宋茂興

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 475000)

兩底孔交替導(dǎo)流在水電站大壩修復(fù)改造中的應(yīng)用

宋茂興

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 475000)

以埃塞俄比亞阿巴薩姆爾水電站工程中大壩進(jìn)水口和底孔改造為例，介紹了壩區(qū)修復(fù)改造的主要任務(wù)，并根據(jù)壩區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)條件，確定了兩底孔交替導(dǎo)流施工方案，闡述了具體的施工技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期的施工效果。

水電站，大壩，底孔，導(dǎo)流

1 工程概況

阿巴—薩姆爾水電站項(xiàng)目位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴附近，該項(xiàng)目由于年久設(shè)備老化、年久失修、水庫(kù)淤積、暴雨沖毀引水渠道和壓力前池，于1974年廢棄至今。本項(xiàng)目是我國(guó)政府開(kāi)展的對(duì)外援助項(xiàng)目，主要施工任務(wù)是立足于充分利用現(xiàn)有的大壩、廠房等原有設(shè)施，改建引水系統(tǒng)，在原廠房?jī)?nèi)重新安裝總?cè)萘考s為6.6 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)阿巴—薩姆爾水電站的發(fā)電功能。本工程屬于壩后引水式水電站，大壩由兩岸漿砌石擋水壩段、河床漿砌石溢流壩段和引水(沖沙底孔)壩段所組成。

2 壩區(qū)的修復(fù)改造任務(wù)分析

2.1 主要任務(wù)內(nèi)容

大壩單位工程的主要施工任務(wù)是大壩維修工程、取水口和底孔改造工程。其中大壩取水口和底孔改造工程是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。主要工作內(nèi)容包括:壩身取水口為原攔河壩取水壩段的壩身機(jī)組取水口改造而成。修復(fù)后的壩身取水口由改造壩身進(jìn)水口+取水鋼管組成。進(jìn)水口前設(shè)有攔污柵和檢修閘門。取水鋼管直徑1.5 m，總長(zhǎng)約107 m，外包混凝土。

原設(shè)計(jì)有的2個(gè)沖沙底孔，改造后原左側(cè)底孔封堵，右側(cè)底孔進(jìn)行改造加長(zhǎng)，出口引至壩后下游的泄槽內(nèi)，用作沖沙放空通道。底孔進(jìn)水口底板高程仍為499.20 m，底孔前設(shè)有攔污柵和檢修閘門，改建后，底孔水平埋管后接長(zhǎng)約15.5 m直徑為0.8 m的水平明管，明管末端設(shè)置手動(dòng)閘閥控制水流，將沖沙水流匯入Akaki河(施工改造范圍和布置見(jiàn)圖1和圖2)。

圖1 壩身進(jìn)水口及底孔改造平面布置示意圖

2.2 施工現(xiàn)場(chǎng)條件分析

根據(jù)各方面條件分析，施工現(xiàn)場(chǎng)的有利條件主要有:1)施工所用土料可在庫(kù)區(qū)內(nèi)就近開(kāi)采。2)施工改造工程量不大。

施工現(xiàn)場(chǎng)的不利條件較多，主要有:1)來(lái)水量極不均勻，實(shí)施中根據(jù)每日來(lái)水和泄水條件流量分析實(shí)際的日平均流量比水文信息提供的數(shù)據(jù)大2倍以上，在11月份最大流量為2.5 m3/s，在1月份～3月份為1.5 m3/s。一天內(nèi)有多個(gè)水位高峰，不排除上游非正常降雨情況，還會(huì)發(fā)生超正常流量現(xiàn)象。2)施工期2月～4月均有降雨量，會(huì)產(chǎn)生枯水期的洪水，可能會(huì)給施工造成極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。3)施工場(chǎng)地狹小，施工效率很低。4)兩底孔正常沖水排沙，壩內(nèi)與引水涵管串聯(lián)，水流最終匯入引水系統(tǒng)，部分在溢流通道溢出。5)兩底孔凈間距僅6.0 m，河槽淤積層深厚。6)底孔在壩前匯流處的沖溝很窄，最寬處僅6.5 m。

