大石峽水利樞紐工程施工導流設計

宋虹兵，黃國強

(1．新疆塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設管理局，新疆 庫爾勒 841000；2．新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 工程概況

大石峽水利樞紐工程位于阿克蘇河一級支流庫瑪拉克河中下游、溫宿縣與烏什縣交界處的大石峽峽谷出口處，下游距在建的小石峽壩址約11 km，距阿克蘇市約100 km。該工程是《阿克蘇河流域規劃要點報告》《塔里木河流域近期綜合治理規劃》和《新疆阿克蘇河支流庫瑪拉克河河段水電規劃報告》確定的具有灌溉、防洪和發電任務的控制性樞紐工程，已列入國務院批準近期實施的172項重大水利工程建設項目。水庫正常蓄水位1 700 m，死水位1 590 m，總庫容11.7億m3，調節庫容7.11億m3，電站裝機容量750 MW。工程為Ⅰ等大(1)型工程，主要永久水工建筑物級別為1級，次要永久水工建筑物級別為3級，臨時建筑物為4級。

樞紐布置方案為河床布置攔河壩，左岸依次布置深孔排沙放空洞、中孔泄洪排沙洞、發電引水建筑物進水口和開敞式表孔溢洪道，發電引水洞后接岸邊式地面廠房。攔河大壩為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高247 m，為在建世界第一高面板壩[1]。

2 工程區自然條件

2.1 氣象水文條件

阿克蘇河流域地處新疆塔里木盆地邊緣，歐亞大陸腹地，因遠離海洋，周圍又有高山阻隔，流域內呈典型的大陸性氣候，其主要特點是：氣溫年內變化較大，日較差大，空氣干燥，日照長，蒸發強烈，降水量較少。庫瑪拉克河徑流主要補給源是冰雪消融，年內變化較大，6～8月徑流量占全年的68.5%；年際變化較小，實測年最大徑流與最小徑流之比為1.9。庫瑪拉克河多年平均流量154.3 m3/s，多年平均徑流量48.6億m3。

庫瑪拉克河洪水主要由冰川、永久性積雪和季節性融雪水及降水形成，洪水類型主要分為融冰雪型洪水、冰川阻塞湖潰決型洪水和融冰雪降水混合型洪水。融冰雪型洪水與氣溫關系密切，隨著氣溫升高，中、低山區的積雪融化后形成的洪水一般發生在4～9月，有每日一峰一谷的規律性。冰川阻塞湖潰決型洪水的特征是峰高量小，發生時間無規律性；當此類洪水與融冰雪洪水和融冰雪型降水混合型洪水疊加后，形成庫瑪拉克河的最大洪水，對工程危害較大。

大石峽壩址區多年平均氣溫11.5 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低溫度-22.0 ℃，多年平均降水量129.5 mm，多年平均蒸發量1 707 mm，多年平均年日照時數約2 633 h，年均雷暴日數25.5 d，歷年最大凍土深度73 cm，多年平均相對濕度56%。河道基本無封凍現象，無冰塞、冰壩等特殊冰情，結冰期為11月中旬，解冰期為3月中旬，最大岸邊冰厚為0.65 m。

2.2 地形地質條件

壩址區為典型的峽谷地形，河谷呈不甚對稱的“V”型，右高左低，右岸壩頂高程以下呈階梯狀地貌(發育兩級階地)，左岸近乎一坡到頂。兩岸均為基巖邊坡，山勢高陡，自然邊坡坡度一般45°～75°，局部近直立。壩址區左岸山頂高程1 800～1 880 m，相對高差約400 m，右岸山頂高程約2 725 m，相對高差約1 200 m。

壩址區河水位高程一般1 487.0～1 488.0 m，河水面寬35～40 m，正常蓄水位處壩軸線谷寬約570 m。壩址區河流湍急，水深一般10～11 m，河道平均坡降約3.5‰。壩址區河床覆蓋層厚度一般5～8 m，局部13 m。

壩址區出露地層主要為泥盆系上統(D3)津丹蘇群微晶灰巖、灰質礫巖和角礫灰巖。第四系(Q)沉積物主要為Q4的河床沖洪積、崩坡積，Q3的堆積體、河床砂卵礫石，Q1西域礫巖。壩后發育F②區域斷裂穿河而過，F②斷裂上游為灰巖，下游為西域礫巖。

