剛果(金)某水電站工程施工導流設計

吳甲一，李 杰，馮曉成

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津市 300222)

0 引 言

施工導流作為水電站工程建設施工的子系統，其導流方案優選與壩體施工進度的安排是相互影響的，必須通過整個工程的施工系統分析進行全面的協調、平衡，以達到總體施工系統的穩定與優化[1]。導流建筑物作為完成施工導流任務的重要臨時建筑物，其設計是水電站工程施工組織設計的首要任務之一，設計的優劣影響工程的造價與工期，直接關系到工程建設的安全[2]。本文針對剛果(金)某水電站工程施工導流進行設計分析，確定了相應的設計原則，優化了施工導流設計，可為同類工程提供參考。

1 工程概況

剛果(金)某水電站位于中剛果省境內INKISI河上游河段，該河段落差近200 m，河道平均坡降11.11%，坡陡流急、水力資源豐富。水電站采用混合式開發方式，工程總體布置由攔河壩+引水系統+岸邊式廠房組成。攔河壩采用混凝土重力壩+黏土心墻堆石壩混合壩型，最大壩高34.5 m。發電引水系統布置于河道右岸山體內，引水線路長度5 980.38m，發電額定水頭175.5 m，發電設計引用流量為155.70 m3/s。

岸邊式電站廠房布置于壩址下游河道右岸階地上，尺寸為52.3 m×32.4 m×47.80 m(長×寬×高)，內裝3臺單機容量為83 MW的立軸混流式水輪發電機組。壩址河床局部基巖出露，左岸發育沖積灘地，灘地寬約20～25 m。壩址區出露地層主要有前寒武紀INKISI巖組及第四系(Q)松散堆積物。

2 導流標準

工程為Ⅲ等工程，攔河壩、發電引水系統、電站廠房等主要建筑物為3級建筑物，根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2017)的規定[3]，本工程導流建筑物級別確定為5級。

攔河壩施工導流采用全年10年一遇設計洪水標準，相應流量約553 m3/s。導流明渠封堵施工采用枯水期(6—10月)10年一遇設計洪水標準，相應流量約232 m3/s。攔河壩攔洪度汛采用全年30年一遇洪水標準，相應流量約645 m3/s。廠房尾水預留巖坎的擋水標準為全年10年一遇，相應流量約553 m3/s。

3 導流方式

(1)攔河壩

壩址處山體較平緩，不具備隧洞導流條件。壩址處河谷底寬130～200 m，不具備河床分期導流條件。經分析比較，壩址處左岸坡度15°～20°，基本具備明渠導流條件。

攔河壩施工導流采用圍堰一次攔斷河床、左岸明渠導流、基坑全年施工的導流方式。攔河壩上、下游施工圍堰按全年導流標準設計，在其保護下進行大壩施工。

(2)廠房

電站廠房布置于壩址下游INKISI河右岸階地上。由于廠房所處位置地面高程高于河道汛期水位，因此只需在河岸邊預留巖坎并做好防滲，無需修建廠房施工圍堰。

4 導流程序

(1)明渠施工階段

第二年4—8月中旬，原河床過流，進行導流明渠施工。

(2)明渠導流階段

第二年9月初河道截流，導流明渠過流。導流標準為10年一遇洪水，相應洪峰流量553 m3/s，上游水位719.15 m，下游水位713.48 m。

在河床上、下游圍堰的保護下，完成混凝土壩段施工，該階段共經歷第二年11月—第三年5月及第三年11月—第四年5月兩個汛期。

(3)明渠封堵階段

第四年6月進行明渠封堵。利用河床部位已建成的2個底孔(4.5 m×4.8 m)過流，施工被明渠占壓部位的壩體。導流標準為枯水期10年一遇洪水，相應洪峰流量232 m3/s，上游水位717.69 m，下游水位713.48 m。

(4)壩體攔洪階段

第四年10月，右岸混凝土壩段及左岸壩體施工完成，導流工程結束。

5 導流建筑物布置

(1)攔河壩施工導流

根據攔河壩布置及壩址左岸的地形和地質條件，結合基坑開挖、施工交通和場地布置，確定上、下游圍堰及導流明渠布置。

導流明渠泄流時應滿足渠內水流通暢，且其進出口不應影響上、下游圍堰的正常運用。導流明渠的布置采取進出口段為直線段、中間是半徑為80 m的圓曲線布置方式。

導流明渠進口直線段長約81.69 m，進口轉彎段長約73.70 m，渠身直線段長103.14 m，出口轉彎段長約73.70 m，出口直線段長80.47 m，全長412.70 m。

壩址處河床高程在711 m左右，從降低截流難度等角度考慮，確定明渠進口高程為712.70 m，出口高程為711.00 m，縱坡為4.1‰。

明渠位于全風化巖石上，邊坡采用1∶1.5，底寬采用16.0 m，渠道采用厚0.3 m全斷面鋼筋混凝土襯砌。

明渠水力學計算按明渠均勻流計算：

式中，Q為明渠泄水流量(m3/s)；A為明渠過水面積(m2)；C為謝才系數；R為水力半徑(m)；i為明渠縱坡。

明渠進口處水流按寬頂堰計算：

式中，Q為明渠泄水流量(m3/s)；m為流量系數；δs為淹沒系數；ε為側收縮系數；H為上游水深(m)。

導流明渠在10年一遇洪水(Q=553 m3/s)時，水力特性指標如表1所示。

表1 導流明渠特性指標表

(2)廠房施工導流

根據電站廠房布置及廠址的地形和地質條件，結合施工交通和場地布置，確定廠房尾水處預留巖坎的擋水標準為全年10年一遇，相應流量約553 m3/s，巖坎前水位550.68 m。

6 導流建筑物設計

(1)導流明渠

導流明渠全長412.70 m，其進口高程為712.70 m，出口高程為711.00 m，縱坡為4.1‰。

明渠位于全風化巖石上，邊坡采用1∶1.5，底寬采用16.0 m，渠道采用厚0.3 m全斷面鋼筋混凝土襯砌。

(2)大壩上、下游圍堰

大壩上游圍堰堰前水位為719.15 m，堰頂高程720.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高7.3 m，堰長114.80 m。大壩下游圍堰堰前水位為713.48 m，堰頂高程715.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高3.5 m，堰長85.30 m。大壩上、下游圍堰均為土石結構，迎水面防護均采用拋石護坡，堰體及堰基防滲均采用高噴防滲墻。

(3)明渠封堵上、下游圍堰

明渠封堵上游圍堰堰前水位為717.69 m，堰頂高程719.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高6.8 m，堰長37.2 m。明渠封堵下游圍堰堰前水位為713.48 m，堰頂高程715.00 m，堰頂寬6 m，最大堰高3.8 m，堰長25.0 m。

明渠封堵上、下游圍堰均為土石結構，堰體防滲均采用黏土，迎水面防護均采用拋石護坡。

7 導流明渠封堵及水庫下閘蓄水

根據施工總進度的安排，本工程導流明渠封堵時間選在第四年6月中旬，封堵標準為壩址多年6月平均流量，截流流量為77.20 m3/s。導流明渠封堵圍堰結合左側土石壩壩體填筑的施工進行布置。導流明渠封堵圍堰擋水采用枯水期(6—10月)10年一遇設計洪水標準，相應流量約232 m3/s。左側土石壩壩體填筑在封堵圍堰的保護下施工。左側壩體填筑完畢后，首部樞紐于第五年5月下閘蓄水。