圖2 壩身進(jìn)水口及涵管改造剖面布置示意圖

3 主要施工方案的確定

本項(xiàng)目在施工組織上，從前期策劃就把壩區(qū)改造工程作為項(xiàng)目的難點(diǎn)，在實(shí)施前反復(fù)論證施工方案。根據(jù)施工任務(wù)和施工圖紙及現(xiàn)場(chǎng)條件綜合分析，施工按照“由低到高”和“先難后易”的順序原則，確定主要施工流程如下。

最終確定的主要施工順序(包括導(dǎo)截流施工任務(wù))為:施工道路修筑→1號(hào)導(dǎo)流涵管埋設(shè)→橫向圍堰進(jìn)占→縱向圍堰施工→2號(hào)溢流涵管埋設(shè)→橫向圍堰合龍→右側(cè)底孔改造(一期導(dǎo)流)→施工進(jìn)水口改造和壩內(nèi)壓力鋼管安裝(兩底孔同時(shí)導(dǎo)流)→左側(cè)底孔封堵(二期導(dǎo)流)。

導(dǎo)截流方式的確定是保證施工任務(wù)完成的基礎(chǔ)。項(xiàng)目最終確定采用非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導(dǎo)流方式，兩底孔間采用縱向鋼籠圍堰隔斷水流。

4 施工難點(diǎn)分析

進(jìn)水口和底孔改造的施工本身施工難度并不大，難度最大的是水流的控制。采取什么擋水建筑物，什么導(dǎo)水建筑物，底孔改造時(shí)的干地施工條件怎么實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)流能力怎么滿足等多項(xiàng)施工難題擺在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面前。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)認(rèn)為充分認(rèn)識(shí)到實(shí)施的難點(diǎn)是解決這些難點(diǎn)的前提。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件的不利因素分析，導(dǎo)截流施工主要難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)有:1)縱向圍堰施工。兩底孔底坎高程低于進(jìn)水口底坎4.6 m，根據(jù)上游水位和基礎(chǔ)淤積深度及兩底孔凈寬限制(據(jù)前述僅6.0 m)，縱向圍堰的成堰難度極大?？v向圍堰堰體與壩體接觸面的防滲問(wèn)題難以解決，滲漏量的控制能否滿足施工條件也是風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一。2)兩底孔串水問(wèn)題。兩底孔在壩內(nèi)最終匯入引水渠道，存在混流和串水，導(dǎo)流時(shí)可能有回水問(wèn)題。解決導(dǎo)流通道的獨(dú)立運(yùn)行條件和可能的回流問(wèn)題是難點(diǎn)之一。3)單個(gè)底孔的導(dǎo)流能力不足。兩底孔的孔徑均為80 cm，按照小孔口自由出流公式計(jì)算Q=μA√2gH0=0.62×0.311×6=1.86 m3/s(其中，H0為上游水頭，取2 m;μ=0.62)，考慮到底孔管路的水頭損失最終的出流流量應(yīng)小于該流量。因此可以判定單個(gè)底孔的泄流能力不能滿足正常泄水能力。此問(wèn)題是導(dǎo)流的最大難題之一。4)單個(gè)底孔導(dǎo)流時(shí)所配套的導(dǎo)流涵管的導(dǎo)流能力的匹配與否將決定圍堰的安全和底孔進(jìn)口前池的正常運(yùn)行。如導(dǎo)流涵管太大，底孔泄水能力不足會(huì)導(dǎo)致縱向圍堰被淹。如果太小，又會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)流能力不足，影響橫向圍堰的安全。

