張 超,陳世全,龍軍飛,李玉珠,吳顯偉
(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)
大渡河雙江口水電站施工導流規(guī)劃與設計
張 超,陳世全,龍軍飛,李玉珠,吳顯偉
(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)
大渡河雙江口水電站礫石土心墻堆石壩壩高達312.00m,為世界第一高壩,其工程規(guī)模宏大,導流條件復雜。綜合考慮地形地質條件、樞紐布置、大壩施工等特性,施工導流分初期、中期和后期導流三個階段。文章從導流方式、導流標準、導流程序、導流建筑物設計、下閘封堵,以及初期蓄水與生態(tài)供水等方面簡要介紹了雙江口水電站施工導流設計的主要內容,為類似特高心墻堆石壩施工導流規(guī)劃與設計提供借鑒。
施工導流;導流程序;導流建筑物;生態(tài)供水;雙江口水電站
大渡河雙江口水電站位于大渡河流域水電規(guī)劃“3庫22級”開發(fā)方案的第5級,是流域上游控制性水庫[1]。工程為Ⅰ等大(1)型工程,樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統等組成。攔河大壩為土質心墻堆石壩,壩高達312.00m,壩頂高程2510.00m,為目前世界第一高壩。泄水建筑物包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞,其中洞式溢洪道、直坡泄洪洞及利用2#導流洞改建的放空洞位于右岸,利用3#導流洞改建的豎井泄洪洞位于左岸。引水發(fā)電系統布置于左岸,發(fā)電廠房采用地下式,廠內安裝4臺立軸混流式水輪發(fā)電機組,電站裝機容量200萬kW,多年平均年發(fā)電量約77.07億kW·h。經多方面論證,雙江口水電站建設的總體進度目標為:2015年汛后截(分)流、2022年底首臺機組發(fā)電、2024年6月完工。
施工導流設計作為大型水電工程建設成敗的關鍵環(huán)節(jié),對其進行系統研究意義重大[2]。本文針對雙江口壩高庫大,導流條件復雜,牽扯因素眾多等特點,從多個方面系統介紹施工導流設計的主要內容,為確保工程施工安全與質量,優(yōu)化施工方案提供技術支撐。
雙江口水電站壩區(qū)河段洪水量大、歷時長,壩址段河谷深切,谷坡陡峻,河谷呈略不對稱的“V”型谷,大壩心墻基礎需開挖至基巖,不具備明渠或分期導流條件。并且兩岸山體雄厚,基巖出露,巖性以花崗巖為主,具有良好的隧洞布置條件,因此采用隧洞導流方式。
心墻堆石壩結構特性要求大壩施工期基坑不宜過水。同時,本工程規(guī)模巨大,發(fā)電經濟效益和社會效益顯著,控制第一批機組發(fā)電的關鍵線路為壩體施工,而大壩基礎處理及壩體填筑工程量大,若采用枯期導流時段,汛前大壩填筑形象面貌難以滿足擋水度汛的要求,從而影響發(fā)電工期,因此采用全年導流時段。
綜上所述,本工程采用“圍堰全年擋水、隧洞導流”的導流方式。
根據大壩施工進度、導流方案等,施工導流分為3個階段,即初期、中期和后期導流。
導流建筑物級別為3級,對于土石類導流建筑物,相應的導流標準為重現期50~20年。本工程水文實測和歷史洪水考證年限相對較長,樣本數量較多,經統計分析得到的頻率洪水分布比較接近河流的自身特性,穩(wěn)定性較好,歷史上曾發(fā)生過大于30年一遇的洪水,考慮到本工程規(guī)模巨大,圍堰失事將對工程造成重大損失。采用風險決策等方法[3]對不同標準進行技術經濟比較,最終選定重現期50年一遇作為初期導流標準,相應設計流量4790m3/s。
根據施工進度安排,結合規(guī)程規(guī)范,2020、2021年壩體施工期臨時度汛標準分別選用100年一遇和200年一遇,相應設計流量5300、5810m3/s。
2021年11月1#導流洞下閘封堵,2022年壩體度汛選用300年一遇(500年校核)設計標準,相應設計流量為6080(6460)m3/s;2020年9月底壩體填筑到2426.00m,超過死水位2420.00m高程,大壩具備死水位發(fā)電條件。2022年12月底第一臺機組開始發(fā)電,2023年壩體度汛標準選用500年一遇(1000年校核)洪水標準,相應設計流量為6460(6960)m3/s。
