两底孔交替导流在水电站大坝修复改造中的应用

宋茂兴

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 475000)

两底孔交替导流在水电站大坝修复改造中的应用

宋茂兴

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 475000)

以埃塞俄比亚阿巴萨姆尔水电站工程中大坝进水口和底孔改造为例，介绍了坝区修复改造的主要任务，并根据坝区的现场条件，确定了两底孔交替导流施工方案，阐述了具体的施工技术，达到了预期的施工效果。

水电站，大坝，底孔，导流

1 工程概况

阿巴—萨姆尔水电站项目位于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴附近，该项目由于年久设备老化、年久失修、水库淤积、暴雨冲毁引水渠道和压力前池，于1974年废弃至今。本项目是我国政府开展的对外援助项目，主要施工任务是立足于充分利用现有的大坝、厂房等原有设施，改建引水系统，在原厂房内重新安装总容量约为6.6 MW的水轮发电机组，恢复阿巴—萨姆尔水电站的发电功能。本工程属于坝后引水式水电站，大坝由两岸浆砌石挡水坝段、河床浆砌石溢流坝段和引水(冲沙底孔)坝段所组成。

2 坝区的修复改造任务分析

2.1 主要任务内容

大坝单位工程的主要施工任务是大坝维修工程、取水口和底孔改造工程。其中大坝取水口和底孔改造工程是施工的重点和难点。主要工作内容包括:坝身取水口为原拦河坝取水坝段的坝身机组取水口改造而成。修复后的坝身取水口由改造坝身进水口+取水钢管组成。进水口前设有拦污栅和检修闸门。取水钢管直径1.5 m，总长约107 m，外包混凝土。

原设计有的2个冲沙底孔，改造后原左侧底孔封堵，右侧底孔进行改造加长，出口引至坝后下游的泄槽内，用作冲沙放空通道。底孔进水口底板高程仍为499.20 m，底孔前设有拦污栅和检修闸门，改建后，底孔水平埋管后接长约15.5 m直径为0.8 m的水平明管，明管末端设置手动闸阀控制水流，将冲沙水流汇入Akaki河(施工改造范围和布置见图1和图2)。

图1 坝身进水口及底孔改造平面布置示意图

2.2 施工现场条件分析

根据各方面条件分析，施工现场的有利条件主要有:1)施工所用土料可在库区内就近开采。2)施工改造工程量不大。

施工现场的不利条件较多，主要有:1)来水量极不均匀，实施中根据每日来水和泄水条件流量分析实际的日平均流量比水文信息提供的数据大2倍以上，在11月份最大流量为2.5 m3/s，在1月份～3月份为1.5 m3/s。一天内有多个水位高峰，不排除上游非正常降雨情况，还会发生超正常流量现象。2)施工期2月～4月均有降雨量，会产生枯水期的洪水，可能会给施工造成极大的安全风险。3)施工场地狭小，施工效率很低。4)两底孔正常冲水排沙，坝内与引水涵管串联，水流最终汇入引水系统，部分在溢流通道溢出。5)两底孔净间距仅6.0 m，河槽淤积层深厚。6)底孔在坝前汇流处的冲沟很窄，最宽处仅6.5 m。

图2 坝身进水口及涵管改造剖面布置示意图

3 主要施工方案的确定

本项目在施工组织上，从前期策划就把坝区改造工程作为项目的难点，在实施前反复论证施工方案。根据施工任务和施工图纸及现场条件综合分析，施工按照“由低到高”和“先难后易”的顺序原则，确定主要施工流程如下。

最终确定的主要施工顺序(包括导截流施工任务)为:施工道路修筑→1号导流涵管埋设→横向围堰进占→纵向围堰施工→2号溢流涵管埋设→横向围堰合龙→右侧底孔改造(一期导流)→施工进水口改造和坝内压力钢管安装(两底孔同时导流)→左侧底孔封堵(二期导流)。

