新疆SETH水利枢纽工程导流设计

蒋小健，蒋小军

(1.阿勒泰地区SETH水库管理处，新疆 阿勒泰 836500;2.富蕴县水利局，新疆 富蕴 836100)

1 概 述

新疆SETH水利枢纽工程位于新疆北部，工程任务为供水和防洪，兼顾灌溉和发电，并为加强流域水资源管理和水生态保护创造条件.工程主要由碾压混凝土重力坝(含挡水坝段、表孔和底孔坝段、放水兼发电引水坝段等)及消能防冲建筑物、坝后式电站厂房和升鱼机等组成.水库总库容2.94亿m3，最大坝高75.5 m，坝顶高程1 032.00 m，坝基最低高程956.50 m，坝顶长度372 m，共分成21个坝段，主河床布置泄水坝段，左、右岸布置非溢流坝段.坝后式电站厂房共装机3台，总容量27.6 MW，其中包括两台12.0 MW大机组和1台3.6 MW小机组.工程建成后，可使下游沿线乡镇防洪标准的洪水重现期由10 a提高到20 a，县城防洪标准由20 a提高到30 a.

工程为II等工程，工程规模为大(2)型.拦河坝(含挡水坝段、表孔和底孔坝段、放水兼发电引水坝段等)及消能防冲建筑物为2级建筑物，升鱼机和电站厂房为3级建筑物，导流建筑物级别为4级.

2 设计条件

2.1 工程地质

坝址区位于剥蚀低山区，地面高程为990～1 150 m，最大高差约为110 m.河谷呈不对称“U”型谷，河流在坝址上游由近东西向转为近南北向，在坝址上游左岸形成凸岸，右岸形成凹岸.坝基主要为辉长岩侵入体，岩性单一，表部岩体稍破碎，下部岩体大部分较完整.坝基外侧地层为石炭系中统巴塔马依内山组玄武岩、凝灰岩及砂组成，局部夹泥质粉砂岩、凝灰质砂岩，岩体中结构面发育，岩体破碎，质量较差.地表第四系地层有冲积层、冲洪积层及坡洪积物，分布于沟谷，厚度不大，多小于5 m.坝基辉长岩属坚硬岩，强风化岩体多为Ⅳ类岩体，弱风化岩体多为Ⅲ类岩体，微风化～新鲜岩体多为Ⅱ类岩体，断层及结构面交汇带为Ⅴ类岩体.坝址河床及两岸覆盖层厚度不大，具备建坝的地形地质条件.

2.2 水文气象

河流发源地山脉海拔不高，一般山峰高程为3 500 m，但纬度高，雪线低，山区降水较多，达300～500 mm.冬季漫长，积雪深厚，11月至次年4月的积雪及消融期的气温决定着年径流的大小.径流补给是以降水及季节积雪融水为主，且有少量的冰川融水和地下水补给.河流水量受气温影响，以冰雪融水为主，所以汛期河水来的突然，消失的早，融水集中，枯水期长，年内分配不均匀，以春夏季5～7月最集中，占全年径流量的65%,个别年份4月、8月也有大洪水出现.根据施工要求，本阶段按4月、5～7月、8月、9～3月4个分期计算分期设计洪水.分期设计洪峰流量成果(见表1).

库区纬度高，气温低，少酷暑，多严寒，冬夏冷暖悬殊，年较差大.多年平均气温1 ℃，极端最高气温38.4 ℃，极端最低气温-47.7 ℃，变幅达86.1 ℃，夏季6～8月平均气温在18 ℃以上.历年最大风速17.3 m/s，最大冻土深度239 cm.

表1 分期设计洪峰流量成果表 单位：m3/s

3 施工导流

3.1 导流标准与方式

3.1.1 导流标准

导流建筑物采用土石结构，洪水标准为重现期10～20 a；本工程坝体临时拦洪度汛设计洪水标准为20～50 a.

3.1.2 导流方式

坝址处河谷为不对称“U”型谷，谷底宽150 m，主河槽宽50 m，左、右岸台(滩)地各宽约50 m.

工程施工既可采用隧洞导流方案，亦可采用河床分期(底孔)导流方案.

