正斗水电站施工导流设计

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  摘要:正斗水电站为长隧洞引水式电站,本文结合水文条件、地形地质条件等,介绍了该工程的施工导流设计过程及设计要点。
  关键词:施工导流 设计 正斗水电站
  1.工程概况
  正斗水电站位于四川省甘孜藏族自治州乡城县西南部,是定曲河干流乡城~得荣段八级开发方案中的第二个梯级电站,其上、下游分别与松多和水若电站衔接,为低闸坝引水式开发,主要任务为发电,无通航、灌溉、防洪等综合利用要求。枢纽建筑物由首部枢纽、左岸引水系统、岸边地面式厂房组成。首部枢纽从左至右依次为左岸接头土石坝、左岸重力坝、泄洪冲沙闸及右岸重力坝,坝顶轴线长度106.25m,坝顶高程2946.5m。引水系统布置于左岸,由进水口、引水隧洞、调压室、压力管道等组成,全长12577.85m,于首部枢纽左岸坝头取水,采用一洞供两机。厂房装机2×12.3MW,额定水头72.0m,额定流量2×18.64m3/s。
  乡城~得荣四级公路从厂址附近经过。厂址距乡城县城公路里程约86km,距得荣县城公路里程76km,对外交通条件较好;首部距最近的通县柏油公路有长约13km的崎岖乡间山路,进场交通不便。
  2.导流条件
  2.1 气象水文条件
  定曲河流域位于甘孜州西南部,属高原山地气候,气温较低,冬季长,无霜期短,降水较少,旱雨季分明。流域洪水主要由大雨形成,基本受同一天气系统影响,降雨、洪水发生时间较为一致,6~10月为汛期,大洪水主要发生在7~9月,洪水过程多呈单峰或双峰,一般单峰过程7天左右,双峰过程达10天左右。坝址及厂址施工洪水成果表见表1。
  2.2 地形地质条件
  定曲河为金沙江上游左岸一级支流,总体呈北东向南西流向。区域内两侧河谷深切,河床狭窄,坡降大,河谷形态以“V”型峡谷为主。坝址处河床较宽阔,地形平坦,呈“U”型,高程2938m~2840m,左、右岸地形坡度在20°~50°之间。厂房位于正斗乡政府上游约400m坡脚处定曲河一级阶地上,地形相对较平坦,高程2859.5m~2860.5m。坝址、厂房河谷及两岸地表均为第四系覆盖,覆盖层较厚,最厚处约 30m。引水线路线路所经山体高大,植被茂盛,沿线地形起伏较大,主要经过九条冲沟,在冲沟内多见小型崩塌和小型浅层土质滑坡,自然边坡稳定性较差。引水隧洞围岩主要为泥质板岩、砂质板岩与砂岩互层,分成Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三类。
  3.导流方式及导流标准
  3.1 导流方式
  3.1.1 首部枢纽导流方式及导流时段
  由于坝址两岸覆盖层较厚,导流隧洞成洞及支护困难,不宜采用一次拦断河床围堰导流方式。综合考虑建筑物布置特点、河流水文特性和地形、地质条件等因素,选定首部枢纽施工导流采用分期围堰导流方式。从表1看出,坝址河流洪枯水位变幅较大。根据施工总进度安排,首部枢纽可分两个枯水期完成施工。经比较分析,初步选定各期导流时段均为11月1日至次年5月31日。
  3.1.2 厂房导流方式及导流时段
  正斗水电站厂房为地面厂房,根据厂房建筑所在位置的地形地质及布置特点,采用在左岸河床及岸边填筑围堰、扩宽河床右岸过流的导流方式。考虑到厂房施工是控制工期的关键项目,采用全年围堰围护基坑施工。为减少围堰占用河道及河道往右岸扩宽工程量,全年围堰部分布置在尾水渠范围,该部位在围堰拆除降低高度后施工,导流时段为1~3月。
  3.2 导流标准
  正斗水电站装机24.6MW,总库容为30.79万m3。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180-2003)的规定,本工程属于四等工程,永久性水工主要建筑物级别为4级,次要建筑物级别为5级,相应临时性水工建筑物即围堰级别为5级。当5级临时性水工建筑物类型为土石时,洪水重现期为5~10年。因引水隧洞各施工支洞进口底高程均高于全年20年一遇洪水位,故各支洞口不需进行施工导流。
  3.2.1 首部枢纽导流标准
  根据当地建材资源及工程开挖料情况,围堰采用土石结构型式。由于枯水期11月~次年5月,5年一遇和10年一遇流量相差仅为8.0m3/s,在同等规模泄流的条件下,上游水位仅相差约0.38m。两导流设计标准相应的导流工程投资相差不大,考虑到河流水文特性,本阶段选用10年一遇洪水作为导流设计洪水标准。
