秘魯某電站引水樞紐工程施工導(dǎo)流設(shè)計

暴艷利，曾俊

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津市 300222）

0 引言

水利工程作為比較重要的基礎(chǔ)性工程，對經(jīng)濟發(fā)展有著積極的促進作用，施工導(dǎo)流則是水利水電工程中一項十分重要的措施，必須精細周密地設(shè)計安排［1］。水利工程施工導(dǎo)流方案的選擇是一個復(fù)雜的多目標決策問題，其主要目的是在備選方案中尋找施工費用指標、工期指標、施工導(dǎo)流風(fēng)險指標和施工難度指標最優(yōu)的方案［2］。本文采用不同導(dǎo)流設(shè)計標準相結(jié)合的方式進行導(dǎo)流建筑物設(shè)計，提出了最優(yōu)的導(dǎo)流設(shè)計方案。

1 工程概況

秘魯某電站工程位于ARAZA河上，該河道縱坡較大，水流湍急。該項目是從電站上游約4.0 km處布置引水樞紐，并從該處通過隧洞引水至電站進行發(fā)電。引水樞紐靠4孔弧門擋水，單孔孔口尺寸為8.0 m×5.5 m（寬×高），在取水口處設(shè)置平板閘門以方便控制水流及攔截河道漂浮物。引水樞紐所在河道寬約40 m左右，兩岸山體覆蓋層較厚，主要為砂質(zhì)粉土、砂或粉土質(zhì)砂，含次棱角～次圓形礫石、卵石，為沖洪積層，滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s。

2 導(dǎo)流標準

本工程主體建筑物為3級，按照《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》（SL 303—2017）規(guī)定，導(dǎo)流工程保護對象級別為3級，導(dǎo)流工程按5級建筑物標準設(shè)計；導(dǎo)流擋水建筑物為土石結(jié)構(gòu)，其洪水標準為重現(xiàn)期5～10 a。鑒于河流水文實測資料系列較短，導(dǎo)流建筑物洪水標準采用上限值，即10年一遇。不同導(dǎo)流時段的洪峰流量—水位關(guān)系如下所示（見表1）。

表1 設(shè)計洪峰流量—水位關(guān)系表

3 導(dǎo)流時段

引水樞紐有效施工工期為18個月，結(jié)合進度安排，采用分期導(dǎo)流方案，根據(jù)汛期是否停工兩種導(dǎo)流時段進行比選（見表2）。

表2 導(dǎo)流時段對比表

方案1為汛期停工方案，一期先圍右岸，利用左岸擴挖后的河床過水，過水?dāng)嗝鎸挾燃s15 m，汛期停工并拆除一期圍堰；二期利用引水壩段的縱向?qū)岸谏?、下游圍堰繼續(xù)圍右岸，進行右岸工程施工，汛期停工并拆除二期上、下游圍堰；三期圍左岸，利用已建好的右岸一道閘孔過水。方案2為汛期不停工方案，與方案1不同的是：二期上、下游圍堰采用全年圍堰，保證右岸工程汛期不停工。其中，方案1中的二期圍堰為枯水期圍堰，圍堰工程量較?。环桨?中的二期上、下游圍堰為全年圍堰，圍堰工程量較大。從圍堰工程量角度分析，方案1圍堰工程量較小，但因圍堰長度較短，兩方案圍堰工程投資相差較小。同時，方案2能保證汛期不停工，大大縮減了施工工期，保證了施工的連續(xù)性。因河道較窄，若一期導(dǎo)流時段采用全年導(dǎo)流，縱向圍堰體型較大，河道過流能力不滿足要求。鑒于以上分析，施工采用方案2作為本工程的導(dǎo)流時段。

4 導(dǎo)流方案

引水樞紐壩址處兩岸山體覆蓋層較厚，若采用隧洞導(dǎo)流，導(dǎo)流工程投資較大；河床較窄且無灘地，不具備明渠導(dǎo)流條件。對局部河床擴挖后具備分期導(dǎo)流條件，故本工程采用分期導(dǎo)流方案。結(jié)合進度安排，分三期實施：一期采用枯水期圍堰先圍右岸，利用左岸擴挖后的河床過水，過水?dāng)嗝鎸挾燃s15 m，進行閘壩右岸壩段施工，同時完成右岸1號閘室及縱向?qū)Φ臐仓?。二期拆除一期上、下游及縱向圍堰，利用引水壩段的縱向?qū)岸谏稀⑾掠螄呃^續(xù)圍右岸；二期上、下游圍堰為全年圍堰，進行右岸壩段及取水口工程施工，保證了右岸工程汛期不停工。三期采用枯水期圍堰圍左岸，利用已建好的右岸一道閘孔過水，進行左岸壩段施工。

