歷時(shí)2d，基坑排水歷時(shí)10d，清淤歷時(shí)5d，合計(jì)24d，按過水工期損失1個(gè)月考慮；③2024年汛前大壩澆筑至壩頂高程，不受影響。

1.4 方案比較及選擇

(1)TB水電站高過水圍堰方案的研究初衷是為了在全年圍堰和枯水期圍堰方案中找出一個(gè)平衡點(diǎn)，既降低工程投資又適當(dāng)提高施工工期保證率。因該方案仍存在汛期基坑過流風(fēng)險(xiǎn)，將影響料源堆存及可利用料開采，壩面過流因長間歇易引起新澆混凝土開裂，壩面處理工程量大等。

(2)根據(jù)已建過水圍堰經(jīng)驗(yàn)，即使進(jìn)行了過水圍堰保護(hù)等相關(guān)計(jì)算及模型試驗(yàn)，但由于基坑過流水流條件復(fù)雜，仍有工程造成了圍堰保護(hù)沖毀等問題。高過水圍堰方案扣除5.00m自潰堰后堰高39.92m，與目前國內(nèi)已建工程最大過水圍堰堰高規(guī)模相當(dāng)。圍堰高度大，過流水頭高，基坑內(nèi)消能防護(hù)難度大。因此，如采用此方案，對于過堰水流流態(tài)、流速、堰面過水保護(hù)措施、基坑風(fēng)險(xiǎn)管控等均有待進(jìn)一步進(jìn)行專題研究及相關(guān)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)根據(jù)分析及工程類比，在考慮高過水圍堰施工期過水1次的情況下，全年圍堰方案和高過水圍堰方案壩體碾壓混凝土入倉方式、月平均上升速度和混凝土澆筑強(qiáng)度基本相當(dāng)，高過水圍堰方案略高于全年圍堰方案，均屬國內(nèi)先進(jìn)水平。高過水圍堰方案過水工期損失若超過本分析采用的2個(gè)月時(shí)，大壩施工進(jìn)度指標(biāo)需要進(jìn)一步提高，現(xiàn)場施工組織需更加強(qiáng)化，才能確保大壩進(jìn)度。

(4)高過水圍堰方案，大壩施工期若不發(fā)生超全年4年一遇洪水，導(dǎo)流工程投資比全年圍堰方案節(jié)省約5000萬元，節(jié)省投資有限但工期保證性大大降低。

經(jīng)綜合比較，工程采用高過水圍堰方案節(jié)約投資有限，但帶來影響料源堆存及可利用料開采、壩面易引起新澆混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)以及施工工期緊等，故本工程最后仍選擇采用全年圍堰方案。

2 結(jié)語

本文提出的高過水圍堰導(dǎo)流方案是一種介于枯期圍堰和全年圍堰之間新的導(dǎo)流思路，基于多年實(shí)測水文統(tǒng)計(jì)資料精細(xì)化分析了不同擋水標(biāo)準(zhǔn)下汛期基坑過水的概率，并且對工程進(jìn)度投資指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。通過TB水電站高過水圍堰方案研究，對高過水圍堰方案有了初步認(rèn)識，相應(yīng)成果有力支撐TB水電站導(dǎo)流方案的選擇，開闊了大江大河上的水電工程施工導(dǎo)流方案選擇的思路，為以后類似工程確定最佳施工導(dǎo)流方案提供一定借鑒。