本工程規(guī)模巨大,按期截流、下閘及蓄水發(fā)電,經濟效益顯著,設計洪水標準宜選用規(guī)范規(guī)定的上限值。
截流標準采用10年一遇旬平均流量,截流時段為2015年11月中旬,相應流量為399m3/s。
導流洞下閘標準采用10年一遇旬平均流量。
導流洞封堵施工時段采用20年一遇洪水標準。
水庫蓄水標準為保證率75% ~85%,本工程按保證率上限85%考慮。
由于樞紐工程規(guī)模巨大,圍堰工程量也相對較大,上游圍堰堰基防滲采用的封閉式混凝土防滲墻最大墻深71m,堰體最大高度56m。在基礎處理工程量大的情況下,一個枯期完建實現擋水、度汛,難度較大。因此,根據工程實際進展情況,圍堰防滲墻及堰體填筑分兩個枯水期施工。計劃于2015年進行分流,分流后由1#導流洞及過水圍堰過流,2016年進行河床截流。
初期導流從2015年11月中旬分流,到2020年2月壩體填筑超過圍堰頂高程,共40個月,期間由上下游圍堰擋水,1#導流洞過流。2016年11月上旬工程截流,1#導流洞過水,填筑上、下游圍堰。2017年 5月底,圍堰竣工。2017年 6月至2020年2月,1#導流洞下泄設計洪水(50年一遇洪水)4790m3/s時,上游水位2305.20m,上游圍堰頂高程2308.00m。
中期導流從2020年3月到2021年10月底1#導流洞下閘前,共20個月。2020年2月,壩體填筑到2309.00m,此時壩體施工可不需要圍堰保護。2020、2021年汛前,壩體分別填筑至 2320.00、2368.00m高程,由壩體臨時斷面形成的庫容分別為0.55、2.64億m3,其壩體臨時擋水度汛洪水標準分別選用100年一遇和200年一遇,流量分別為5300、5810m3/s,此時由壩體擋水,1#導流洞泄流、度汛,相應上游水位為 2314.10m和2323.70m。
后期導流從2021年11月 ~2024年4月,共30個月。2021年11月1#導流洞下閘,2021年11月~2022年4月,1#導流洞堵頭施工,由1#導流洞封堵閘門和壩體擋水,2#導流洞泄流。1#導流洞堵頭施工初期,由布置在左岸的施工期生態(tài)供水洞向下游供水,以滿足下游環(huán)保用水要求,堵頭施工后期由布置在右岸的2#導流洞向下游供水。
2022年5月底壩體填筑至高程2418.00m,2022年6月~2022年9月壩體擋水度汛設計洪水標準選用300年一遇,校核洪水標準選用500年一遇,流量分別為6080、6460m3/s,由壩體擋水,2#導流洞聯合3#導流洞泄流、度汛,相應上游水位分別為2409.35m和2413.49m。
2022年9月底壩體填筑至2426.0m,超過死水位2420.00m高程,工程具備蓄水發(fā)電條件。2022年10月底安排2#導流洞下閘,11月底庫水位蓄至2420.00m后,12月底第一臺機組即可投入運行。2022年10月~2021年4月封堵2#導流洞,并改建成放空洞,封堵堵頭施工期間由2#導流洞封堵閘門和壩體擋水,3#導流洞泄流。工程發(fā)電后由3#導流洞、放空洞、深孔泄洪洞和提前發(fā)電機組單獨或聯合泄流、度汛,并調節(jié)發(fā)電水位保持在最低發(fā)電水位2420.00m高程以上。
2023年5月底壩體填筑高程至2468.00m,2023年6月~2023年10月壩體擋水度汛設計洪水標準選用500年一遇,校核洪水標準選用1000年一遇,流量分別為6460、6960m3/s,此時由壩體擋水,3#導流洞聯合放空洞、深孔泄洪洞及提前發(fā)電機組單獨或聯合泄流、度汛,調蓄后相應上游水位分別為2447.60m和2451.11m。
2023年11月初3#導流洞下閘,2023年11月~2024年4月,3#導流洞堵頭施工,封堵堵頭施工期間,由3#導流洞封堵閘門和壩體擋水,放空洞聯合深孔泄洪洞泄流并保持上游水位在2425.00m左右。
2024年4月底,壩體完建,由永久泄水建筑物過流。
雙江口水電站導流建筑物由上、下游圍堰,3條導流洞和1條生態(tài)供水洞組成,其中1#導流洞、3#導流洞和生態(tài)供水洞布置于左岸,2#導流洞布置于右岸,總體平面布置如圖1所示。
圖1 導流建筑物平面布置圖