5 兩底孔交替導(dǎo)流方案的實(shí)施

5.1 主要施工方法描述

本工程采用非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導(dǎo)流方式(平面布置見(jiàn)圖3)。其主要方法是利用現(xiàn)有底孔工作條件，按照科學(xué)的施工順序，首先進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)路鋪筑和河道截流進(jìn)占施工，施工須按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)并保證安全。當(dāng)截流進(jìn)占到1號(hào)底(左側(cè)底孔，下述按1號(hào)底孔;右側(cè)底孔下稱2號(hào)底孔)附近時(shí)沿河道方向埋設(shè)φ1.2 m長(zhǎng)25 m的1號(hào)鋼管(涵管)，鋼管進(jìn)口方向挖明渠平順引入河道水流，出口方向?qū)?zhǔn)1號(hào)底孔。1號(hào)涵管出水口管口底部高程與底孔底坎高程基本一致為EL500 m(實(shí)際施工時(shí)因底部為巖基，出口高于底孔為EL501.5)。涵管按照4%的坡度設(shè)置，出口低于進(jìn)口。

圖3 兩底孔交替導(dǎo)流和水流控制平面布置示意圖

其次是繼續(xù)進(jìn)行截流進(jìn)占，同時(shí)完成縱向圍堰的施工?？v向圍堰采用鋼籠圍堰，鋼籠寬度參照進(jìn)水口外側(cè)寬度(保證堰體緊貼壩體立面，方便卡位防止縱向位移)，長(zhǎng)度根據(jù)進(jìn)水口前河槽寬度確定，深度經(jīng)人工探測(cè)河槽底部斷面和淤泥深度推測(cè)確定(鋼籠尺寸為6 m高×6 m長(zhǎng)×4.1 m寬;人工探測(cè)時(shí)在架設(shè)預(yù)先制作好的寬1 m，長(zhǎng)12 m的棧橋上進(jìn)行)，鋼籠兩側(cè)用10 mm厚的鋼板焊接封閉，預(yù)留局部小孔作為排水之用?；\體就位后周邊用袋裝粘土填充，中間填充淤質(zhì)粘土等防滲材料，起到擋水作用。導(dǎo)流施工重要的創(chuàng)新點(diǎn)之一是施工至主河槽中心前，埋設(shè)2號(hào)導(dǎo)流管(涵管)。2號(hào)導(dǎo)流涵管進(jìn)水口管口底部高程設(shè)置在EL503，同樣采用φ1.2 m的鋼管，長(zhǎng)10 m，進(jìn)出口位置保持與圍堰堰體的距離，減少水流沖刷破壞。之后，在截流前加高戧堤填筑圍堰至EL504 m，在縱向圍堰具備擋水條件后，選擇合適時(shí)段進(jìn)行截流(河道水位小時(shí)在下午)。截流完成后，立即進(jìn)行戧堤的加高使圍堰整體達(dá)到初步的設(shè)計(jì)高程。

以上工作完成之后，基本具備了擋水和泄水條件。

5.2 水流控制的解決

水流控制的解決是本工程的難點(diǎn)，能否解決好這個(gè)難題，是底孔進(jìn)水口改造施工成敗的關(guān)鍵，也是兩底孔交替導(dǎo)流成功的關(guān)鍵(水流控制平面布置見(jiàn)圖3)。在此，詳細(xì)說(shuō)明導(dǎo)流施工難點(diǎn)的解決辦法。

兩底孔串水問(wèn)題的解決。在具備導(dǎo)流的基本條件后，受串水影響的是右側(cè)底孔改造和沖沙管安裝作業(yè)及壩內(nèi)壓力鋼管安裝。在施工安排上，首先進(jìn)行沖沙管的安裝。施工前，在兩底孔導(dǎo)流的條件下采用液壓沖擊錘將2號(hào)底孔下游側(cè)的引流室外墻打通，打通后水流直接通過(guò)墻體空洞外泄，同時(shí)也給沖沙管安裝創(chuàng)造安裝條件。為避免串水影響，導(dǎo)流布置上采取兩底孔都不導(dǎo)流的辦法，在施工日下午4時(shí)，來(lái)水量最小時(shí)，關(guān)閉1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)流涵管進(jìn)水口，兩個(gè)工作日分別完成施工準(zhǔn)備和安裝工作。就此2號(hào)導(dǎo)流底孔的水就可以直接排到河里，相應(yīng)解決了此底孔的串水問(wèn)題。2號(hào)底孔的串水問(wèn)題是在2號(hào)底孔導(dǎo)流的條件下采用液壓沖擊錘將1號(hào)底孔下游側(cè)的引流室外墻打通，讓水不再引流至壩內(nèi)直接排出進(jìn)入原引水渠。然后將壩內(nèi)的串水口進(jìn)行漿砌石封堵，堵塞串水通道。采取這一系列辦法后，串水問(wèn)題徹底解決，給壩內(nèi)老混凝土鑿除和壓力鋼管安裝創(chuàng)造了施工條件。

