双叉河流上多坝型组合坝体导流方案研究

徐海亮,苏军安,王福初,李建军,虞东亮

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,湖南长沙410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014)

0 引 言

施工导流是水利水电工程施工过程中,将原河道水流通过适当的方式导向下游的工程措施[1]。导流方案的选择内容复杂,涉及面广,其与水文、地形、地质、水文地质、枢纽布置及施工条件等密切相关[2]。正确合理地选择施工导流方案可以加快施工进度、降低工程造价,否则可能会受到其他因素的干扰而影响施工,拖延工期,增加投资,甚至会造成工程失事。国内外有关专家学者,对施工导流在理论上进行了比较深入和详细的研究,主要分为单目标风险决策分析和多目标风险决策分析。姜树海[3]以风险这个概念为依托,对风险率和风险损失这两个指标进行分析,通过控制工程总造价和工程损失造成的费用之和最小为目标来进行施工导流标准的选择。肖焕雄、史精生[4]用工程费用及工期这两个指标进行导流风险分析来选择导流标准和方案,并给出了确定性施工费用及施工工期和风险损失费用及工期的计算方法。黄达海[5]以全年导流方案为对象进行研究,把工程总工程量、总工期、风险率、施工不均衡系数及最大填筑强度等5个参数作为决策目标,采用模糊综合评判方法使不同特性的指标统一到综合评价参数中,并分别采用专家咨询法和层次分析法确定各指标权重。周宜红[6]、王卓甫[7]利用Monte-Carlo方法对施工导流风险计算进行研究。上述研究成果都是以保证工程安全施工的前提下缩短工期,降低工程总费用为目标来优选导流方案的。本文依据喀麦隆Kikot水电站坝址区双叉河过流且过流能力相差较大,河床宽、流量大、多种坝型组合的特点,在保证施工安全可靠的前提下,进行导流方案的优选。

1 工程特点

1.1 多种坝型组合特点

Kikot水电站是喀麦隆规划于萨纳加河(Sanaga River)中游河段的水电项目,以发电为主,工程采取河床式布置,枢纽布置从左至右依次为：左岸面板堆石坝、厂房引水坝段(下游布置坝后式厂房)、冲沙坝段,河中岛面板堆石坝、右叉河重力坝、泄洪底孔坝段、泄洪表孔坝段、右岸面板堆石坝。大坝坝顶高程354.00 m,最大坝高62.00 m,总装机容量720 MW。泄洪表孔共5孔,采用开敞式溢流堰,孔口尺寸为18.00 m×15.00 m(宽×高),堰顶高程336.00 m,采用WES型实用堰,上游面垂直。泄洪底孔共2孔,底板高程309.00 m,孔口尺寸为10.00 m×8.00 m(宽×高)。

1.2 双叉河过流地形特点

坝址区属丘陵地貌,总体地势较缓,起伏差一般小于50.00 m。河道为典型的平原河道,该河段分布多个孤岛,河水被其分隔成多股散流。河流在坝址处分为左右两叉,两岸岸坡相对较缓且高差不大,岸边为基岩岸坡,河中基岩礁石出露基本无覆盖层分布。左叉河河床底部高程约312.00 m,右叉河河床底部高程约290.00 m,两叉河河床底部高程相差20多米,主要通过右叉河过流。河道无通航要求。

2 导流方式选择

Kikot水电站工程坝址所在的河道分为左右两叉,且较宽,两岸地形较缓,山体较单薄,成洞较困难,河流流量较大,因此,不适合采用隧洞导流方式。根据本工程坝址地形、地质、水文条件以及水工枢纽布置的特点,并充分利用河道左右两河道以及中间孤岛的天然优势,工程适宜采用分期导流方式。

3 导流方案比较

3.1 方案拟定

结合地形地质条件,在水工枢纽布置总体保持不变的前提下,初步拟定了4个导流方案进行比较。

3.1.1方案1——分两期导流,第一期先围左叉河及中间岛

一期围左叉河的左岸混凝土面板堆石坝段、厂房引水坝段(下游布置坝后式厂房)、冲沙坝段和河中岛混凝土面板堆石坝段,在左叉河冲沙坝段右侧坝段(该方案需将约80.00 m河中间岛混凝土面板堆石坝改成混凝土重力坝)内布置4个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程313.00 m的导流底孔,由右叉河过流。一期采用全年土石围堰挡水,导流标准采用重现期全年20年一遇洪水,相应流量8 679 m3/s；二期围右叉河右岸的混凝土面板堆石坝段、泄洪坝段(包括5孔泄洪表孔坝段和2孔泄洪底孔坝段)和右叉河重力坝段,枯水期由布置在左叉河的4个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程313.00 m的导流底孔过流,采用过水土石围堰(汛期过水)挡水,导流标准采用枯水时段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相应流量2 470 m3/s。汛期由4个导流底孔和右叉河基坑过流,度汛标准采用全年20年一遇洪水,相应流量8 679 m3/s。