  综上所述,首部枢纽两期施工导流标准均选用10年一遇11月1日至次年5月31日的洪水,相应导流流量为44.0m3/s。
  3.2.2厂房导流标准
  围堰采用土石结构型式,根据施工总进度要求,选用全年洪水作为导流设计洪水标准。因全年5年一遇和10年一遇流量相差仅为45m3/s,在同等规模泄流的条件下,上游水位仅相差约0.45m。两导流设计标准相应的导流工程投资相差不大,考虑到河流水文特性及厂房施工是控制工期的关键项目,本阶段选用10年一遇洪水作为导流设计洪水标准。
  因此,厂房施工导流标准选用10年一遇全年洪水,相应导流流量309m3/s,被围堰压占部分的尾水渠施工导流标准选用10年一遇1~3月的洪水,相应导流流量19.5m3/s。
  4.施工导流方案
  4.1 首部枢纽导流方案
  根据首部枢纽布置特点、地形地质条件及施工总进度要求,首部枢纽导流采用两期两段围堰的分期导流方式。拟定以下两个方案进行比较分析:
  方案一:一期先围左岸,由右岸主河槽导流;二期施工右岸,由一期完建的冲沙闸导流。
  方案二:一期先围右岸,由左岸开挖而成的导流明渠导流;二期施工左岸,由一期完建的冲沙闸导流。
  两个方案的导流工程量、投资基本相同,因此,投资方面不制约两个方案的选择。从对外交通方面比较,对外交通公路在左岸,对方案一一期工程施工有利。从满足施工进度方面比较,因为进水口在左岸,在一个枯水期内完成进水口段(含部分洞挖)、左岸重力坝段、冲砂闸段的土建及金属结构安装比较困难,工期难以保证,但方案一的一期工程在一个枯水期内只需施工到坝顶高程,坝顶以上的启闭机排架及金结安装可以在汛期及下个枯水期发电前完成,这样工期比较有保证。   根据以上分析比较,首部枢纽施工导流选定一期先围左岸的分期导流方案,具体叙述如下:
  一期利用围堰围护左岸基坑,施工进水口、左岸重力坝、一孔泄洪冲沙闸,导流标准为10年一遇11月~次年5月的洪水,导流流量为44.0m3/s,由右侧主河槽导流。二期由一期完建的冲沙闸导流,利用围堰及一期完建的导墙围护右岸基坑,施工其余三孔泄洪闸坝段及右岸重力坝,导流标准为10年一遇11月~次年5月的洪水,导流流量为44.0m3/s。
  4.2 厂房导流方案
  厂房导流方案采用在左岸边填筑全年土石围堰施工主、副及安装间,河道右岸扩宽导流,在枯水期围堰拆除降低高度后施工被围堰覆盖部分的尾水渠。导流标准为全年10年一遇的洪水,导流流量309m3/s,被围堰压占部分的尾水渠施工导流标准选用10年一遇1~3月的洪水,导流流量19.5m3/s。
  5.导流建筑物设计
  5.1 首部枢纽导流建筑物设计
  首部枢纽导流建筑物主要的一、二期土石围堰。
  一期围堰由上、下游及纵向围堰组成,轴线全长213.9m。一期上、下游围堰采用土石围堰,上游围堰挡水水位为2940.49m,堰顶高程为2941.50m,轴线长55.9m;下游围堰挡水水位为2939.41m,堰顶高程为2940.50m,轴线长44.5m;上、下游围堰迎水面坡度1:2.0,背水面坡度1:1.5,迎水面采用0.5m厚大块石护坡。纵向围堰为尽量少占用河道以便导流,采用麻袋装砂砾石与土石相结合,内侧采用土石填筑,两外侧各2.0m采用麻袋装砂砾石填筑,迎、背水面坡度均为1.0,堰顶高程在2941.50~2940.5m间变化,轴线长113.5m。一期工程施工将对外交通公路临时挖断,过往车辆及施工车辆均须从围堰顶通过,因此考虑围堰顶作为临时过坝交通道路,顶宽按双车道考虑为7.0m。
  一期围堰堰体及基础均采用高压摆喷灌浆形成防渗板墙防渗。上游围堰由于水位较高及基坑建基面高程较低,根据砂砾卵石层允许水力坡降值计算,高喷防渗墙需灌至砂砾卵石层底部并伸入岩土分界线下0.5m,纵向围堰及下游围堰高喷防渗墙根据砂砾卵石层允许水力坡降值计算可采用悬挂式,防渗墙深20~10m。