3 導流設計方式及導流標準的確定

3.1 導流方式

壩址區兩岸均為基巖邊坡，山勢高陡，自然邊坡坡度一般45°～75°，局部近直立。壩址區左、右岸山頂高程1 880～2 725 m，相對高差約400～1 220 m。壩址處常水位情況下河寬約30～50 m，地形狹小，河床覆蓋層受下游小石峽水電站蓄水影響淤積嚴重，覆蓋層厚約20余米，攔河壩型為混凝土面板壩，不具備采用明渠導流或河床分期導流的條件。兩岸上體雄厚，岸坡基巖出露，導流設計流量2 266 m3/s，適宜采用導流隧洞導流方式。由于面板壩上游設置高35 m的高趾墩，混凝土工程量達10萬m3，覆蓋層加上弱風化建基巖體開挖深度接近40 m，壩體難以在一個枯水期內搶填到度汛洪水位以上(填筑高度達80 m)，因此不宜采用枯水期圍堰、汛期過水的導流方式。在綜合考慮壩址區狹窄的地形地質條件、河流水文條件、樞紐建筑物布置特點、導流建筑物的布置條件、大壩工程施工因素后決定大石峽工程初期導流采用導流隧洞導流，圍堰一次攔斷河床，基坑全年施工的導流方式。

3.2 導流標準

根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2017)的規定，圍堰保護對象大壩為1級建筑物，圍堰使用年限為31個月，上游圍堰最大高度54 m，相應的攔洪庫容為0.23億m3，由此確定的導流建筑物級別為4級，上、下游圍堰結構型式均為土石圍堰。4級導流建筑物設計洪水標準對于土石圍堰在20～10年一遇重現期之間選取，10年一遇和20年一遇洪水流量分別為Q10%=1 970 m3/s，Q5%=2 266 m3/s，相差296 m3/s。

按照表2的設計進行單因素實驗，之后選取甘露糖酶、β-葡聚糖酶及木聚糖酶三個因素，每個水平1個重復，采用3因素3水平進行響應面設計，因素水平見表3，響應面實驗方案見表4。

采用標準上限值(20年一遇)和下限值(10年一遇)洪峰流量相差不大，工程投資增加1 400萬元(增加約5%)。考慮到本工程是超高混凝土面板石壩，下游有小石峽水電站及阿克蘇等城鎮，工程施工期間導流標準應在規范規定范圍內適當選擇上限，增加導流度汛可靠性。庫瑪拉克河上游河段位于境外，水情預報相對困難，從施工導流期導流度汛可靠性角度考慮，選擇20年一遇的標準可以降低樞紐施工期風險，因此推薦采用20年一遇洪水標準，洪峰流量2 266 m3/s。

根據《水利水電工程施工組織設計規范》，第6年度汛標準取100年一遇，相應度汛設計流量為Q1%=2 931 m3/s。第7年和第8年度汛標準采用200年一遇重現期，相應度汛設計流量為Q0.5%=3 211 m3/s。

4 導流方案

4.1 導流洞布置

初期度汛洪峰流量2 266 m3/s，通過工程類比，選擇1條隧洞過流。結合壩址區左凸右凹的河道地形，以及樞紐建筑物布置格局，比選左岸和右岸導流兩種方案。從地形條件考慮，河流在大石峽峽谷出口處受到左岸山體擠占形成較大的S型彎道，利用彎道，左岸具備直線布置導流洞的條件，導流洞長度相對較短，進出口水流條件較順暢。右岸受到S彎影響，布置導流洞地形條件較差，洞線需經過2個彎道方能將上下游河道連接，導流洞長度相對較長，左右岸導流洞方案比較布置如下所示(見圖1)。

通過綜合分析比選，導流洞布置在左岸靠河側，地形、樞紐布置、導流洞布置條件、水力學條件、施工條件、工期、投資等均非制約因素。依據工程設計應盡量降低風險、節省投資及盡早發電受益的原則，經綜合比較最終推薦左岸洞線方案。

圖1 左右岸導流洞方案比選示意

4.2 上、下游圍堰布置

上游圍堰位于大石峽峽谷內，枯水期河面寬37 m，河床沖積砂卵礫石層厚度12～24 m，主要由少量孤石、漂石及砂卵礫石組成；大于200 mm漂石平均21.3%，2～200 mm粒徑含量64%。右岸及河床基巖為微晶灰巖夾礫質灰巖；左岸為微晶灰巖，間夾少量厚層角礫灰巖。上游圍堰布置在導流洞進口基坑下游40 m附近，河床覆蓋層深20余米，粒徑較小，適宜高壓旋噴防滲墻施工；故覆蓋層采用高噴墻防滲，頂部接復合土工膜心墻防滲。

4.3 導流程序

(1)初期導流。2019年11月工程截流。截流后截流戧堤擋水，導流洞過流，導流時段為2019年11月～2023年5月。2020年汛期，上、下游土石圍堰擋水，導流洞泄流，2022年汛期壩體填筑高程為1 539.00 m，壩體頂高程沒有超過上游圍堰頂高程。初期導流至2023年5月汛前止。

