卢阿西姆水电站修复与扩容工程施工导截流设计

张 进，张 淳

(1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635；2.华南师范大学教育信息技术学院，广东 广州 510631)

1 工程概况

卢阿西姆河是安哥拉开赛河左岸的一条支流，呈南北走向，全长为600 km，源头位于东度。卢阿西姆(Luachimo)水电站坐落于卢阿西姆河上，利用河流上修建的大坝与天然河道间的水流落差发电，现状水电站的建设可追溯到20世纪50年代，于1957年投入使用。

本次修复与扩容工程的主要内容有：

1)对现状大坝上的水力机械设备进行修复，包括对左岸1个冲砂坝段和2个泄洪坝段的闸门、启闭设备及附属设施进行改造。

2)对现有约700 m渠道进行扩挖、改向，满足引水流量240 m3/s的要求。扩建引水渠道由进水口、引水渠和压力前池构成。

3)在原有发电厂房的左侧空地新建发电厂房，装机4×8.2 MW，并新建10/60 kV变电站。

4)原有发电厂房重新装修，改建为博物馆。

5)修建卢阿西姆大坝与东度之间的进场道路、场内沿着引水渠的道路、通往厂房和变电站的沥青混凝土道路。

本工程的施工导流设计包括：左岸取水口、1孔冲砂闸、2孔泄洪闸的施工围堰设计。

大坝为底宽12 m、平均高度6.5 m的混凝土大坝，主要由以下建筑物组成：

1)左岸1孔冲砂闸，宽为4 m(底板高程最低，冲砂底孔、配有控制闸门)；

2)左岸2座各9 m宽的主泄洪口(底板高程居中，配有控制闸门)；

3)1座总长为326.3 m、堰顶高程为657.0 m、共50孔的溢流坝段(无控制闸门)。

左岸冲砂闸上配有闸门，宽为4 m，通过电动绞车操作。左岸2孔泄洪闸通过电动绞车操作，通过1个移动沉箱可以将两个排放口独立起来，由单轨差分电路和钓鱼梁来进行操作。当闸门上缘位置较低时，会和溢流坝坝顶(高程为657 m)高度相同，河水可以在相应的地方流动。

该水电站现状航拍图像见图1，大坝现状见图2～3。

图1 卢阿西姆水电站航拍示意

图2 卢阿西姆水电站大坝(下游侧)示意

图3 卢阿西姆水电站大坝俯视示意

引水渠的进水口位于左岸，底板标高为653.9 m，由5个5.6～5.8 m宽，2.4 m高的口门组成。每个口门都由1个固定的间隔为0.4 m的钢筋栅栏保护。

水库水位的变化介于657(正常水位)～659 m(最高水位)之间。

水电站引水渠进水口、冲砂闸、泄洪闸等水工建筑物的现状照片见图4。

图4 水电站取水口、冲砂闸、泄洪闸(上游侧)示意

安哥拉的气候可以分为两个差异十分大的季节：湿润季节，又称“雨季”，温度高，从10月一直持续到次年5月；旱季，干燥，从6月持续到9月。

根据降雨量的既有数据，选择了1951/1952—1974/1975(24 a)的时间段，得出的结论是卢阿西姆流域年平均加权降雨量为1 440 mm，雨季和旱季分别占82%和18%。6月，7月和8月记录的平均降雨量非常低，大约只有年平均降雨量的1.3%。

估算卢阿西姆支流的年平均径流为85.7亿m3，全年分配量相当均匀，雨季产生的径流占60%，旱季占40%。

年平均流量预计为272 m3/s，相当于年平均水量为85.7亿m3和降雨515 mm。

按照最大瞬时流量的统计预测，10年一遇、10 000年一遇对应的数值分别是1 042 m3/s和1 712 m3/s。

枢纽工程地质总体评价：

拟建场地较开阔，地形平坦，无地面塌陷、土洞等不良地质作用，同时勘探深度内未发现软土、污染土、盐渍岩土等特殊性土。勘察区地质稳定，较适宜建设。

据勘探揭示，耕(表)土、填土层：未压实，土质不均，工程性能差。

细砂层：松散—中密，强度低—中等，工程性能一般。

全风化花岗岩：厚度不均，部分强度较低，工程性能一般。

强风化花岗岩：厚度一般，强度较高，埋深较深，工程性能良好。

中风化花岗岩：厚度较厚，埋深较深，强度高，工程性能优良。

2 施工导截流设计

2.1 施工导截流设计的特点

1)设计沟通难度较大

本工程业主是安哥拉能源部(GAMEK)、主体工程土建设计单位是葡萄牙COBA公司、总承包商是中国葛洲坝集团第六工程公司(CGGC)、监理工程师是葡萄牙SOAPRO公司、施工导流工程设计单位是广东省水利电力勘测设计研究院(GPDI)。主体工程设计、土建施工主要按葡萄牙的相关标准操作执行。

