王萬千，郭 成，吳先俊，李 鵬，康向文

(1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.四川大渡河雙江口水電開發(fā)有限公司，四川 馬爾康 624099)

近年來，在國家西部大開發(fā)、西電東送的發(fā)展戰(zhàn)略中，中國已建、在建的200m以上的高壩大多為堆石壩[1]，且多在河流上游，河谷狹窄，水流速度大，推移質(zhì)含量高，導(dǎo)流建筑物布置困難，大多采取分期單導(dǎo)流洞過流方式導(dǎo)流。對于這些重大的國家工程，國內(nèi)外現(xiàn)成工程經(jīng)驗相對較少，特別是300m級的特高堆石壩在低高程的過流隧洞長期運行之后，遭受沖刷破壞的案例屢見不鮮，輕者影響運行及下閘，重者對工程造成較大損，甚至危及下游人民生命財產(chǎn)安全。因此，開展300m級的特高堆石壩導(dǎo)流洞下閘前檢修方案及導(dǎo)流洞檢修期間過流替代方案研究的必要性及意義日益突出。

本文依托312m高的雙江口礫石土心墻堆石壩工程，對300m級特高堆石壩導(dǎo)流洞超期運行后的施工期生態(tài)供水洞功能拓展進(jìn)行了研究，經(jīng)過水力學(xué)計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了集“供水、控泄、檢修、應(yīng)急”等多功能于一體的特高心墻堆石壩施工期生態(tài)供水洞，該方案在雙江口水電站得到了較好的應(yīng)用，同時可為類似工程問題提供借鑒。

1 依托工程概況及背景

1.1 工程概況

雙江口水電站是大渡河干流上游控制性龍頭水庫電站，是國家電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃的重點項目，具有“高海拔、高壩、高地應(yīng)力、高流速、高邊坡、高寒”等特點。雙江口水電站為一等大(1)型工程，樞紐主要建筑物由礫石土心墻堆石壩、洞式溢洪道、漩流式豎井泄洪洞、深孔泄洪洞、放空洞、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等工程建筑物組成。雙江口水電站最大壩高312m，為世界第一高壩，采用壩式開發(fā)，總裝機(jī)容量2000MW[2]。

1.2 施工導(dǎo)流情況

雙江口水電站采用圍堰一次斷流，基坑全年施工的隧洞導(dǎo)流方式[3]。初期導(dǎo)流由上、下游圍堰擋水，1#導(dǎo)流洞過流。中期導(dǎo)流由壩體臨時度汛斷面擋水，1#導(dǎo)流洞過流。后期導(dǎo)流由壩體擋水，2#、3#導(dǎo)流洞和完建的深孔泄洪洞和放空洞過流。各階段導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 雙江口水電站各階段導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn) 單位：m3/s

1.3 1#導(dǎo)流洞運行特點

(1)為初、中期導(dǎo)流唯一泄流通道。次低高程的 2#導(dǎo)流洞比 1#導(dǎo)流洞高80m，一旦1#導(dǎo)流洞失事，后果不堪設(shè)想。

(2)運行時間長?？裳袑彾ǖ?#導(dǎo)流洞運行時間為5年，根據(jù)工程建設(shè)實際情況，運行時間可能長達(dá) 8 年或者更久。

(3)進(jìn)口高程低。1#導(dǎo)流洞進(jìn)口引渠與河床基本同高為 2262.50m，渠前基本無攔渣庫容。

(4)基本不具備檢修條件。本工程初期導(dǎo)流洞只有一條 1#導(dǎo)流洞，不具備檢修條件。

(5)河道推移質(zhì)較大。根據(jù)可研報告，雙江口電站壩址處中水年推移質(zhì)年輸沙量為 29.1×104t/年，約 14.55×104m3/年。根據(jù)大金水文站河段床沙顆粒級配，粒徑大于施工期生態(tài)供水洞設(shè)計調(diào)整方案100mm 的推移質(zhì)占 62.4%，約 9.08×104m3/年。1#導(dǎo)流洞上游布置有：河口渣場、英戈洛渣場、業(yè)隆溝渣場、河口石料場、1#砂石骨料加工廠及臨河各生產(chǎn)生活場地，還有紅旗大橋、G317 改線等在建大型臨河項目，均可能產(chǎn)生沿河掉渣。