圖2 施工導流平面布置

(2)中期導流。2023年6月～2025年9月。2023年5月四汛前，壩體填筑高程1 585.0 m，超過上游圍堰頂高程，度汛由壩體擋水，導流洞泄流。2024年5月底，大壩填筑高度1 652.0 m，該年度汛由壩體擋水，導流洞+深孔排沙放空洞聯合泄流。2025年5月底，壩體填筑高程1 692.0 m，度汛由壩體擋水，導流洞+深孔排沙放空洞聯合泄流。

(3)后期導流。2025年11月～2026年8月。2025年11月，導流洞下閘，此時中孔泄洪排沙洞具備泄洪條件，初期應急放空洞也已改造完畢，具備放水條件。導流任務結束。

4.4 導流隧洞設計

導流洞平面上經過一個轉彎，導流洞進口布置在庫瑪拉克河拐彎的上游側，隧洞沿154.5°方向進洞，經導0+071.123 m樁號后，轉向SW184°。導流建筑物全長1 557.90 m，由進口明渠段、閘室段、洞身段、出口明渠段組成。導流洞斷面型式為“城門洞型”，洞內流態按有壓洞設計，出口按非淹沒設計，隧洞過常遇流量時候為明流，相應流態為陡坡急流。

導流洞進口明渠及閘室段長度約24 m，采用岸塔式閘室結構形式，閘室內設中墩，中墩厚度4 m，單孔閘門孔口尺寸為5.0 m×14.5 m(寬×高)矩形。導流洞洞身段長度1 203.0 m，洞身段采用城門洞型斷面，斷面尺寸10.0 m×14.5 m(寬×高)，隧洞縱坡i=6.67‰。洞身上游段設24 m漸變段，連接進口與洞身。洞身段巖體受F②斷層影響，上游段為薄層微晶灰巖，下游段為砂礫巖地層。出口明渠由底流消能段和出口明渠段組成，底流消能段長度150 m，出口明渠擴散段長度207.90 m。出口消能方式采用明渠內布置鼻坎和消力池的底流消能。出口段為砂礫巖地層。

4.5 上、下游圍堰設計

上游圍堰堰頂高程取1 539.0 m，圍堰最大高度54.0 m，頂寬為10 m，上游坡比為1∶1.65，下游坡比為1∶1.3，頂部長度197 m，最大底寬約195 m，下游坡腳距離大壩上游開挖線約40 m，上游坡腳距離導流洞進口約40 m。圍堰防滲型式采用高壓旋噴灌漿+土工膜心墻的型式。高壓旋噴灌漿施工平臺高程1 495.00 m，旋噴墻深約30 m。1 495.00 m高程以上采用土工膜心墻進行防滲，土工膜高度約44 m，土工膜上、下游側采用砂礫石墊層進行保護，厚0.7 m；墊層下游設置過渡區，厚2.4 m。圍堰兩岸采用帷幕灌漿防滲，灌漿孔間距為3 m，孔深7 m。截流戧堤位于圍堰下游側。圍堰在上下游側各設置兩級2 m寬馬道。圍堰填筑料主要采用開挖石渣料和天然砂礫料。

下游圍堰堰頂高程1 495.00 m，最大高度8.5 m，圍堰頂寬12 m，上、下游坡比均為1∶1.8，堰頂長度246 m，最大底寬44 m。圍堰防滲型式采用高壓旋噴墻+土工膜心墻的型式，高噴防滲墻最大深度13.5 m，防滲墻施工平臺高程1 491.0 m。1 491.0 m高程以上采用土工膜心墻進行防滲，土工膜高度約4.0 m，兩側采用砂礫石心墻進行保護，墻厚4 m。圍堰下游坡采用1 m厚的塊石進行防護。

5 結 語

大石峽水利樞紐工程地處高山峽谷地區，工程規模巨大，攔河壩為國內第一高混凝土面板壩，壩址區地形地質條件較復雜，導流隧洞利用左岸突出山梁布置進出流均較順，進口采用早進洞方案避免了洞臉大開挖，圍堰覆蓋層基礎防滲采用了對砂卵礫石適應性好的高壓旋噴墻方案，墻頂接復合土工膜心墻防滲，防滲措施成熟可靠，圍堰的填筑與防滲系統的施工工期保障率高，有利于圍堰在一個枯水期內完建并擋水度汛，也有利于大壩河床基坑開挖和大壩填筑快速施工，對施工工期的保障有重大意義。