第7年4月工程下闸蓄水,第7年5月初全部机组投产发电,第7年6月底导流底孔封堵完成,工程完工。

方案1机组发电工期6年4个月,总工期6年6个月。

3.1.2 方案2——分两期导流,第一期先围右叉河

一期围右叉河右岸混凝土面板堆石坝段、泄洪坝段(包括5孔泄洪表孔坝段和2孔泄洪底孔坝段)和右叉河重力坝段,在泄洪表孔坝段和右叉河重力坝段内布置7个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程300.00 m的导流底孔,由扩挖后的左叉河过流,采用过水土石围堰(汛期过水)挡水。导流标准采用枯水时段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相应流量2 470 m3/s。度汛标准采用全年10年一遇洪水,相应流量8 195 m3/s,其中,第1个汛期由左叉河及右叉河基坑过流,第2个汛期由左叉河及右叉河坝段布置的7个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程300.00 m的导流底孔和2个10.00 m×8.00 m(宽×高)的泄洪底孔过流；二期围左叉河的混凝土面板堆石坝段、厂房引水坝段、冲沙坝段和岛中间混凝土面板堆石坝段,由2个泄洪底孔和布置在右叉河泄洪表孔坝段及右叉河重力坝段内的7个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程300.00 m的导流底孔过流,采用全年土石围堰挡水,导流标准采用重现期全年20年一遇的洪水,相应流量8 679 m3/s。

第7年4月工程下闸蓄水；第7年9月首台机组发电；第8年7月全部机组投产发电,导流底孔封堵完成,工程完工。

方案2首台机发电发电工期6年零9个月,总工期7年零7个月。

3.1.3方案3——分两期导流,第一期先围左叉河、中间岛和右叉河部分坝段(设纵向围堰)

在准备工程施工期修建纵向围堰。一期围左叉河的混凝土面板堆石坝段、厂房引水坝段、冲沙坝段、岛中间混凝土面板堆石坝段以及右叉河的混凝土面板堆石坝段、泄洪表孔坝段、泄洪底孔坝段和部分右叉河重力坝段,在右叉河泄洪表孔坝段内布置2个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程300.00 m的导流底孔,枯水期由右叉河束窄河床泄流,汛期由右叉河束窄河床和右叉河基坑过流。导流标准分两种,左叉河围堰的挡水设计标准采用重现期全年20年一遇的洪水,相应流量8 679 m3/s,围堰形式为全年挡水土石围堰；右叉河的围堰挡水设计标准为枯水时段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相应流量2 470 m3/s,围堰形式为过水土石围堰(汛期过水)。

二期围束窄河床段的右叉河重力坝段,由2个泄洪底孔和2个导流底孔泄流,采用土石围堰挡水,导流标准采用枯水时段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相应流量2 470 m3/s。

第5年8月底工程下闸蓄水；第5年9月首台机组发电；第6年4月底导流底孔封堵完成；第6年7月全部机组投产发电,工程完工。

方案3,首台机组发电时间为4年9个月,总工期5年7个月。

表1 4个导流方案造价及工期比较

3.1.4方案4——分两期导流,第一期同时围左叉河、右叉河及部分中间岛(明渠导流)

在准备工程施工期修建导流明渠,明渠修建在岛中间。一期围左叉河的混凝土面板堆石坝段、厂房引水坝段、冲沙坝段、河中岛混凝土面板堆石坝段及右叉河的混凝土面板堆石坝段、泄洪表孔坝段、泄洪底孔坝段、部分右叉河重力坝段,在右叉河泄洪表孔坝段内布置2个9.00 m×10.00 m(宽×高)、底板高程300.00 m的导流底孔,枯水期由导流明渠过流,汛期由导流明渠和右叉河基坑过流。导流标准分两种,左叉河围堰的挡水设计标准采用重现期全年20年一遇的洪水,相应流量8 679 m3/s,围堰形式为全年挡水土石围堰；右叉河围堰的挡水设计标准为枯水时段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相应流量2 470 m3/s,围堰形式为过水土石围堰(汛期过水)。

