占大奇峰水電站導流工程設計與施工探析

張 梁

(安徽三洲水利建設有限公司，安徽 宿州 234000)

1 引言

水電站建設可以改善水資源短缺問題，改善水資源分布不均等問題，同時可提供清潔能源，促進當地經濟發展[1-3]。施工質量是保證工程安全的重要因素，嚴格按照設計和相關規范要求進行施工是十分必要的[4-5]。施工導流工程建設，是水電站主體工程施工的重要準備條件，其設計和施工質量對工程安全和施工人員安全有重要影響[6-7]。目前，常用的施工導流工程措施為圍堰和導流隧洞[8-10]。結合占大奇峰水電站工程，對水電站施工導流工程設計和施工進行分析。

2 工程概況

占大奇峰水電站是一座以發電為主的水利工程，規劃裝機容量為1600 kW，多年平均發電量為438.46×104kW·h。大壩高16 m，長72.8 m，總蓄水量為18.43×104m3(其中正庫16.43×104m3)。引水隧洞長約3 km、壓力管道550 m、廠房100 m2，輸電線路8 km。工程建成以來取得了良好的經濟效益。

3 導流工程設計

3.1 圍堰設計

(1)圍堰超高值Δh計算

Δh=h1%+hz+hc

(1)

式中：Δh表示防浪墻頂與設計(校核)洪水位高差，m；h1%表示累計頻率為1%時的波浪高度，m；hz波浪中心線與設計(校核)洪水位高差，m；hc表示安全加高，按表1采用。

表1 堰頂的安全加高

占大奇峰水電站具有內陸峽谷水庫特征，根據工程經驗，可按照官廳水庫公式計算hz。

(2)

(3)

(4)

累積頻率P(%)的波高hp與平均波高的關系可按表2進行換算。

表2 累積頻率P(%)的波高與平均波高關系

在設計洪水位，采用重現期為50年的最大風速，v0=21 m/s；校核洪水位時，采用多年平均風速，v0=14 m/s。

1)設計洪水位時Δh計算，計算基本參數見表3。

表3 計算Δh基本數據表

波浪三要素計算如下：

(5)

h=1.03 m

(6)

Lm=10.65 m

(7)

Δh=h1%+hz+hc

=1.28+0.31+0.4

=1.99 m

(8)

2)校核洪水位時Δh計算：

(9)

h=0.65 m

(10)

Lm=7.37 m

(11)

故h1%=1.24×h5%=1.24×0.65≈0.81 m

hc=0.3 m

Δh=h1%+hz+hc

=0.81+0.18+0.3

=1.29 m

(12)

(2)堰頂高程計算

1)設計洪水位的堰頂高程(枯水期)

Δ設=設計洪水位+Δh設

=506.41+1.99

=508.40 m

(13)

2)校核洪水位的堰頂高程(枯水期)

Δ校=校核洪水位+Δh校

=506.85+1.29

=508.14 m

(14)

為保證圍堰的攔水效果和工程安全，選取計算結果中的較大值，因此設計圍堰堰頂高程為508.14 m。

3.2 導流隧洞設計

占大奇峰水電站的設計建成主要目的是發電，為滿足發電要求，設計流量為1.12 m3/s。由于水電站兼具灌溉作用，考慮到水量損失和灌溉用水需求，引水工程設計流量為1.24 m3/s。導流隧洞進、出口處底板高程設計為499.36 m、474.36 m，高差為25 m，導流隧洞全長為3162 m，設計隧洞坡度為0.8%。為了降低水頭損失，減少工程施工難度，隧洞斷面采用城門洞型，設計斷面尺寸為2.0 m×2.0 m。因此，過水斷面面積A=2.0×1.0+12×1.02×3.14=3.57 m2。導流隧洞內水流流速V=0.347 m/s。由于洞內水流流速較小，為避免泥沙淤積影響輸水效果，在引水隧洞內設置沉石坑。根據工程設計需求，通過校核，所采用斷面可滿足正常工況下發電機組用水需求，同時，在洪水期也可滿足過水要求，所采用的斷面尺寸為滿足安全的最小施工斷面。

