秘鲁某电站引水枢纽工程施工导流设计

暴艳利，曾俊

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津市 300222）

0 引言

水利工程作为比较重要的基础性工程，对经济发展有着积极的促进作用，施工导流则是水利水电工程中一项十分重要的措施，必须精细周密地设计安排［1］。水利工程施工导流方案的选择是一个复杂的多目标决策问题，其主要目的是在备选方案中寻找施工费用指标、工期指标、施工导流风险指标和施工难度指标最优的方案［2］。本文采用不同导流设计标准相结合的方式进行导流建筑物设计，提出了最优的导流设计方案。

1 工程概况

秘鲁某电站工程位于ARAZA河上，该河道纵坡较大，水流湍急。该项目是从电站上游约4.0 km处布置引水枢纽，并从该处通过隧洞引水至电站进行发电。引水枢纽靠4孔弧门挡水，单孔孔口尺寸为8.0 m×5.5 m（宽×高），在取水口处设置平板闸门以方便控制水流及拦截河道漂浮物。引水枢纽所在河道宽约40 m左右，两岸山体覆盖层较厚，主要为砂质粉土、砂或粉土质砂，含次棱角～次圆形砾石、卵石，为冲洪积层，渗透系数为10-3～10-4cm/s。

2 导流标准

本工程主体建筑物为3级，按照《水利水电工程施工组织设计规范》（SL 303—2017）规定，导流工程保护对象级别为3级，导流工程按5级建筑物标准设计；导流挡水建筑物为土石结构，其洪水标准为重现期5～10 a。鉴于河流水文实测资料系列较短，导流建筑物洪水标准采用上限值，即10年一遇。不同导流时段的洪峰流量—水位关系如下所示（见表1）。

表1 设计洪峰流量—水位关系表

3 导流时段

引水枢纽有效施工工期为18个月，结合进度安排，采用分期导流方案，根据汛期是否停工两种导流时段进行比选（见表2）。

表2 导流时段对比表

方案1为汛期停工方案，一期先围右岸，利用左岸扩挖后的河床过水，过水断面宽度约15 m，汛期停工并拆除一期围堰；二期利用引水坝段的纵向导墙及二期上、下游围堰继续围右岸，进行右岸工程施工，汛期停工并拆除二期上、下游围堰；三期围左岸，利用已建好的右岸一道闸孔过水。方案2为汛期不停工方案，与方案1不同的是：二期上、下游围堰采用全年围堰，保证右岸工程汛期不停工。其中，方案1中的二期围堰为枯水期围堰，围堰工程量较小；方案2中的二期上、下游围堰为全年围堰，围堰工程量较大。从围堰工程量角度分析，方案1围堰工程量较小，但因围堰长度较短，两方案围堰工程投资相差较小。同时，方案2能保证汛期不停工，大大缩减了施工工期，保证了施工的连续性。因河道较窄，若一期导流时段采用全年导流，纵向围堰体型较大，河道过流能力不满足要求。鉴于以上分析，施工采用方案2作为本工程的导流时段。

4 导流方案

引水枢纽坝址处两岸山体覆盖层较厚，若采用隧洞导流，导流工程投资较大；河床较窄且无滩地，不具备明渠导流条件。对局部河床扩挖后具备分期导流条件，故本工程采用分期导流方案。结合进度安排，分三期实施：一期采用枯水期围堰先围右岸，利用左岸扩挖后的河床过水，过水断面宽度约15 m，进行闸坝右岸坝段施工，同时完成右岸1号闸室及纵向导墙的浇筑。二期拆除一期上、下游及纵向围堰，利用引水坝段的纵向导墙及二期上、下游围堰继续围右岸；二期上、下游围堰为全年围堰，进行右岸坝段及取水口工程施工，保证了右岸工程汛期不停工。三期采用枯水期围堰围左岸，利用已建好的右岸一道闸孔过水，进行左岸坝段施工。

5 导流建筑物设计

5.1 一期围堰

一期围堰填筑后原河床过流能力不足，考虑扩挖另一侧河床过流，扩挖后过水断面底宽按15 m考虑。纵向围堰长度与上游水深之比大于20，按明渠泄流计算方法计算。分期导流过流均采用能量方程推水面线方法计算明渠进口处下游水深，公式如下：

式中，Z上、Z下为上、下游断面水位（m）；V上、V下为上、下游断面流速（m/s）；Q为设计流量（m3/s）；ΔS为上、下游断面间距（m）；a为动能修正系数；ζ为局部阻力系数；K上、K下为上下游断面流量模数，通过公式计算，其中：A为过水断面面积（m2），R为过水断面水力半径（m），n为河床糙率。

求得明渠进口下游侧水深，以该水深作为堰后水深，采用宽顶堰公式计算上游水位，从而确定上游围堰高程。明渠进口处水流按宽顶堰计算：

式中，Q为设计流量（m3/s）；m为流量系数；σ为淹没系数；ε为侧收缩系数；B为过水宽度（m）；H为堰前水深（m）；H0为计入行近流速的上游总水头（m），取H0=H。

经计算，引水枢纽一期围堰上游水位为1 887.51 m。

5.2 二期围堰

二期围堰设计标准为全年10年一遇洪水，上、下游及纵向围堰按设计洪峰流量288 m3/s设计。二期围堰填筑后左侧河床过水，过水断面底宽按30 m考虑。水力学计算方法同一期围堰，经计算，引水枢纽二期围堰上游水位为1 885.97 m。

5.3 三期围堰

围堰设计标准为5—10月10年一遇洪水，相应洪峰流量113 m3/s。二期利用右岸1号闸孔过流，根据闸孔泄流曲线得出三期上游围堰水位为1 886.40 m（见图1）。

图1 右岸1号闸孔泄流曲线

一期围堰结构形式为土石结构。堰体填筑采用开挖料，迎水侧坡面采用40 cm厚抛石护坡，下铺30 cm过渡层，中间铺设复合土工膜作为堰体防渗，迎水侧坡面防护结构延伸长度不小于围堰高度，过渡层采用中粗砂。顶宽3.0 m，上游边坡坡比均为1∶2.0，下游边坡坡比均为1∶1.5。纵向围堰连接上、下游围堰，高程顺接。二期围堰由上、下游围堰及纵向围堰组成。二期上、下游围堰结构形式基本与一期围堰结构形式相同，纵向围堰采用混凝土结构。三期围堰由上、下游围堰及纵向围堰组成，三期上、下游围堰结构形式基本与二期围堰结构形式相同（见图2）。

图2 围堰标准断面

6 结语

与纯土石结构的全年围堰相比，二期导流利用永久导墙作为纵向围堰不仅减少了围堰工程投资，还保证了河道过流能力；与枯水期围堰相比，上、下游围堰采用全年围堰可保证汛期不停工。本工程采用枯水期+汛期+枯水期组合的分期导流方式，汛期不停工，保证了施工的连续性，大大缩减了工期。