二期围导流明渠坝段,由2个泄洪底孔和2个导流底孔泄流,采用不过水土石围堰,导流标准采用枯水时段1月1日～6月30日10年一遇洪水,相应流量2 470 m3/s。该方案需要将推荐枢纽方案中明渠坝段由混凝土面板堆石坝改成混凝土重力坝。

第5年8月底工程下闸蓄水；第5年9月首台机组发电；第5年12月底完成厂房二期混凝土的浇筑。

第6年4月底导流底孔封堵完成；第6年7月全部机组投产发电,工程完工。

方案4,首台机组发电时间为4年9个月,总工期5年7个月。

4个导流方案造价及工期比较详见表1。

3.2 方案分析比较

3.2.1 导流工程造价比较分析

4个导流方案造价及工期比较见表1。从表1可以看出,4个方案中,方案1导流工程投资最大,方案4最小,但是方案4由于需要在岛中间开挖一条明渠,考虑明渠后期的封堵施工,需将推荐枢纽布置方案相应明渠坝段由混凝土面板堆石坝改成混凝土重力坝,相应地增加了混凝土工程量,枢纽投资约增加11 040万元,因此,综合考虑主体工程及导流工程投资,方案3投资最小。

3.2.2 工期比较分析

从表1可以看出,方案3和方案4的首台机发电工期和总工期最短,方案2的首台机发电工期和总工期最长,且方案1和方案2在首台机发电工期和总工期方面都远大于方案3和方案4。

3.2.3 从导流布置与工程施工的特点分析

方案1。二期导流由4个导流底孔过流,导流底孔布置在冲沙坝段右侧约80.00 m长范围由混凝土面板堆石坝改为混凝土重力坝坝段内,从而增加了混凝土工程量,其次,导流底孔布置的位置高程较高,导流底孔上下游需进行开挖,增加了土石方开挖量。

方案2。方案2由于先进行右叉河混凝土面板堆石坝、泄洪表孔坝段、泄洪底孔坝段、重力坝段的施工,使得厂房的修建时间延迟,进而推迟了该方案首台机组的发电工期和总工期。其次,二期导流厂房施工采用全年20年一遇的洪水标准,需在泄洪表孔坝段和重力坝段下布置7个导流底孔才能满足二期过流要求,增加了施工难度。

方案3。方案3在准备工程建设期要进行混凝土纵向围堰的施工(含围堰过坝段混凝土重力坝的施工),混凝土围堰有一部分需要在水下施工。

方案4。方案4需要在河中岛开挖一条宽65.00 m的导流明渠,明渠开挖工程量较大,且需将推荐枢纽布置方案明渠所在坝段的混凝土面板堆石坝(超过65.00 m)改成混凝土重力坝段。

综上所述,从投资方面来看,方案3最小；从首台机发电工期和总工期方面来看,方案3和方案4最小；从导流布置及工程施工的特点来看,4个方案各有优缺点。但总体上看方案3最优,因此,方案3作为推荐的导流方案。

4 结 论

(1)从施工导流方式的角度来看,在流量大,河床宽且两岸山体较单薄的平原河道上修建水利枢纽,其导流方式适合采用分期导流。

(2)从Kikot水电站工程本身所具有的特点：双叉河过流且河道底部高程相差较大,水工枢纽由多种坝型组合而成来看,经过4种导流方案的比较,最终本阶段选择束窄主河道(右叉河)的分期导流方案。该导流方案对于具有类似地形条件、枢纽布置形式的工程具有较大的参考价值。

(3)从导流与枢纽布置格局两者之间的关系来看,导流工程是为了枢纽工程能够安全快速施工而进行建设的一项辅助性工程,但是两者是相辅相成的。从本工程来看,最优的导流方案需要水工枢纽布置在一定的范围内紧密配合,并适当作出相应调整。

[1] 全国水利水电施工技术信息网. 水利水电工程施工手册(第5卷)[M]. 北京： 中国电力出版社, 2005．

[2] 袁光裕. 水利工程施工[M]. 第5版. 北京: 中国水利电力出版社, 2009．

[3] 姜树海. 用风险决策方法确定施工导流标准[J]. 水利水运科学研究, 1997(1)： 1- 10．

[4] 肖焕雄, 史精生. 施工导流标准的多目标风险决策[J]. 水利学报, 1990(11)： 66- 71．

[5] 黄达海. 用模糊综合评判的方法进行施工导流方案的选择[J]. 三峡大学学报： 自然科学版, 1993(2)： 106- 112．

[6] 周宜红. 施工导截流方案风险决策研究[D]. 武汉： 武汉水利电力大学, 1995．

[7] 王卓甫. 施工导流风险分析[J]. 水利学报, 1992(5)： 65- 71．