上游圍堰為全年土石圍堰,與大壩上游壓重區(qū)全結合,采用復合土工膜心墻接混凝土防滲墻型式。堰頂高程2308.00m,最大堰高56m,堰頂軸線長約245m,堰頂寬度12m,上游坡比為1∶2.00,下游坡比為1∶1.75。堰體采用復合土工膜心墻進行防滲,復合土工膜最大高度36m,堰基防滲采用封閉式混凝土防滲墻,防滲墻最大深度71m,墻下設帷幕灌漿。防滲墻施工平臺以下防滲體及堆筑體為分流過水圍堰,先行施工。
下游圍堰為全年土石圍堰,與大壩下游壓重區(qū)全結合,采用復合土工膜心墻接混凝土防滲墻型式,堰頂高程2265.00m,圍堰最大堰高20m,堰頂軸線長約157m,堰頂寬度10m,上游坡比為1∶1.75,下游坡比為1∶2.00。堰體采用復合土工膜心墻進行防滲,復合土工膜最大高度10.50m,堰基防滲采用封閉式混凝土防滲墻,防滲墻最大深度72m,墻下設帷幕灌漿。防滲墻施工平臺以下防滲體及堆筑體為過水圍堰,先行施工。
結合水工樞紐布置及壩區(qū)地形、地質條件,對導流洞布置方案進行研究時,考慮主要布置原則有:①充分考慮導流建筑物與水工永久建筑物的結合,以減少工程投資,中、后期導流盡量利用永久泄洪建筑物;②導流建筑物的布置,除滿足過流要求外,還需考慮下游生態(tài)供水及封堵閘門下閘、擋水和運行等條件要求。
根據本工程大壩施工進度安排,為降低導流洞運行期、封堵期風險,同時兼顧防洪發(fā)電及下游供水要求,選擇導流建筑物分三層布置:1#導流洞布置在左岸,進口高程 2261.00m,出口高程2247.00m;2#導流洞布置在右岸,進口高程2340.00m,出口高程2260.0m,與放空洞部分結合;3#導流洞布置在左岸,進口高程2360.00m,出口高程2273.86m,與豎井泄洪洞部分結合。
(1)初期導流洞
綜合考慮單洞泄量、隧洞布置條件、隧洞結構、截流、下閘封堵及投資等技術經濟指標,確定初期導流采用1條導流洞方案。綜合比較導流工程運行、投資情況,同時滿足圍堰在一個枯水期完建擋水要求,并結合導流模型試驗成果確定1#導流洞斷面為15m×19m(寬×高),相應上游圍堰最大高度為56m。1#導流洞布置在左岸,洞線采用雙彎道布置,進口高程為2261.00m,出口高程為2247.00m,洞身長度1522.61m。
(2)中后期導流洞
綜合分析水工泄水建筑物布置、中后期導流壩體擋水度汛要求,導流洞運行、封堵,盡量降低工程投資等要求,兩岸各布置一條2#、3#導流洞。
2#導流洞布置在右岸,采用長有壓隧洞接無壓隧洞形式,無壓段與水工放空洞以“龍?zhí)ь^”方式部分結合。2022年11月~2023年4月,2#導流洞下閘封堵后,改建成放空洞。2#導流洞按長有壓隧洞設計,總長1999.40m。導流洞進口設置岸塔式閘室,進口底高程為 2340.00m,塔頂高程2380.00m,后接方圓形有壓隧洞,漸變段長為20m,有壓洞尺寸 9m×13.5m(寬 ×高),長度727.14m,有壓段出口采用1∶4壓坡結構,出口斷面尺寸9m×10.5m(寬×高),2#導流洞在樁號0+627.14m前隧洞底坡4.15‰,0+627.14m至有壓出口壓坡段底坡2%。無壓段采用城門洞型斷面,長1224.26m,底坡6.11%,尺寸11m×15.5m(寬×高)。
3#導流洞布置在左岸,與豎井泄洪洞部分結合布置,按短有壓隧洞設計。2023年11月~2024年4月,3#導流洞下閘封堵后,改建為豎井泄洪洞。3#導流洞布置在左岸,與豎井泄洪洞部分結合布置,隧洞進口底高程2360.00m,出口底高程2273.86m,洞身全長 1593.45m,隧洞底坡5.41%,其中結合段長933.21m。3#導流洞按短有壓隧洞設計,進口設置岸塔式閘室,閘室尺寸50m×20.5m×94m(長 ×寬 ×高)。進口閘室內設置平板封堵閘門及調洪水位發(fā)電的工作閘門,平板門孔口尺寸10.5m×11m(寬 ×高),工作門孔口尺寸10.5m×9m(寬×高),其間采用1∶5的水流壓板,工作閘門后無壓隧洞尺寸12m×16m(寬×高)。
由于1#導流洞進口高程與2#導流洞進口高程高差較大,經初步蓄水計算,按11月上旬85%蓄水保證率來量269m3/s,將水蓄至2#導流洞進口底高程2340.00m下游需斷水4.8天。
施工期生態(tài)供水洞布置在左岸,其任務是完成1#導流洞下閘后向下游供水,直至水位上升至2#導流洞進口高程以上,并由2#導流洞下泄供水。