(1)隧洞导流方案与河床分期(底孔)导流方案比较

在导流标准及导流流量相同的情况下，导流方案比选(见表2).导流隧洞洞身长506.30 m，衬砌厚度0.3～0.7 m，布置在河道左岸，后期需要封堵.

表2 施工导流方式比选一览表

与隧洞导流相比，河床分期(底孔)导流为露天施工，导流工程投资较少且工期容易得到保证，故本工程采用河床分期(底孔)导流、左右岸基坑全年施工导流方式.导流泄水建筑物为坝体预留临时底孔，及其上游引渠和下游明渠.一期围封河床左侧，在高喷平台(高程973.00 m)围护下，修建左侧8#非溢流坝段预留的8.0 m×5.0 m(宽×高)导流底孔及其上下游明渠，浇筑左岸9#非溢流坝段及其上下游导墙混凝土，此时上游河道来水由疏挖后的右侧河床下泄.1期导流平面布置图(见图1).

图1 Ⅰ期导流平面布置图

Ⅱ期围封河床右侧，在大坝上、下游土石围堰及混凝土纵向导墙(含左岸9#非溢流坝段)围护下，修建右侧10#～21#挡水坝段、消能防冲建筑物及坝后式电站厂房等，此时上游河道来水由左侧8#非溢流坝段预留的导流底孔下泄.为方便施工，导流底孔断面确定为矩型；为满足冬季排冰的需要，拟定了8.0 m×4.0 m 和8.0 m×5.0 m两个导流底孔尺寸.Ⅱ期导流平面布置图(见图2).不同洪水重现期及不同底孔尺寸情况下，导流底孔上游水位及下泄流量调洪计算结果(见表2).

表2 导流底孔上游水位及下泄流量调洪计算表

导流底孔尺寸选择既要考虑结构受力，还要考虑排冰需要及围堰工程量和投资.由于底孔尺寸加大不增加坝体混凝土总量，故选定底孔尺寸为8.0 m×5.0 m.

导流标准为10年一遇时，洪峰流量为425 m3/s，导流底孔上游水位为981.32 m，下泄流量为401.28 m3/s；洪水标准为20年一遇时，洪峰流量为516 m3/s，导流底孔上游水位为983.81 m，下泄流量为472.30 m3/s.

经计算，导流底孔上游设计水位相差2.49 m，围堰规模相差较大，同时考虑混凝土坝具有基坑过水条件且损失较小，工程导流建筑物设计洪水标准采用下限，即10年一遇，相应洪峰流量为425 m3/s.

度汛标准为20年一遇时，洪峰流量为516 m3/s，导流底孔上游水位为983.81 m，坝前拦洪库容550 万m3，下泄流量为472.30 m3/s；度汛标准为50年一遇时，洪峰流量为636 m3/s，导流底孔上游水位为987.75 m，坝前拦洪库容1 000万m3，下泄流量为566.63 m3/s.

两个标准洪水位相差3.94 m，差距不大.确定本工程坝体临时拦洪度汛设计洪水标准采用上限，即50年一遇，洪峰流量为636 m3/s，相应水位为987.75 m.

4 导流程序

工程施工导流程序如下：

阶段1 第1年4月1日～第1年8月31日，预留岩坎(一期高喷平台)挡水、原河床过水，在第1年8月底前形成左岸导流底孔及上、下游导墙.

工程第1年度汛洪水标准为5年一遇，相应洪峰流量333 m3/s.

阶段2 第1年9月15日，河床截流，导流底孔过水；在第1年10月底前将围堰加高培厚至设计高程.

截流流量采用9月5年一遇月平均流量Q=32.8 m3/s.

工程第2年度汛洪水标准为10年一遇，相应洪峰流量425 m3/s.

阶段4 第3年5月初～第3年10月底，坝体、下游土石围堰及下游导墙挡水度汛，导流底孔过水；在此期间，继续浇筑坝体及泄水建筑物，并进行电站机组安装.

工程第3年坝体临时度汛洪水标准为50年一遇，相应洪峰流量636 m3/s.

阶段5 第3年11月1日，导流底孔下闸，水库蓄水.第4年4～5月进行导流底孔及坝下预埋临时生态放水管封堵施工.