1.4 施工期生態(tài)供水洞擴(kuò)展功能及其必要性

根據(jù)雙江口水電站 1#導(dǎo)流洞運行特點，為確保雙江口 1#導(dǎo)流洞運行及下閘安全，并為其創(chuàng)造檢修維護(hù)條件，考慮將施工期生態(tài)供水洞功能進(jìn)行擴(kuò)展[4- 7]：

(1)為 1#導(dǎo)流洞運行期創(chuàng)造檢修條件。雙江口水電站 1#導(dǎo)流洞可研設(shè)計運行時間 5 年，實際運行時間可能為 8 年甚至更長，1#導(dǎo)流洞具有運行時間長、運行條件較差、不具備檢修條件的特點。為確保 1#導(dǎo)流洞的運行安全，有必要研究將低高程的施工期生態(tài)供水洞作為1#導(dǎo)流洞運行期檢修洞的可行性。

(2)為 1#導(dǎo)流洞下閘應(yīng)急封堵創(chuàng)造條件[8- 11]。鑒于雙江口水電站 1#導(dǎo)流洞運行時間長，運行條件較差，如 1#導(dǎo)流洞閘室沖刷破壞且無法檢修，下閘封堵將面臨一定困難。為確保 1#導(dǎo)流洞的下閘封堵成功，有必要研究將低高程的施工期生態(tài)供水洞作為 1#導(dǎo)流洞應(yīng)急封堵的備用泄流通道。

2 施工期生態(tài)供水洞設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

(1)滿足不斷流：1#導(dǎo)流洞下閘后，保證下游河道不斷流。

(2)滿足生態(tài)供水泄流能力：泄流能力需滿足下泄最小生態(tài)流量 121m3/s。

(3)滿足水庫蓄水上升速度控制要求：根據(jù)可研報告，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(yīng)控制水庫 2320.00m 以上水位上升速度不高于1m/d。按 11 月份 85%來流量 269m3/s 考慮，當(dāng)下泄流量 243m3/s，續(xù)存 26m3/s 時，可保證水庫水位上升速度小于 1m。

(4)滿足擴(kuò)展功能的下泄流量要求：檢修 1#導(dǎo)流洞時的下泄流量。

(5)滿足施工要求：施工期生態(tài)供水洞進(jìn)出口等位置需滿足現(xiàn)場施工布置等要求。

(6)滿足擴(kuò)展功能所需的其他要求。

2.2 方案擬定

根據(jù)對比分析，1#導(dǎo)流洞檢修施工采用相應(yīng)時段5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)[12]。

2.2.1方案一：招標(biāo)階段設(shè)計方案

施工期生態(tài)供水洞采用有壓隧洞后接無壓隧洞型式，進(jìn)口高程2268.00m，出口高程 2253.00m，隧洞全長 1451.233m，分為有壓段、閘室段、無壓段、出口明渠段。其中有壓段為城門洞型， 斷面尺寸4.5m×6.0m(寬× 高)，長143.291m，底坡為平坡；閘室段長 15.0m，閘室底高程 2268.00m，內(nèi)設(shè)弧形控制閘門，孔口尺寸 4.5m×5.5m(寬×高)；無壓段為城門洞型，斷面尺寸 5.5m×6.5m(寬×高)， 長 1292.942m，底坡 13.606‰和 4.991‰，出口明渠段長 23.417m。

2.2.2方案二：進(jìn)口降低方案

在方案一基礎(chǔ)上，將施工期生態(tài)供水洞進(jìn)口高程由 2268m 降低至 2262.5m，有壓段和閘室段底板高程、閘室豎井高度和無壓段底坡相應(yīng)調(diào)整，其余洞線布置、洞室斷面尺寸和出口高程與方案一保持相同。

2.2.3方案三：進(jìn)口降低并擴(kuò)大洞徑方案

在方案二基礎(chǔ)上將有壓段、閘室孔口和無壓段斷面尺寸由 4.5m×6m、4.5m×5.5m、5.5m×6.5m 分別擴(kuò)大至 8.5m×7m、8.5m×6.5m、8.5m×7m 和 8.5m×5.2m，工作弧門和閘室斷面尺寸相應(yīng)加大。

