?

某水电站枢纽截流方案设计

李峻岭1,　姜　鹏2

(1.安徽省水利水电勘测设计院, 安徽 合肥　230022; 2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院, 贵州 贵阳　550081)

摘　要：文章结合某水电站枢纽具体工程案例，论述枢纽施工导流中河道截流的设计过程，并对水力参数进行详细计算。工程采用立堵法截流，自左岸向右岸进占，预留龙口宽度为45 m，龙口最大截流流速为4.73 m/s，最大单宽流量为21.45 m3/(s·m)，截流采用石渣、块石截流和3 t块石串，平均抛投强度为446 m3/h，最高抛投强度为580 m3/h。

关键词：水电站；截流；方案设计

1　工程概况

某水电站枢纽位于贵州省北盘江干流,是北盘江干流水电梯级开发的重要枢纽工程,水库正常蓄水位为585 m,相应库容为1.365亿m3,电站装机容量为558 MW。工程属Ⅱ等工程,工程规模属大(2)型[1]。枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、引水系统、地下厂房及尾水系统5个部分组成。

枢纽坝址处河床狭窄,两岸较陡,洪枯流量变幅较大,采用分期导流或明渠导流方式空间不足,边坡开挖支护工程量大,工期长和投资多,且受河床束窄影响,水位壅高较多,纵向围堰和明渠的施工难度较大,因此,拟采用断流围堰及隧洞导流方式。上游围堰采用土石过水围堰加子围堰的结构形式,下游围堰为土石过水围堰。上游围堰过水部分堰顶高程为522.60 m,子堰顶高程为527.60 m,下游围堰堰顶高程为518 m。根据类似工程经验[2],导流隧洞为城门洞型断面,尺寸为11 m×12 m (宽×高),顶拱半径为7 m,直墙高为9.33 m,过流面积为123.104 m2。

2　截流设计

2.1　截流时段及流量选择

河道枯水期一般可分为汛后退水期(前段)、稳定枯水期(中段)和汛前迎水期(后段)[3]。截流时段应尽可能在枯水期较小流量时截流,并综合权衡截流、围堰施工困难程度,合理利用枯水期[4]。根据水文资料,北盘江一般从10月下旬进入枯水期,为保证上、下游围堰及基坑排水施工进度,满足主体工程施工工期要求,截流时间确定为11月上旬,采用5年一遇,11月上旬旬平均流量Q20%=303 m3/s作为截流设计流量。原河床戗堤处水位高程为508 m,最大水深约为5 m。

2.2　截流方式选择

常用河道截流方法有立堵法、平堵法2种,特殊截流方法有下闸截流、定向爆破截流法、梢捆、杩槎截流及水力冲填等[5]。其中,立堵法又分为单向进占和双向进占2种。本工程重点考虑立堵法和平堵法2种截流方式。

立堵法具有准备工作简单、造价较低及国内工程实践经验丰富的优点,但是立堵法水力学条件较差,河床冲刷严重,龙口处抛投体质量较大。平堵法龙口单宽流量较小,最大流速较低,且流速分布比较均匀,对河床冲刷小,截流材料单个质量较小,截流时工作前线长,抛投强度高,施工进度较快,但是平堵法要求先架设浮桥或栈桥,准备工作复杂[6]。

本工程坝址处于深切河谷,河床左岸相对较缓,公路布置条件相对较好;河床右岸覆盖层较浅,有基岩出露,抗冲刷能力强,具备做龙口条件。考虑到本工程工期紧张,平堵法架设栈桥困难,投资大,且施工截流机械化程度高,而立堵法在大型工程中施工经验丰富,因此,本工程采用立堵法截流。选择在上游围堰截流,龙口设在右岸,自左岸向右岸进占。截流戗堤轴线定在上游围堰轴线下游47 m,戗堤顶宽15 m,戗堤上游边坡坡度为1∶1.25,下游坡度为1∶1.5,堤头为1∶1.5。根据导流期间设计洪水及导流隧洞泄洪计算,设计戗堤顶高程为515.8 m,戗堤总长为56 m,预留龙口宽为45 m。

2.3　截流水力计算

戗堤预进占按10月下旬频率5年一遇的旬平均流量为431 m3/s设计,预进占区戗堤进占长度为11 m。龙口区进占按11月上旬频率5年一遇旬平均流量为303 m3/s设计,戗堤进占长度为45 m。

戗堤进占可划分为如下2个阶段:

(1) 第1阶段。戗堤进占直至坡角接触龙口对岸形成三角形断面为止,即龙口宽度B≥2mh,戗堤堤头边坡系数m=1.5,h为戗堤高度,即龙口宽度B≥3h。

(2) 第2阶段。戗堤坡角已接触龙口对岸,而形成三角形断面后直至最后合龙,即B<>h。

一般情况下截流时,河道截流设计流量[4]为

(1)

其中,Qg为龙口泄流量;Qd为分流建筑物分流量;Qr为上游河槽调蓄流量;Qs为戗堤渗流量。

本工程由于上游水库水面面积与水位上升率不大,上游河槽调蓄流量不大,偏保守考虑,不计上游河槽调蓄流量。根据戗堤上游水位,分别计算龙口泄流量、导流隧洞分流量和戗堤渗流量。

根据判别,导流隧洞属短洞,其分流量Qd按下式计算[4]为

(2)

其中,m为流量系数,取m=0.35;?s为淹没系数,自由出流时,取?s=1;b为隧洞口平均水面宽;H0为隧洞上游水头。

龙口泄流量Qg按下式计算[4]为

(3)