导截流方式的确定是保证施工任务完成的基础。项目最终确定采用非汛期全段围堰法涵管配合底孔交替导流方式，两底孔间采用纵向钢笼围堰隔断水流。

4 施工难点分析

进水口和底孔改造的施工本身施工难度并不大，难度最大的是水流的控制。采取什么挡水建筑物，什么导水建筑物，底孔改造时的干地施工条件怎么实现，导流能力怎么满足等多项施工难题摆在项目团队面前。项目团队认为充分认识到实施的难点是解决这些难点的前提。

根据现场条件的不利因素分析，导截流施工主要难点及风险有:1)纵向围堰施工。两底孔底坎高程低于进水口底坎4.6 m，根据上游水位和基础淤积深度及两底孔净宽限制(据前述仅6.0 m)，纵向围堰的成堰难度极大。纵向围堰堰体与坝体接触面的防渗问题难以解决，渗漏量的控制能否满足施工条件也是风险点之一。2)两底孔串水问题。两底孔在坝内最终汇入引水渠道，存在混流和串水，导流时可能有回水问题。解决导流通道的独立运行条件和可能的回流问题是难点之一。3)单个底孔的导流能力不足。两底孔的孔径均为80 cm，按照小孔口自由出流公式计算Q=μA√2gH0=0.62×0.311×6=1.86 m3/s(其中，H0为上游水头，取2 m;μ=0.62)，考虑到底孔管路的水头损失最终的出流流量应小于该流量。因此可以判定单个底孔的泄流能力不能满足正常泄水能力。此问题是导流的最大难题之一。4)单个底孔导流时所配套的导流涵管的导流能力的匹配与否将决定围堰的安全和底孔进口前池的正常运行。如导流涵管太大，底孔泄水能力不足会导致纵向围堰被淹。如果太小，又会导致导流能力不足，影响横向围堰的安全。

5 两底孔交替导流方案的实施

5.1 主要施工方法描述

本工程采用非汛期全段围堰法涵管配合底孔交替导流方式(平面布置见图3)。其主要方法是利用现有底孔工作条件，按照科学的施工顺序，首先进行进场路铺筑和河道截流进占施工，施工须按照相关规范设计并保证安全。当截流进占到1号底(左侧底孔，下述按1号底孔;右侧底孔下称2号底孔)附近时沿河道方向埋设φ1.2 m长25 m的1号钢管(涵管)，钢管进口方向挖明渠平顺引入河道水流，出口方向对准1号底孔。1号涵管出水口管口底部高程与底孔底坎高程基本一致为EL500 m(实际施工时因底部为岩基，出口高于底孔为EL501.5)。涵管按照4%的坡度设置，出口低于进口。

图3 两底孔交替导流和水流控制平面布置示意图

其次是继续进行截流进占，同时完成纵向围堰的施工。纵向围堰采用钢笼围堰，钢笼宽度参照进水口外侧宽度(保证堰体紧贴坝体立面，方便卡位防止纵向位移)，长度根据进水口前河槽宽度确定，深度经人工探测河槽底部断面和淤泥深度推测确定(钢笼尺寸为6 m高×6 m长×4.1 m宽;人工探测时在架设预先制作好的宽1 m，长12 m的栈桥上进行)，钢笼两侧用10 mm厚的钢板焊接封闭，预留局部小孔作为排水之用。笼体就位后周边用袋装粘土填充，中间填充淤质粘土等防渗材料，起到挡水作用。导流施工重要的创新点之一是施工至主河槽中心前，埋设2号导流管(涵管)。2号导流涵管进水口管口底部高程设置在EL503，同样采用φ1.2 m的钢管，长10 m，进出口位置保持与围堰堰体的距离，减少水流冲刷破坏。之后，在截流前加高戗堤填筑围堰至EL504 m，在纵向围堰具备挡水条件后，选择合适时段进行截流(河道水位小时在下午)。截流完成后，立即进行戗堤的加高使围堰整体达到初步的设计高程。