由于各国的工程设计规范、文化、语言等因素影响，GPDI、CGGC 与 GAMEK、COBA、SOAPRO彼此之间的沟通难度较大。

2)安哥拉、葡萄牙无水水利水电工程施工导流设计的相关规范，经多方沟通，本工程导流建筑物采用中国标准《水利水电工程施工组织设计规范(SL303)》[1]进行设计。

3)安哥拉位于南半球，卢阿西姆河的水文特点与国内明显不同。国内河流的汛期一股为4—9月、枯水期为10—3月；而卢阿西姆河流域的雨季为10—5月，旱季为6—9月。

4)坝址上游河流分为左河汊、右河汊，中部为泥砂淤积而形成的天然河中岛，施工导流程序需充分利用这一地形特点。

5)右岸闸坝为开敞式溢流，无闸门，其溢流顶面高程为657.0 m，上游围堰顶高程为659.7 m，上游围堰堰顶高程比溢流顶面高出2.7 m，上游围堰如何与右岸闸坝相接是设计中的重要环节。

6)为填筑上游围堰，左、右岸需新建下河临时道路。在新建右岸下游临时道路时，可充分利用左岸1孔冲砂闸、2孔泄洪闸底部高程较低的优势，提前下泄库水，将上游库水位降低。

7)需因地制宜地拟定施工导截流程序、围堰拆除程序。笔者在2016年5月赴安哥拉卢阿西姆工程现场，现场查勘、收集资料，并与CGGC充分沟通，形成了准确合理的导截流设计方案。

2.2 导流标准

施工导流洪水标准选为10年一遇，导流时段为全年，相应流量Q=1 042 m3/s。

2.3 导流方式

采用围堰缩窄原河床，围护左岸取水口、左岸冲砂闸、左岸2孔泄洪闸，右岸43孔溢流坝段泄流的方式。

施工导流程序如下：

1)开启左岸冲砂闸、左岸2孔泄洪闸，尽量降低上游水库的水位。

2)封堵右河汊，洪水由左河汊洪流。

3)施工机械由右岸进场，进行上游围堰以下桩号(注：桩号单位km+m，下同)范围的施工：

① 上堰0+078.804～上堰0+178.486；

② 上堰0+178.486～上堰0+211.156。

4)疏通右河汊。

5)将左岸1孔冲砂孔、左岸2孔泄洪孔下闸，壅高上游水库的水位至657.0 m以上。

6)河道截流，龙口范围：上堰0+000.000～上堰0+078.804 00。

先采用块石料平抛护底至657.0 m高程。截流施工机械由左岸进场，洪水由右岸43孔溢流坝段泄流，截流施工采用自左岸向右侧河中岛的单戗单向立堵进占的方式。

7)进行下游围堰的施工。

8)进行左岸取水口、1孔冲砂闸、2孔泄洪闸维修加固施工。

9)拆除上、下游围堰。

2.4 上游围堰堰前水位计算

1)基本条件

① 由于无5—9月时段的水文资料，河流水文资料不完整，暂取全年10年一遇流量Q=1 042 m3/s。

② 过流建筑物

结合围堰布置，洪水拟由右岸43孔溢流坝段泄流。溢流坝段每孔净宽5.8 m，溢流堰顶高程657.0 m。

2)水力学计算

(1)

式中Q为流量；σc为侧收缩系数；m为自由溢流的流量系数；n为闸孔数(取43)；b为溢流坝段每孔净宽(取5.8 m)；Ho3/2为包括行近流速水头的堰前水头。

采用水力学软件计算，当Q=1 042 m3/s时，大坝上游水位H=659.10 m，即为上游围堰的堰前水位。

2.5 截流设计[2]