3.2.1 襯砌斷面

根據工程地質勘察成果可知，隧洞所在地段地質條件較好，但是，在隧洞進、出口段需采取爆破施工，在爆破震動影響下，隧洞圍巖極易松動，因此，需要采取超前支護措施。根據開挖斷面進行襯砌，襯砌材料選用厚度為0.25 m的鋼筋混凝土，襯砌后導流隧洞的過水斷面尺寸為1.5×1.5 m，過流面積A=1.5×0.75+12×0.752×3.14=2.008 m2，正常運行流速為0.62 m/s。可滿足過水需求。

3.2.2 鋼管斷面

鋼管允許水流流速在2 m/s～5 m/s，由于工程輸水管道較長，綜合考慮選擇下限，采用鋼管管徑d=4Qπv=850 mm，取d=800 mm，則鋼管內水流流速v=2.47 m/s。

3.2.3 其他引水斷面設計

進水口：引水隧洞進水口位于壩體內部，為了減少框架工程量，考慮采用螺桿平，閘門尺寸1000 mm×1000 mm；隧洞進水口最小淹沒深度為0.3 m，采用閘孔出流公式計算：

(15)

式中：Q閘孔出流量；B閘孔寬度，B=1.0 m；e閘門開啟度，取0.95；μ1閘孔流量系數。

計算得Q=1.2 m3/s>1.12 m3/s,其過水能力滿足要求。

4 導流工程施工

4.1 圍堰施工

根據調查，圍堰建設所需的建筑材料(土料)可就近采取，圍堰建筑和拆除均由人工施工。圍堰施工時，應先施工上游的橫向圍堰，再施工縱向圍堰，最后進行下游橫向圍堰的施工。占大奇峰水電站導流工程共分為兩期：一期導流工程是先圍右岸，利用左側河道進行導流，一期圍堰束窄河床的70%，上下游控制水位分別為507.40 m、501.50 m，一期導流工程修建后，右岸河槽寬為15.0 m，設計導流流量為8.5 m3/s。當右壩側施工到508.4 m后，施工二期導流工程，圍住河道左岸，利用排砂底孔過流，根據施工進度，此時為枯水季節，隨著大壩建設高度的升高，水庫調蓄能力不斷提高，利用排砂底孔可滿足過流需求。

草(麻)袋圍堰的主要填料為粘性土，堰頂寬取1 m～2 m，內側邊坡坡率取1∶1.0～1∶1.5，外側邊坡取1∶1.5～1∶2.0，施工方法如下：使用草麻袋裝填粘性土，裝填至1/2～2/3，使用鐵絲縫合，圍堰施工時，將草麻袋平鋪，采用上下左右互相錯縫方式堆碼整齊。水面以下的草麻袋可使用木桿鉤送到位。在兩層草(麻)袋之間可直接填充粘土心墻。當水位上漲，水流速度較大時，外圍草麻袋可裝填小粒徑的卵石，也可采用拋片石堰外防護。

4.2 導流隧洞施工

導流隧洞施工采用如下施工工序：明挖石方→洞挖石方→澆筑進水口混凝土→制作、安裝金屬結構→混凝土襯砌→鎮墩澆筑。

導流隧洞施工工藝及要求如下：明挖石方主要采用人工爆破開挖、風鉆造孔等方法，采用自上而下的開挖順序，使用機械裝卸和清運；洞挖石方采用風鉆造孔、人工光面爆破等方法，由于斷面較小，采用人工裝、手扶拖拉機等小型機械清運；調壓井施工需采用自上而下的開挖順序一次開挖，利用卷揚機出渣；導流隧洞混凝土使用0.4 m3拌和機攪拌，利用雙膠輪車進行運輸，人工平倉，澆筑時需用振搗器振搗密實，避免過振或露振。壓力鋼管可在工廠加工至半成品，在現場進行定位、焊接，澆筑封堵砼和鎮墩砼；金屬結構需委托專業廠家進行制作和安裝。

5 結論

為保證占大奇峰水電站的順利施工，采用圍堰+導流隧洞相結合的導流措施，通過計算確定圍堰結合和導流隧洞斷面，經過驗算可滿足導流要求，并結合場地地質、水文條件，分析施工措施。只有嚴格遵照設計和規范要求進行施工，才能保證工程的安全和導流效果。