河流洪枯流量差别大的电站施工导流设计

　　1 工程概况
　　
　　新鄂水电站位于黑龙江省逊克县境内的沾河下游，为混合式开发的水力枢纽工程。坝址位于逊克县鄂伦春族自治乡上游15 km.电站厂房位于坝址下游 4.8 km 处，距新鄂乡约10.2 km.

　　新鄂水电站是一座以发电为主，兼顾防洪、养鱼等综合效益的水利枢纽工程，水库总库容为15.93×108m3,电站总装机容量为100 MW.根据 DL5180-2003 《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，按库容确定工程规模为大（1）型，工程等别为Ⅰ等；大坝及泄水建筑物为 1 级建筑物，引水发电系统建筑物为3级建筑物。

　　枢纽工程主要由沥青混凝土心墙堆石坝、岸坡溢洪道、引水隧洞及地面厂房组成。坝顶高程 267.70 m,最大坝高81.7 m,坝顶长（包括溢洪道）1 274.00 m.电站装机容量100 MW,为两台单机容量50 MW机组。引水隧洞内径8.0m,长997.66 m.2 条压力管道内径为 4.6 m,压力管道长：1号117.60 m,2号128.99 m.岸坡溢洪道布置 4 个溢流表孔，每孔净宽12.00 m,设12 m×15.50 m的弧形闸门。厂区位于河床左岸，由引水式地面发电厂房、尾水渠和变电站等3部分组成，厂房尺寸为61.90 m ×21.50 m ×39.54 m（长×宽×高）。

　　2 导流条件
　　
　　2.1 水文、气象条件
　　根据沾河流域洪水特性，此次设计将施工水文时段划分为五期，各时段不同重现期的流量见表1.坝区属高寒山区，极端最低气温-48.1 ℃,极端最高气温35.2 ℃,多年平均气温-1.42 ℃。坝区冰冻期较长，一般在 10 月下旬开始流凌，11月中下旬封河，开河日期为4月上旬至5月上旬。坝区最大冰厚1.50 m,最大冻土深2.2 m.【表1】

　　
　　2.2 地形、地质条件
　　坝址处河谷呈不对称的“U”型，左陡右缓，左岸为切割不深的低山，山体比高一般100~150 m,河谷坡度30°~45°,局部为陡崖。右岸相对较低矮，为宽广平缓的玄武岩熔岩台地，地势由南向北缓慢降低，比高60~100 m,河谷坡度20°~40°,谷底宽一般为200~350 m.两岸分布有不连续的漫滩和阶地。

　　坝址处平水期水面宽约180 m,河底高程约198.0 m,覆盖层厚度为5~13 m,河床覆盖层渗透系数为400~500m/d.

　　3 导流标准及导流方式
　　
　　3.1 导流标准
　　按照《施工组织设计规范》规定，大坝导流建筑物为Ⅳ级，厂房导流建筑物为Ⅴ级。按规范规定，结合此工程的具体情况，确定各导流建筑物的设计挡水标准及过流标准如下：

　　大坝上下游土石围堰设计挡水标准，采用枯水期（11月至翌年3月）10年重现期流量79.2 m3/s;坝体缺口过流标准，春汛期采用20年重现期流量796 m3/s,大汛期采用50年重现期流量3 640 m3/s;大坝施工后期渡汛标准采用大汛200年重现期流量5 250 m3/s;厂房土石围堰设计挡水标准采用大汛5年重现期流量1 200 m3/s;导流洞进出口预留土坎设计挡水标准亦采用大汛5年重现期流量1 200 m3/s.导流洞泄流设计标准采用大汛10年重现期流量1 880 m3/s.

　　3.2 导流方式
　　坝址处河谷形状系数较小，适宜隧洞导流，此次设计着重优化导流时段的选择。综合考虑坝址地形、地质条件、水工枢纽布置、施工进度、施工方法等因素，做了 3 个方案：

　　1）围堰挡枯水流量方案：经洞径与围堰高度经济比较，并考虑截流、排冰等因素，采用一条 6.5 m×6.5 m（宽×高）方圆形导流洞比较合理，洞长431.66 m.上下游围堰有部分与坝体相结合，围堰的设计挡水标准，采用枯水期（11月至翌年3月）10年重现期流量79.2 m3/s,上游围堰最大堰高为6.3 m.为渲泄截流后的第二年春汛及大汛洪水，在坝体左侧预留一段宽55 m的缺口，缺口底高程为204.5 m,右侧边坡为1∶2.0.

　　2）围堰挡春汛流量方案：经洞径与围堰高度经济比较，采用一条9.5 m×9.5 m（宽×高） 方圆形导流洞，洞长为431.66 m.上下游围堰的设计挡水标准采用春汛 10 年重现期流量620 m3/s.上游围堰在 204.5 m 高程以上为自溃堰，在大汛期遇超过Q=620 m3/s流量洪水即溃决，上游围堰最大堰高为16.3 m.坝体预留缺口与挡枯水流量方案相同。

　　3）围堰挡全年流量方案：导流洞亦为一条9.5 m×9.5m（宽×高）方圆形隧洞，洞长为431.66 m.上、下游围堰的设计挡水标准，采用大汛期10年重期流量1 880 m3/s,上游围堰最大堰高为30.94 m.