5 導(dǎo)流建筑物設(shè)計

5.1 一期圍堰

一期圍堰填筑后原河床過流能力不足，考慮擴挖另一側(cè)河床過流，擴挖后過水?dāng)嗝娴讓挵?5 m考慮?？v向圍堰長度與上游水深之比大于20，按明渠泄流計算方法計算。分期導(dǎo)流過流均采用能量方程推水面線方法計算明渠進口處下游水深，公式如下：

式中，Z上、Z下為上、下游斷面水位（m）；V上、V下為上、下游斷面流速（m/s）；Q為設(shè)計流量（m3/s）；ΔS為上、下游斷面間距（m）；a為動能修正系數(shù)；ζ為局部阻力系數(shù)；K上、K下為上下游斷面流量模數(shù)，通過公式計算，其中：A為過水?dāng)嗝婷娣e（m2），R為過水?dāng)嗝嫠Π霃剑╩），n為河床糙率。

求得明渠進口下游側(cè)水深，以該水深作為堰后水深，采用寬頂堰公式計算上游水位，從而確定上游圍堰高程。明渠進口處水流按寬頂堰計算：

式中，Q為設(shè)計流量（m3/s）；m為流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；B為過水寬度（m）；H為堰前水深（m）；H0為計入行近流速的上游總水頭（m），取H0=H。

經(jīng)計算，引水樞紐一期圍堰上游水位為1 887.51 m。

5.2 二期圍堰

二期圍堰設(shè)計標準為全年10年一遇洪水，上、下游及縱向圍堰按設(shè)計洪峰流量288 m3/s設(shè)計。二期圍堰填筑后左側(cè)河床過水，過水?dāng)嗝娴讓挵?0 m考慮。水力學(xué)計算方法同一期圍堰，經(jīng)計算，引水樞紐二期圍堰上游水位為1 885.97 m。

5.3 三期圍堰

圍堰設(shè)計標準為5—10月10年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量113 m3/s。二期利用右岸1號閘孔過流，根據(jù)閘孔泄流曲線得出三期上游圍堰水位為1 886.40 m（見圖1）。

圖1 右岸1號閘孔泄流曲線

一期圍堰結(jié)構(gòu)形式為土石結(jié)構(gòu)。堰體填筑采用開挖料，迎水側(cè)坡面采用40 cm厚拋石護坡，下鋪30 cm過渡層，中間鋪設(shè)復(fù)合土工膜作為堰體防滲，迎水側(cè)坡面防護結(jié)構(gòu)延伸長度不小于圍堰高度，過渡層采用中粗砂。頂寬3.0 m，上游邊坡坡比均為1∶2.0，下游邊坡坡比均為1∶1.5?？v向圍堰連接上、下游圍堰，高程順接。二期圍堰由上、下游圍堰及縱向圍堰組成。二期上、下游圍堰結(jié)構(gòu)形式基本與一期圍堰結(jié)構(gòu)形式相同，縱向圍堰采用混凝土結(jié)構(gòu)。三期圍堰由上、下游圍堰及縱向圍堰組成，三期上、下游圍堰結(jié)構(gòu)形式基本與二期圍堰結(jié)構(gòu)形式相同（見圖2）。

圖2 圍堰標準斷面

6 結(jié)語

與純土石結(jié)構(gòu)的全年圍堰相比，二期導(dǎo)流利用永久導(dǎo)墻作為縱向圍堰不僅減少了圍堰工程投資，還保證了河道過流能力；與枯水期圍堰相比，上、下游圍堰采用全年圍堰可保證汛期不停工。本工程采用枯水期+汛期+枯水期組合的分期導(dǎo)流方式，汛期不停工，保證了施工的連續(xù)性，大大縮減了工期。