底孔下闸设计流量为5年一遇11月平均流量13.9 m3/s.

阶段6 第4年6月初，小机组带水调试；第4年6月底，小机组投产发电.

阶段7 第4年5月初～7月底，坝体挡水度汛，永久底孔和表孔过水；在此期间，继续进行坝体、鱼道混凝土浇筑以及电站第2、3台大机组安装、调试.

工程第4年度汛洪水标准为50年一遇，相应洪峰流量636 m3/s.

5 导流建筑物设计

5.1 导流底孔设计

导流底孔断面为矩形，宽8.0 m，高5.0 m，长约40.0 m，居中布设在左岸8#非溢流挡水坝段，其进口底高程为971.00 m，出口底高程为970.76 m，纵坡5‰.

Wu等[13-14]在HFLTS的基础上提出了PD-HFLTS。PD-HFLTS由两部分组成，即有序语言术语集和各语言术语的可能性，且各语言术语的可能性呈均匀分布。例如有序语言术语集如HS={sL,sL+1,,sU}⊆S，L≤U，则HS的可能性分布表示为P=(p0,,pl,,pτ)，其中

导流底孔上游引渠及下游泄水明渠底宽均为18.0 m，上游引渠长192.0 m，纵坡为5‰，下游泄水明渠长274.0 m，纵坡为1.00%.上游引渠渠底座落在基岩上，无衬砌；下游泄水明渠渠底虽然座落在基岩上，但由于水流流速(为13.25～17.95 m/s)较大，故而采用了30 cm厚C25混凝土衬砌.

5.2 围堰结构设计

导流挡水建筑物为上、下游横向土石围堰及纵向混凝土导墙.

5.2.1 堰顶高程的确定

(1)上游土石围堰

上游围堰使用期限为1 a，设计洪水标准为10年一遇，相应洪峰流量为425 m3/s；导流底孔上游最高水位为981.32 m，相应下泄流量为401.28 m3/s.

围堰安全加高取0.50 m，风浪爬高取1.18 m，上游围堰堰顶高程为983.00 m.

(2)下游土石围堰

电站厂房及坝下消力池等在下游土石围堰保护下进行施工，其使用期限为2 a，设计洪水标准采用20年一遇，洪峰流量为516 m3/s.

导流底孔下泄流量为472.30 m3/s，相应下游水位为971.50 m，围堰安全超高取0.50 m，风浪爬高取0.50 m，其堰顶高程为972.50 m.

(3)混凝土纵向导墙

上游纵向导墙顶高程为983.00 m，下游纵向导墙顶高程为977.00～972.50 m.

5.2.2 堰基处理

围堰基础为砂砾石覆盖层，河床中心处厚度约5.0 m，其渗透系数为0.1～0.02 cm/s(即86.4～17.28 m/d)，透水性很强.由于工程区防渗土料缺乏，而采用水泵强排则排水强度、排水量及排水费用(分别为1.92 m3/s、6 118万m3、3 059万元)均较大，故采用高喷墙来维持堰基渗透稳定并控制其渗流量.

高喷防渗墙需深入不透水岩层0.5 m.

5.2.3 围堰结构

上、下游横向围堰为土石结构，上、下游纵向导墙为碾压混凝土结构.

上游横向围堰最大堰高14.2 m，堰体防渗采用高喷防渗墙+土工膜，围堰上、下游坡比均为1∶2，堰顶宽10 m.下游围堰最大堰高5.3 m，堰体防渗采用高喷防渗墙，围堰上、下游坡比均为1∶2，顶宽6 m.

上游导墙最大高度16.0 m，顶宽3 m，上游铅直，下游坡比为1∶0.70.

下游导墙最大高度11.0 m，顶宽2 m，上游铅直，下游坡比为1∶0.70.

6 结 语

本文从导流标准、导流流量、导流泄水建筑物、施工总工期及导流工程投资等几个方面对施工导流设计方案进行比选，最终选定了河床分期导流方案.该工程已于2017年10月22日通过截流阶段验收，经工程运行实践检验，施工导流设计合理，导流标准确定准确，达到了安全度汛且节约投资、缩短工期的目的，可供同类工程借鉴.