其中,m为流量系数,取

为龙口平均过水宽度(龙口宽度B≥2nh时,

,龙口宽度B<>nh时,

为龙口上游水头。

戗堤渗流量Qs按下式计算[4]为

(4)

(5)

其中,Ks为紊流渗透系数

0为龙口起始宽度

为截流进占过程中的龙口平均宽度;H为戗堤上游的平均水深;Z为上下游水位差;ls为平均渗径;P为戗堤高度;m1、m2为戗堤上、下游边坡系数;a为戗堤顶宽。

根据(2)～(4)式,计算不同上游水位条件下的Qd、Qg和Qs,绘制不同水位及龙口宽度条件下的流量曲线,作水力计算图解表(图略)。根据水力学连续性方程求得龙口平均流速v[7]。经计算,龙口水力学特性指标见表1所列。

表1　龙口水力学特性表

项目预进占龙口宽度/m56453525155上游水位/m509.33508.72510.05512.05513.82514.83Qd/(m3·s-1)25.4010.1248.6134.95232.48295.55Qg/(m3·s-1)402.3289.5241.614851.21.4Qs/(m3·s-1)3.14.212.821.219.16.2龙口底高程/m503.5503.7504.44506.31510.03513.92龙口断面形状梯形梯形梯形梯形三角形三角形龙口流态淹没出流淹没出流非淹没流非淹没流非淹没流非淹没流截流落差/m0.4680.5751.9053.9055.6756.685v/(m·s-1)2.903.174.734.273.51.72单宽流量/(m3·(s·m)-1)15.5614.118.8219.4810.451.23

2.4　截流材料选择

由于截流落差在龙口宽度25 m、15 m、5 m时都大于3.5 m,龙口水流能量大,流速高,截流难度大,需采取措施降低落差[8]。根据类似工程截流经验[9],选择龙口宽度10 m、落差6.31 m为截流控制条件,其措施采用下游围堰预进占,将落差分配为上游围堰处3.31 m,下游围堰处3.0 m。

截流用料主要为左岸卡沙坪弃渣场料,截流用大块石在左岸马场坡料场选用,堆放于戗堤旁边。抛投块体粒径根据下式计算为

(6)

其中,d为石块的当量直径;g为重力加速度;rs、r为块石、水的容重;v为计算流速;K为稳定系数,取0.9。经计算,不同龙口宽度最大抛石粒径见表2所列。

表2　最大抛石粒径计算成果表

B/mv/(m·s-1)d/m单块质量/t453.170.370.072354.730.830.808254.270.670.425153.500.450.12951.720.110.002

根据设计断面计算戗堤工程量,局部除采用石渣和块石截流外,选用3 t块石串进行龙口截流。经计算,预进占区设计总抛投量为0.45万m3,龙口区设计总抛投量为1.69万m3。考虑30%的备料量,预进占区总抛投储料量为0.59万m3,龙口区总抛投储料量为2.20万m3。

3　截流施工

采用挖掘机、装载机、汽车起重机、推土机及20 t自卸汽车进行截流施工,初步拟定48 h合龙,经计算,本次截流平均抛投强度为446 m3/h,考虑施工强度不均匀系数后,最大抛投强度为580 m3/h。采用20 t自卸汽车运料,戗堤顶单位宽度平均小时车次为2.5车/h,戗堤顶单位宽度最大小时车次为3.3车/h。截流前,由预进占段结合左岸截流公路部开挖,形成一个30 m×20 m的回车场,来料车一字排开停放于左岸2#公路旁,根据施工强度需要,并参考类似工程成功截流经验,左岸布置25辆20 t自卸汽车,卡沙坪渣场布置2台装载机、1台挖掘机及1台汽车吊。

4　结束语

截流在施工导流中占有重要的地位,是控制施工导流甚至整体工程施工进度的一个控制项目。截流无论在技术上还是施工组织上,都具有相当的艰巨性和复杂性,如果截流失败,失去了以水文年计算的良好截流时机,则可能拖延工期一年。因此,截流工程应进行周密设计和施工组织[10]。本文简单论述了截流设计过程,对于重要或难度较大的截流工程,在周密设计的基础上,还应进行水工模型试验验证,并提出截流期间相应的观测设施。

〔参考文献〕

[1]SL252-2000，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].

[2]夏言华，任金明，林淀翔，等.莲花水电站的施工导流和截流设计[J].水力发电，1997(5):22-25.

[3]宋孝玉，马细霞.工程水文学[M].郑州:黄河水利出版社，2009.

[4]水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册[M].北京:中国水利水电出版社，1996.

[5]颜宏亮，于雪峰.水利工程施工[M].郑州:黄河水利出版社，2009.

[6]《水利水电工程施工手册》编委会.水利水电工程施工手册[M].北京:中国电力出版社，2002.

[7]吴持恭.水力学[M].北京:高等教育出版社，2008.

[8]魏　璇.水利水电工程施工组织设计指南[M].北京:中国水利水电出版社，1999.

[9]陈伟锋，秦中平，吴朝月，等.土卡河水电站施工导截流设计[J].云南水利发电，2006,22(6):18-20.

[10]SL303-2004,水利水电工程施工组织设计规范[S].

收稿日期：2015-12-18；修改日期：2016-03-02

作者简介：李峻岭(1988-)，男，河南商水人，安徽省水利水电勘测设计院助理工程师．

中图分类号：TV855

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)01-0066-03