2.3 水力學(xué)計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1水力學(xué)計算

無壓流泄流能力計算采用寬頂堰流公式[13- 14]：

(1)

式中，Q—泄流流量，m3/s；m—流量系數(shù)，取0.33；B—隧洞洞寬，m；H0計入行進(jìn)流速的上游水頭，m。

有壓流泄流能力按有壓自由出流計算公式：

(2)

式中，μ—流量系數(shù)，與有壓洞沿程水頭損失和各部分局部水頭有關(guān)，經(jīng)計算取值 0.723；A—孔口面積，m2；H—閘門孔口底部以上水深，m；h—孔口斷面高度，m。

通過公式(1)—(2)計算可知，方案一、方案二、方案三極限泄流能力分別為285、285、348m3/s。

2.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過水力學(xué)計算成果，對施工期生態(tài)供水洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，3個方案對比情況，見表2。

表2 雙江口水電站施工期生態(tài)供水洞三方案機(jī)構(gòu)設(shè)計成果

2.4 方案比較

通過水力學(xué)計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計，對上述3個方案各項設(shè)計指標(biāo)、主要優(yōu)點、缺點進(jìn)行比較分析，見表3。

表3 雙江口水電站施工期生態(tài)供水洞設(shè)計指標(biāo)及優(yōu)缺點對比

通過比較分析可知：

(1)方案一中施工期生態(tài)供水洞僅考慮 1#導(dǎo)流洞下閘后的施工期生態(tài)供水和控制水庫蓄水上升速度，無法作為在1#導(dǎo)流洞出現(xiàn)險情或檢修時的備用過流通道，且無法無法為1#導(dǎo)流洞檢修提供干地施工的條件。同時，受目前地形地質(zhì)及布置條件限制，進(jìn)出口及豎井施工仍有一定難度。

(2)方案二相對方案一工程投資增加不多，但可適當(dāng)降低 1#導(dǎo)流洞下閘封堵時的封堵水頭和1#導(dǎo)流洞臨時堵頭施工的施工水頭，進(jìn)口需預(yù)留巖埂，建設(shè)難度相比方案一稍大。

(3)方案三在滿足施工期生態(tài)供水、控制水庫蓄水上升速度的同時，增加了對1#導(dǎo)流洞在枯期檢修時的過流泄水功能；

(4)方案三洞徑比原設(shè)計方案增加 1m 左右，豎井尺寸有所增大，工程投資和建設(shè)難度有所增加。同時1#導(dǎo)流洞進(jìn)口檢修圍堰閉氣及拆除有一定難度。

3 結(jié)論及建議

(1)拓展施工期生態(tài)供水洞功能，通過降低其進(jìn)口高程，適當(dāng)加大斷面尺寸，從而實現(xiàn)枯期小流量時段1#導(dǎo)流洞干地檢修條件或下閘應(yīng)急封堵條件是可行的。

(2)鑒于本工程建設(shè)的實際情況，1#導(dǎo)流洞運行時間可能為8年或者更長，已較大大超出了1#導(dǎo)流洞的原設(shè)計使用年限。為應(yīng)對 1#導(dǎo)流洞超期運行產(chǎn)生的沖蝕破壞風(fēng)險和下閘封堵風(fēng)險，制定相應(yīng)檢修預(yù)案，將施工期生態(tài)供水洞進(jìn)口高程降低并擴(kuò)大其洞徑作為檢修泄流通道是必要的，雖投資有所增加，但其社會效益明顯，對本工程有利。

(3)為確保 1#導(dǎo)流洞運行和下閘安全，建設(shè)單位在確保安全的情況下應(yīng)定期對 1#導(dǎo)流洞的沖蝕破壞情況進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果制定修復(fù)方案。若 1#導(dǎo)流洞破壞嚴(yán)重確需修復(fù)，則最遲需要在1#導(dǎo)流洞下閘前一年的枯期修復(fù)完成，因此，須采用方案三，并盡早完成施工期生態(tài)供水洞施工。

(4)考慮到施工期生態(tài)供水洞與1#導(dǎo)流洞距離較近，建議施工期采取“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、嚴(yán)監(jiān)測”等工程措施，避免對1#導(dǎo)流洞運行安全產(chǎn)生不利的影響。