導(dǎo)流涵管的設(shè)置解決了與底孔導(dǎo)流能力匹配的問(wèn)題。涵管的埋設(shè)位置和高程以及配置較大的涵管直徑恰到好處的解決了涵管配合底孔交替導(dǎo)流的匹配問(wèn)題。

表1 施工和導(dǎo)流時(shí)段設(shè)置說(shuō)明

導(dǎo)流能力不足問(wèn)題的解決。針對(duì)此問(wèn)題的解決，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的提出并實(shí)施了導(dǎo)流涵管臨時(shí)閘門來(lái)控制水流，通過(guò)導(dǎo)流時(shí)段調(diào)節(jié)水流，很好的解決了水流控制和導(dǎo)流能力不足的大難題。臨時(shí)閘門采用12 mm厚鋼板，通過(guò)與涵管進(jìn)口法蘭盤(pán)的平面接觸在水壓力的作用下達(dá)到密閉作用。在關(guān)閉狀態(tài)下，只有少量滲水，才能達(dá)到關(guān)閉效果。底孔改造工作任務(wù)重，是受導(dǎo)流影響最大的項(xiàng)目，通過(guò)涵管臨時(shí)閘門的控制，施工導(dǎo)流時(shí)段得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)來(lái)水量大時(shí)(河道水位高)兩底孔導(dǎo)流，來(lái)水量小時(shí)一個(gè)底孔導(dǎo)流，順利的給底孔和進(jìn)水口改造施工創(chuàng)造了施工條件。

具體導(dǎo)流時(shí)段設(shè)置可見(jiàn)以下敘述和表1。

5.3 導(dǎo)流時(shí)段

根據(jù)大壩取水口和底孔改造任務(wù)及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，施工節(jié)點(diǎn)目標(biāo)定為2016年3月31日前完成全部進(jìn)水口和底孔的改造任務(wù)。施工任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，首要的前提是導(dǎo)流方案的成功，分解后的各部分詳細(xì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的完成需與導(dǎo)流時(shí)段的分解和成功實(shí)施相匹配，來(lái)保障有效的施工時(shí)間，也就是干地施工時(shí)間的實(shí)現(xiàn)。具體詳細(xì)施工節(jié)點(diǎn)和導(dǎo)流時(shí)段設(shè)置見(jiàn)表1。

6 結(jié)語(yǔ)

正常情況下，大壩修復(fù)改造工程的施工難度都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新建工程的難度的。本工程施工改建中，采取非汛期全段圍堰法涵管配合底孔交替導(dǎo)流方式并且成功應(yīng)用，在實(shí)施中通過(guò)采取多種措施，順利解決了多個(gè)技術(shù)難題，創(chuàng)造性的進(jìn)行水流控制并利用導(dǎo)流時(shí)段的安排，出色的完成了施工任務(wù)。本項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)的證明了兩底孔交替導(dǎo)流這個(gè)科技創(chuàng)新推動(dòng)了工程的順利進(jìn)行，極大的促進(jìn)了工程各方面效益的取得。

The application of two under ports alternating river diversion in dam repair transformation of hydropower station

Song Maoxing
(China Water Conservancy and Hydropower 11th Engineering Limited Company，Zhengzhou 475000，China)

Taking the under port transformation of dam water inlet in Ethiopia Samur ABA hydropower station engineering as an example，this paper introduced the main tasks of dam area renovation，and according to the site conditions of dam area，identified the construction scheme of two under ports alternating river diversion，elaborated specific construction technology，achieved the desired construction effect.

hydropower station，dam，under port，river diversion

TV738

:A

1009-6825(2016)36-0223-03

2016-10-16

宋茂興(1981-)，男，工程師