施工期生態(tài)供水洞采用有壓隧洞后接無壓隧洞型式,進口高程2268.00m,出口高程2253.00m,隧洞全長1456.23m,分為有壓段、閘室段、無壓段。其中有壓段為城門洞型,斷面尺寸4.50m×6.00m(寬×高),長138.30m,底坡為平坡;閘室段長15.00m,閘室底高程2268.00m,內設弧形控制閘門,尺寸4.50m×5.50m(寬×高);無壓段為城門洞型,斷面尺寸5.50m×6.50m(寬 ×高),長1302.94m,底坡1.15%。
本工程各導流洞和生態(tài)供水洞完成相應使命后均需進行封堵,堵頭結構均為1級建筑物,結構安全級別1級,經堵頭穩(wěn)定計算,結合大壩施工進度安排和水文條件等,擬定各隧洞下閘封堵計劃表如表1所示。
根據水利部水資源論證規(guī)范要求,結合本工程河道水文情況,初期蓄水期間須滿足向下游供水的流量不小于121m3/s。為此,在2268.00m高程設置施工期生態(tài)供水洞,利用弧形工作閘門控制下泄流量。
表1 隧洞下閘封堵計劃表
各時段蓄水標準均為來水保證率為85%的流量。1#導流洞2021年11月下閘封堵,1#導流洞采用單孔接力下閘,待上游水位超過2275.60m后全部下閘,后由施工期生態(tài)供水洞向下游供水。
11月85%保證率流量為269m3/s,在滿足向下游供水121m3/s流量前提下,蓄水分兩階段進行。①第一階段(下閘至 2320.00m):第一階段水位2320.00m以下壩前水位上升速度對壩體穩(wěn)定影響較小,壩前水位上升速度不控制,水位由2275.60m蓄至2320.00m需歷時4.1天;②第二階段(2320.00~2343.70m):水位在2320.00m以上,壩前水位上升速度對壩體穩(wěn)定影響較大,應控制水位上升速度。因高水位時施工期生態(tài)供水洞泄量較大,可滿足控制壩前水位上升速度要求,第二階段按1m/天蓄水速度將水位由2320.00m蓄至2343.70m(2#導流洞進口高程為2340.00m,此時滿足下泄121m3/s要求)需歷時23.7天。
2022年9月底,壩體填筑到2426.00m高程,超過最低發(fā)電水位2420.00m高程,工程具備蓄水發(fā)電條件。2022年10月下旬2#導流洞下閘,下閘初期由進口閘門局開使上游水位至3#導流洞進口高程2360.00m,后由3#導流洞調節(jié)控制下泄流量,水庫開始蓄水。3#導流洞進口高程2360.00m對應庫容2.09億m3,發(fā)電死水位2420.00m,對應庫容為8.15億 m3。蓄水標準采用10月下旬保證率85%的流量514m3/s。
經初步計算,在滿足向下游供水121m3/s流量前提下,上游水位由2#導流洞蓄至3#導流洞進口需95h,此后在滿足壩前水位上升速度要求前提下,按1.5m/天蓄水速度將水位由3#導流洞蓄至發(fā)電死水位2420.00m需歷時40天。經一個月的調試,2022年12月底第一臺機組可投入運行。
結合地形地質條件,樞紐布置情況,以及大壩施工進度安排,綜合考慮水庫分期蓄水、提前發(fā)電,以及下閘封堵和生態(tài)供水等要求,通過可研階段大量的科研攻關研究,形成雙江口水電站施工導流規(guī)劃與設計的主要成果:
(1)本工程施工導流分為3個階段,即初期、中期和后期導流。初期導流采用“圍堰全年斷流,隧洞泄流”的導流方式,圍堰采用二期施工,提前分流的方式。
(2)施工導流洞采用了分層布置格局。同時,利用2#導流洞改建為放空洞,利用3#導流洞改建為豎井泄洪洞,有效降低了投資。
(3)特布置一條生態(tài)供水洞銜接蓄水滿足了下游河道生態(tài)供水的要求,解決了1#、2#導流洞進口高差較大帶來的環(huán)保難題。
本文成果為類似300m級特高心墻堆石壩施工導流規(guī)劃與設計提供了參考。
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TV551.1
B
1672-2469(2017)10-0148-05
10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.042
2017-05-22
成都勘測設計研究院青年科技基金項目(P294-2015)
張 超(1985年-),男,高級工程師。