　　综合评价3个方案，挡枯水流量方案工程量最少，因而导流工程造价最低，但主体工程冬季施工量大，坝体填筑强度不够均衡。挡全年流量方案工程量最大，导流工程造价最高，但主体工程冬季施工量小，坝体填筑强度比较均衡，挡春汛流量方案则介于以上两者之间。3 个方案工期区别不大，第一台机组发电工期无实质差别。因此选定导流工程量较小的挡枯水期流量方案。

　　3.3 大坝各时段导流程序
　　第一年10月截流，河水由导流洞泄流，在此期间主要进行大坝基础施工，并形成坝体过流缺口；第二年春汛及大汛，由坝体缺口和导流洞联合泄流，缺口右岸坝体继续施工，第二年10月，开始填筑坝体缺口，河水由导流洞渲泄；第三年大汛由坝体拦洪，导流洞及溢洪道泄流。第三年9月下旬下闸蓄水。

　　4 导流建筑物设计
　　4.1 大坝上、下游土石围堰
　　围堰最大高度分别为6.3 m和2.6 m.围堰型式采用双棱体进占的粘土心墙土石围堰，堰顶宽分别为41.75  m和27.10 m,围堰两侧边坡均为1∶1.3.围堰背水侧堆石棱体与坝体相结合。上下游围堰堰顶长分别为 174.00 m 和97.00 m.河床覆盖层厚度为 8~13 m,且渗透系数很大，采用高喷灌浆作基础防渗处理。【表2】

　　4.2 大坝过流缺口
　　大坝过流缺口上游部分为水平段，下游部分为斜坡段，坡度比为1∶6.5,水平段底高程为204.50 m,斜坡段坡脚底高程为199.00 m,缺口底宽为55 m,两侧边坡采用1∶2.

　　坝体缺口与导流洞联合渲泄大汛50年重现期洪水时，坝体缺口平均流速可达6~8 m/s.在缺口上游水平段及缺口两侧采用铁丝笼装块石防护，在缺口斜坡段采用混凝土楔形体防护，缺口坡脚下游采用钢筋笼装块石防护，防护长度为20 m.

　　4.3 导流洞
　　导流洞进口位于坝址上游约300m处，呈弧形布置在左岸，方圆形断面尺寸为6.5 m×6.5 m（宽×高），洞长为431.66m,洞进出口段明渠长分别为74.0 m和210.0 m,导流洞进、出口底高程分别为 199.00 m 和 198.00 m.洞脸采取喷混凝土和锚杆加固处理，导流洞进出口段各20 m范围内及洞身（0+205~0+245）m段采用0.50 m厚混凝土衬砌。其余部位采用锚喷支护，导流洞底板采用0.15 m厚混凝土衬砌。导流洞进口上缘采用椭圆曲线型，洞口两侧设有 3.0 m厚的混凝土翼墙，采用平板钢闸门为封堵闸门，启闭机平台高程226.50 m.

　　4.4 厂房围堰
　　厂房尾水渠编织袋粘土心墙土石围堰顶高程为198.50 m,围堰最大高度为5.5 m,围堰顶宽为8.0 m,两侧边坡为1∶1.5,堰顶长度为80 m.尾水渠两侧浆砌石挡土墙编织袋粘土围堰最大高度为2.64 m,顶宽为2.0 m,两侧边坡为1∶0.2,堰顶长度为150 m.

　　5 截 流
　　
　　根据施工总进度安排，截流时间选定在第一年10月下旬，进占时间为10月上旬，截流标准采用5年重现期旬平均流量87.8 m3/s.围堰采用上、下游围堰同时进占，立堵截流，合龙顺序是先上游，后下游。经水力计算，龙口宽度10~20 m.合龙时上游最高水位为 203.5 m,最大落差 3.95m.龙口最大流速 4.0 m/s,抛石最大粒径 0.70 m.

　　6 排 冰
　　
　　坝区开河形式为文开、武开或半文半武兼而有之，武开形式大约平均10年可遇一次。春季流冰冰块尺寸较大，最大流冰速度为2.27 m/s,最长流冰持续时间为22 d.流冰期流量变化幅度为20~600 m3/s.施工第二年排冰，主要由底宽55 m的坝体缺口通过。为顺利排冰，需在下游段采取破冰措施，开通河道、开江时对上游大冰排采取破碎措施。施工第三年排冰，除上、下游采取破冰措施外，尚要对流冰采取蓄冰在水库措施。

　　7下闸蓄水措施根据施工总进度安排，下闸蓄水时间定为第三年9月下旬，流量标准采用旬平均5年重现期流量82.6 m3/s.导流洞过此流量时闸门前水位为203.40 m,采用动水下闸。

　　闸门设计挡水高度为32.1 m.下闸完毕后，即拆除闸门启闭设备并开始导流洞封堵段的混凝土施工。闸门全部关闭后，蓄水保证率按70%计算，第四年6月末可蓄至最低发电水位242.70 m.

　　8 结 语
　　
　　1）在高寒山区、河流洪枯流量差别大的条件下兴建土石坝，施工导流设计应该重点分析、研究各个水文时段的洪水资料。结合此工程所在流域的特点，在满足施工进度的前提下，宜尽可能多地划分导流时段，充分利用枯水期，从而节省导流工程量，降低工程造价。

　　2）在进行导流建筑物设计时，宜考虑水工建筑物的施工条件、施工强度，并充分利用永久泄洪建筑物参与宣泄洪水。 此工程中期利用坝体缺口泄洪，后期利用溢洪道泄洪，大大减小了导流洞的尺寸，降低了工程投资。