某水電站樞紐截流方案設(shè)計(jì)

李峻嶺,　姜　鵬

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 安徽 合肥　230022; 2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 貴州 貴陽　550081)

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某水電站樞紐截流方案設(shè)計(jì)

李峻嶺1,姜鵬2

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 安徽 合肥230022; 2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 貴州 貴陽550081)

摘要：文章結(jié)合某水電站樞紐具體工程案例，論述樞紐施工導(dǎo)流中河道截流的設(shè)計(jì)過程，并對(duì)水力參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。工程采用立堵法截流，自左岸向右岸進(jìn)占，預(yù)留龍口寬度為45 m，龍口最大截流流速為4.73 m/s，最大單寬流量為21.45 m3/(s·m)，截流采用石渣、塊石截流和3 t塊石串，平均拋投強(qiáng)度為446 m3/h，最高拋投強(qiáng)度為580 m3/h。

關(guān)鍵詞：水電站；截流；方案設(shè)計(jì)

1工程概況

某水電站樞紐位于貴州省北盤江干流,是北盤江干流水電梯級(jí)開發(fā)的重要樞紐工程,水庫正常蓄水位為585 m,相應(yīng)庫容為1.365億m3,電站裝機(jī)容量為558 MW。工程屬Ⅱ等工程,工程規(guī)模屬大(2)型[1]。樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、引水系統(tǒng)、地下廠房及尾水系統(tǒng)5個(gè)部分組成。

樞紐壩址處河床狹窄,兩岸較陡,洪枯流量變幅較大,采用分期導(dǎo)流或明渠導(dǎo)流方式空間不足,邊坡開挖支護(hù)工程量大,工期長(zhǎng)和投資多,且受河床束窄影響,水位壅高較多,縱向圍堰和明渠的施工難度較大,因此,擬采用斷流圍堰及隧洞導(dǎo)流方式。上游圍堰采用土石過水圍堰加子圍堰的結(jié)構(gòu)形式,下游圍堰為土石過水圍堰。上游圍堰過水部分堰頂高程為522.60 m,子堰頂高程為527.60 m,下游圍堰堰頂高程為518 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)[2],導(dǎo)流隧洞為城門洞型斷面,尺寸為11 m×12 m (寬×高),頂拱半徑為7 m,直墻高為9.33 m,過流面積為123.104 m2。

2截流設(shè)計(jì)

2.1截流時(shí)段及流量選擇

河道枯水期一般可分為汛后退水期(前段)、穩(wěn)定枯水期(中段)和汛前迎水期(后段)[3]。截流時(shí)段應(yīng)盡可能在枯水期較小流量時(shí)截流,并綜合權(quán)衡截流、圍堰施工困難程度,合理利用枯水期[4]。根據(jù)水文資料,北盤江一般從10月下旬進(jìn)入枯水期,為保證上、下游圍堰及基坑排水施工進(jìn)度,滿足主體工程施工工期要求,截流時(shí)間確定為11月上旬,采用5年一遇,11月上旬旬平均流量Q20%=303 m3/s作為截流設(shè)計(jì)流量。原河床戧堤處水位高程為508 m,最大水深約為5 m。

2.2截流方式選擇

常用河道截流方法有立堵法、平堵法2種,特殊截流方法有下閘截流、定向爆破截流法、梢捆、榪槎截流及水力沖填等[5]。其中,立堵法又分為單向進(jìn)占和雙向進(jìn)占2種。本工程重點(diǎn)考慮立堵法和平堵法2種截流方式。

立堵法具有準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單、造價(jià)較低及國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的優(yōu)點(diǎn),但是立堵法水力學(xué)條件較差,河床沖刷嚴(yán)重,龍口處拋投體質(zhì)量較大。平堵法龍口單寬流量較小,最大流速較低,且流速分布比較均勻,對(duì)河床沖刷小,截流材料單個(gè)質(zhì)量較小,截流時(shí)工作前線長(zhǎng),拋投強(qiáng)度高,施工進(jìn)度較快,但是平堵法要求先架設(shè)浮橋或棧橋,準(zhǔn)備工作復(fù)雜[6]。

本工程壩址處于深切河谷,河床左岸相對(duì)較緩,公路布置條件相對(duì)較好;河床右岸覆蓋層較淺,有基巖出露,抗沖刷能力強(qiáng),具備做龍口條件。考慮到本工程工期緊張,平堵法架設(shè)棧橋困難,投資大,且施工截流機(jī)械化程度高,而立堵法在大型工程中施工經(jīng)驗(yàn)豐富,因此,本工程采用立堵法截流。選擇在上游圍堰截流,龍口設(shè)在右岸,自左岸向右岸進(jìn)占。截流戧堤軸線定在上游圍堰軸線下游47 m,戧堤頂寬15 m,戧堤上游邊坡坡度為1∶1.25,下游坡度為1∶1.5,堤頭為1∶1.5。根據(jù)導(dǎo)流期間設(shè)計(jì)洪水及導(dǎo)流隧洞泄洪計(jì)算,設(shè)計(jì)戧堤頂高程為515.8 m,戧堤總長(zhǎng)為56 m,預(yù)留龍口寬為45 m。

2.3截流水力計(jì)算

戧堤預(yù)進(jìn)占按10月下旬頻率5年一遇的旬平均流量為431 m3/s設(shè)計(jì),預(yù)進(jìn)占區(qū)戧堤進(jìn)占長(zhǎng)度為11 m。龍口區(qū)進(jìn)占按11月上旬頻率5年一遇旬平均流量為303 m3/s設(shè)計(jì),戧堤進(jìn)占長(zhǎng)度為45 m。

戧堤進(jìn)占可劃分為如下2個(gè)階段:

(1) 第1階段。戧堤進(jìn)占直至坡角接觸龍口對(duì)岸形成三角形斷面為止,即龍口寬度B≥2mh,戧堤堤頭邊坡系數(shù)m=1.5,h為戧堤高度,即龍口寬度B≥3h。

(2) 第2階段。戧堤坡角已接觸龍口對(duì)岸,而形成三角形斷面后直至最后合龍,即B<3h。

一般情況下截流時(shí),河道截流設(shè)計(jì)流量[4]為

(1)

其中,Qg為龍口泄流量;Qd為分流建筑物分流量;Qr為上游河槽調(diào)蓄流量;Qs為戧堤滲流量。

本工程由于上游水庫水面面積與水位上升率不大,上游河槽調(diào)蓄流量不大,偏保守考慮,不計(jì)上游河槽調(diào)蓄流量。根據(jù)戧堤上游水位,分別計(jì)算龍口泄流量、導(dǎo)流隧洞分流量和戧堤滲流量。

根據(jù)判別,導(dǎo)流隧洞屬短洞,其分流量Qd按下式計(jì)算[4]為

(2)

其中,m為流量系數(shù),取m=0.35;?s為淹沒系數(shù),自由出流時(shí),取?s=1;b為隧洞口平均水面寬;H0為隧洞上游水頭。

龍口泄流量Qg按下式計(jì)算[4]為

(3)

戧堤滲流量Qs按下式計(jì)算[4]為

(4)

(5)

根據(jù)(2)～(4)式,計(jì)算不同上游水位條件下的Qd、Qg和Qs,繪制不同水位及龍口寬度條件下的流量曲線,作水力計(jì)算圖解表(圖略)。根據(jù)水力學(xué)連續(xù)性方程求得龍口平均流速v[7]。經(jīng)計(jì)算,龍口水力學(xué)特性指標(biāo)見表1所列。

表1　龍口水力學(xué)特性表

2.4截流材料選擇

由于截流落差在龍口寬度25 m、15 m、5 m時(shí)都大于3.5 m,龍口水流能量大,流速高,截流難度大,需采取措施降低落差[8]。根據(jù)類似工程截流經(jīng)驗(yàn)[9],選擇龍口寬度10 m、落差6.31 m為截流控制條件,其措施采用下游圍堰預(yù)進(jìn)占,將落差分配為上游圍堰處3.31 m,下游圍堰處3.0 m。

截流用料主要為左岸卡沙坪棄渣場(chǎng)料,截流用大塊石在左岸馬場(chǎng)坡料場(chǎng)選用,堆放于戧堤旁邊。拋投塊體粒徑根據(jù)下式計(jì)算為

(6)

其中,d為石塊的當(dāng)量直徑;g為重力加速度;rs、r為塊石、水的容重;v為計(jì)算流速;K為穩(wěn)定系數(shù),取0.9。經(jīng)計(jì)算,不同龍口寬度最大拋石粒徑見表2所列。

表2　最大拋石粒徑計(jì)算成果表

根據(jù)設(shè)計(jì)斷面計(jì)算戧堤工程量,局部除采用石渣和塊石截流外,選用3 t塊石串進(jìn)行龍口截流。經(jīng)計(jì)算,預(yù)進(jìn)占區(qū)設(shè)計(jì)總拋投量為0.45萬m3,龍口區(qū)設(shè)計(jì)總拋投量為1.69萬m3。考慮30%的備料量,預(yù)進(jìn)占區(qū)總拋投儲(chǔ)料量為0.59萬m3,龍口區(qū)總拋投儲(chǔ)料量為2.20萬m3。

3截流施工

采用挖掘機(jī)、裝載機(jī)、汽車起重機(jī)、推土機(jī)及20 t自卸汽車進(jìn)行截流施工,初步擬定48 h合龍,經(jīng)計(jì)算,本次截流平均拋投強(qiáng)度為446 m3/h,考慮施工強(qiáng)度不均勻系數(shù)后,最大拋投強(qiáng)度為580 m3/h。采用20 t自卸汽車運(yùn)料,戧堤頂單位寬度平均小時(shí)車次為2.5車/h,戧堤頂單位寬度最大小時(shí)車次為3.3車/h。截流前,由預(yù)進(jìn)占段結(jié)合左岸截流公路部開挖,形成一個(gè)30 m×20 m的回車場(chǎng),來料車一字排開停放于左岸2#公路旁,根據(jù)施工強(qiáng)度需要,并參考類似工程成功截流經(jīng)驗(yàn),左岸布置25輛20 t自卸汽車,卡沙坪渣場(chǎng)布置2臺(tái)裝載機(jī)、1臺(tái)挖掘機(jī)及1臺(tái)汽車吊。

4結(jié)束語

截流在施工導(dǎo)流中占有重要的地位,是控制施工導(dǎo)流甚至整體工程施工進(jìn)度的一個(gè)控制項(xiàng)目。截流無論在技術(shù)上還是施工組織上,都具有相當(dāng)?shù)钠D巨性和復(fù)雜性,如果截流失敗,失去了以水文年計(jì)算的良好截流時(shí)機(jī),則可能拖延工期一年。因此,截流工程應(yīng)進(jìn)行周密設(shè)計(jì)和施工組織[10]。本文簡(jiǎn)單論述了截流設(shè)計(jì)過程,對(duì)于重要或難度較大的截流工程,在周密設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,還應(yīng)進(jìn)行水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證,并提出截流期間相應(yīng)的觀測(cè)設(shè)施。

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收稿日期：2015-12-18；修改日期：2016-03-02

作者簡(jiǎn)介：李峻嶺(1988-)，男，河南商水人，安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院助理工程師．

中圖分類號(hào)：TV855

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)01-0066-03