以上工作完成之后，基本具备了挡水和泄水条件。

5.2 水流控制的解决

水流控制的解决是本工程的难点，能否解决好这个难题，是底孔进水口改造施工成败的关键，也是两底孔交替导流成功的关键(水流控制平面布置见图3)。在此，详细说明导流施工难点的解决办法。

两底孔串水问题的解决。在具备导流的基本条件后，受串水影响的是右侧底孔改造和冲沙管安装作业及坝内压力钢管安装。在施工安排上，首先进行冲沙管的安装。施工前，在两底孔导流的条件下采用液压冲击锤将2号底孔下游侧的引流室外墙打通，打通后水流直接通过墙体空洞外泄，同时也给冲沙管安装创造安装条件。为避免串水影响，导流布置上采取两底孔都不导流的办法，在施工日下午4时，来水量最小时，关闭1号和2号导流涵管进水口，两个工作日分别完成施工准备和安装工作。就此2号导流底孔的水就可以直接排到河里，相应解决了此底孔的串水问题。2号底孔的串水问题是在2号底孔导流的条件下采用液压冲击锤将1号底孔下游侧的引流室外墙打通，让水不再引流至坝内直接排出进入原引水渠。然后将坝内的串水口进行浆砌石封堵，堵塞串水通道。采取这一系列办法后，串水问题彻底解决，给坝内老混凝土凿除和压力钢管安装创造了施工条件。

导流涵管的设置解决了与底孔导流能力匹配的问题。涵管的埋设位置和高程以及配置较大的涵管直径恰到好处的解决了涵管配合底孔交替导流的匹配问题。

表1 施工和导流时段设置说明

导流能力不足问题的解决。针对此问题的解决，项目团队创造性的提出并实施了导流涵管临时闸门来控制水流，通过导流时段调节水流，很好的解决了水流控制和导流能力不足的大难题。临时闸门采用12 mm厚钢板，通过与涵管进口法兰盘的平面接触在水压力的作用下达到密闭作用。在关闭状态下，只有少量渗水，才能达到关闭效果。底孔改造工作任务重，是受导流影响最大的项目，通过涵管临时闸门的控制，施工导流时段得以实现，当来水量大时(河道水位高)两底孔导流，来水量小时一个底孔导流，顺利的给底孔和进水口改造施工创造了施工条件。

具体导流时段设置可见以下叙述和表1。

5.3 导流时段

根据大坝取水口和底孔改造任务及当地气候特点，施工节点目标定为2016年3月31日前完成全部进水口和底孔的改造任务。施工任务目标的实现，首要的前提是导流方案的成功，分解后的各部分详细时间节点的完成需与导流时段的分解和成功实施相匹配，来保障有效的施工时间，也就是干地施工时间的实现。具体详细施工节点和导流时段设置见表1。

6 结语

正常情况下，大坝修复改造工程的施工难度都是远远大于新建工程的难度的。本工程施工改建中，采取非汛期全段围堰法涵管配合底孔交替导流方式并且成功应用，在实施中通过采取多种措施，顺利解决了多个技术难题，创造性的进行水流控制并利用导流时段的安排，出色的完成了施工任务。本项目的成功经验，科学的证明了两底孔交替导流这个科技创新推动了工程的顺利进行，极大的促进了工程各方面效益的取得。

The application of two under ports alternating river diversion in dam repair transformation of hydropower station

Song Maoxing
(China Water Conservancy and Hydropower 11th Engineering Limited Company，Zhengzhou 475000，China)

Taking the under port transformation of dam water inlet in Ethiopia Samur ABA hydropower station engineering as an example，this paper introduced the main tasks of dam area renovation，and according to the site conditions of dam area，identified the construction scheme of two under ports alternating river diversion，elaborated specific construction technology，achieved the desired construction effect.

hydropower station，dam，under port，river diversion

TV738

:A

1009-6825(2016)36-0223-03

2016-10-16

宋茂兴(1981-)，男，工程师