1)截流设计标准

采用坝址处多年平均流量Q=272.0 m3/s。

2)截流时间

安排在旱季月份进行。

3)截流方式的选择

采用“平抛护底、单戗立堵”方式，截流龙口段桩号范围为：上堰0+000.000～上堰0+078.804。

河道实施截流前，先将左岸1孔冲砂闸、2孔泄洪闸的闸门下放到位，然后采用石渣料将龙口段平铺至657.0 m高程。

河道实施截流时，洪水由右岸43孔溢流坝段泄流，根据场地布置和道路条件，截流施工采用自左岸向右侧河中岛的单戗单向立堵进占的截流方案。

若发生流量Q=272.0 m3/s时，经水力学软件计算，大坝上游水位H=657.60 m。截流落差为Zmax=0.6 m，龙口最大流速V=2.0 m/s。

4)截流龙口要求的有效块石粒径要求为：D=300～500 mm。

2.6 围堰布置、结构形式

2.6.1围堰布置

上游围堰全长约为211 m，下游围堰全长约为100 m，施工导流平面布置见图5。

图5 施工导流平面布置示意(单位：桩号km+m，坐标m，尺寸mm)

2.6.2上游围堰

1)上堰0+000～上堰0+078.804

为截流龙口段，围堰形式为土石结构，抛石截流戗堤布置于迎水侧(见图6)。

图6 上游围堰剖面示意(上堰0+000～上堰0+078.804)(单位：高程m，尺寸mm)

2)上堰0+078.804～上堰0+178.486

为上游围堰中部段，围堰形式为土石结构，迎水侧采用抛石护坡(见图7)。

图7 上游围堰剖面示意(上堰0+078.804～上堰0+178.486)(单位：高程m，尺寸mm)

3)上堰0+178.486～上堰0+211.156

与右岸闸墩相接段段，657.0 m高程(闸坝溢流堰顶高程)以下为土石结构，为方便与右岸闸墩相接，657.0 m高程以上采用混凝土围堰(见图8)。

图8 上游围堰剖面示意(上堰0+178.486～上堰0+211.156)(单位：高程m，尺寸mm)

上游围堰与右岸闸墩连接大样(平面)示意见图9。

图9 上游围堰与右岸闸墩连接大样示意(平面)

2.6.3下游围堰

围堰为土石结构，迎水侧采用抛石护坡(见图10)。

图10 下游围堰剖面示意(单位：高程m，尺寸mm)

2.7 围堰拆除设计

围堰拆除施工选择在旱季末进行，拆除顺序依次为：关闭左岸取水口闸门、左岸1孔冲砂闸闸门、左岸2孔泄洪闸闸门、取水口处钢闸门→下游基坑预充水至大坝下游河床现状水位→上游基坑预充水至657.0 m高程→拆除下游围堰→桩号上堰0+211附近围堰破口→使左河汊、右河汊水位缓慢达到平衡→拆除上游围堰。

2.8 现场围堰实施情况

安哥拉当地时间2017年08月19日17：10，卢阿西姆水电站围堰顺利合龙，标志着该电站截流圆满成功，为取水口、冲砂闸、泄洪闸的改造施工的顺利进行打下坚实基础(围堰施工如图11～13所示)。

图11 上游围堰填筑施工示意

图12 上游围堰与右岸闸墩采用钢板连接示意

图13 上下游围堰、基坑全貌示意

截至2021年3月，取水口、冲砂闸、泄洪闸的改造施工已接近尾声，围堰的设计、施工、运行接受了卢阿西姆河多年洪水的考验，为主体工程建设的顺利推进发挥了重要作用。

3 体会与小结

1)为了设计方案更加切合实际，笔者于2016年5月前去现场进行查勘、调研并收集资料[3-6]，正好遇到冲砂闸、泄洪闸冲砂排洪，一时惊涛拍岸，蔚为壮观。通过现场察看分析，拟定了基本的导截流程序。实践证明，现场查勘很重要，笔者根据现场实际情况，制定的导流程序、围堰拆除程序，方案准确合理可行。

2)安哥拉无水利工程施工组织设计的相关标准、或参考标准，经与参建方沟通，采用中国的标准，使设计有理有据。

3)充分认识安哥拉河流水文特点，其雨季、旱季的时段分布正好与中国相反。

4)受语言、文化、规范标准、设计习惯等多因素影响，各参建方彼此沟通难度稍大，设计过程中的反复比较多。

5)上游围堰堰顶高程比溢流顶面高出2.7 m，设计采用混凝土子堰、角形钢板与右岸闸墩相接，解决了上游围堰与原闸墩的接头细节处理的难题。