  二期上、下游围堰利用一期完建的一孔泄洪冲沙闸导墙作为连接部分,上游围堰挡水水位为2940.98m,堰顶高程为2942.00m,轴线长56.3m;下游围堰挡水水位为2939.41m,堰顶高程为2940.50m,轴线长90.3m。上游围堰有一段落在完建的溢流坝混凝土铺盖及反坡段上,下游围堰有一段落在混凝土护坦及干砌石海漫上,受完建段长度的限制,均采用麻袋土石围堰填筑,迎背水面坡度均为1:0.3,最大堰高4.0及3.5m,顶宽按单车道考虑定为5.0m。其余部分采用土石填筑,迎水面坡度1:2.0,背水面坡度1:1.5,顶宽5.0m,迎水面采用0.5m厚大块石护坡,最大堰高分别为3.5m及3.0m。由于一期已完建的泄洪冲沙闸底高程为2938.0m,而进出口处河滩高程为2939.0~2940m,为使水流能顺畅的通过泄洪冲沙闸,在已建冲沙闸进出口开挖导流渠使上、下游河床衔接,上游导流渠底高程2940.0m~2938.0m,下游导流渠底高程2938.0m。
  二期围堰堰体及基础均采用高压摆喷灌浆形成防渗板墙防渗。上游围堰由于水位较高及基坑建基面高程较低,根据砂砾卵石层允许水力坡降值计算,高喷防渗墙需灌至砂砾石层底部并伸入岩土分界线下0.5m,纵向导墙部位防渗板墙由于仅靠基坑,高喷防渗墙深度同上游围堰,该部位灌浆已随同纵向导墙施工在一期工程中已完成,下游围堰高喷防渗墙根据砂砾卵石层允许水力坡降值计算可采用悬挂式,防渗墙深10m。
  5.2 厂房导流建筑物设计
  厂房全年围堰采用土石填筑,因全年围堰已占用部分河道,为恢复原河道过流能力,须进行河道疏通和扩宽,河道疏通扩宽部分底高程2856.00m,最大开挖宽度30.0m,开挖边坡1:2.0,坡面采用500mm厚干砌石护坡,河道疏通扩宽后,通过不溢槽流量时的最大流速约2.76m/s,不会对砂砾石河床造成冲刷。全年围堰挡水水位为2859.86m,堰顶高程2861.0m,轴线长163.3m,迎背水面坡度均为1:1.5, 迎水面采用0.5m厚大块石护坡。厂房施工时将对外交通公路临时挖断,过往车辆及施工车辆均须从厂房围堰顶通过,因此围堰顶需作为临时交通道路,顶宽按双车道考虑为7.0m,最大堰高5.4m。堰体及基础均采用高压摆喷灌浆形成防渗板墙防渗。由于厂房基坑开挖底高程较低,根据砂砾卵石层允许水力坡降值计算,高喷防渗墙高喷防渗墙需灌至砂砾卵石层底部并伸入岩土分界线下0.5m。
  枯水期围堰为全年围堰削低降坡而成,挡水水位为2856.94m,堰顶高程2858.0m,迎水面坡度1:1.5,背水面坡度1:0.5,顶宽3.0m。
  6. 截流
  根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303-2004)的规定,截流标准可以采用重现期5~10年的月或旬平均流量。
  根据定曲河的水文特性、本工程导流程序及施工总进度安排,首部枢纽截流时间选择在第三年10月初,截流标准选用10年一遇10月平均流量35.4m3/s,截流后上、下游水位分别为2940.58m和2939.41m,截流水位落差约为1.17m。截流方式采用上游单戗堤由左向右进占、立堵截流方式,截流戗堤与上游横向围堰相结合。
  7 围堰度汛
  根据施工总进度安排,首部枢纽一、二期工程在一个枯水期可完成施工,一、二期围堰只使用一个枯水期,首部枢纽围堰不需度汛。
  厂房围堰为全年围堰,充水缺口布置于围堰下游侧,长20.0m,深1.5m,充水缺口段底部高程2859.50m。在基坑缺口处及两侧10m范围内侧边坡及底部铺钢筋笼,以保护围堰。根据水情预报,当预报洪水出现超过围堰挡水标准并持续增加时,在洪水过堰之前预先厂房基坑充水,以确保围堰安全。
  8.下闸蓄水
  根据施工总进度计划安排,第四年4月底,主体工程的首部枢纽、引水隧洞和厂房已基本完工,水库具备蓄水条件,泄流冲沙闸可下闸蓄水。
  本电站为引水式电站,正常蓄水位以下库容为30.79万m3,按保证率P=80%的4月平均流量Q=7.29m3/s计算,约12个小时即可蓄水至正常蓄水位。两台机组发电时间安排在第四年5月初。
  9.结语
  正斗水电站的施工导流设计,顺利通过了项目业主对可行性研究设计及施工总布置专题的审查,并于2010年10月开工建设正斗水电站,说明设计是合理恰当的。
  参考文献
  [1] 广西电力工业勘察设计研究院. 四川省甘孜州定曲河正斗水电站可行性研究报告[R]. 南宁:广西电力工业勘察设计研究院,2008.
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