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对一种河床宽窄不明显的坝式水电站新型导流方式的探索

2017-11-03  GXF360


摘 要:某水电站属高山峡谷地区,由于地形、地质条件复杂,江面宽窄特征不明显,前期移民难度大,施工导流设计的难度较大,采用常规的施工导流方式不能取得满意的效果。结合工程特点,通过采用一次拦断与分期拦断组合导流方式,达到了枢纽布置较优、费用节省、工期短、前期移民难度降低等目的。

关键词:坝式水电站;施工导流;一次拦断与分期拦断组合导流方式

1 工程概况

某大型水电站位于云南省境内,装机容量为1 100 MW。工程以发电为主,兼顾灌溉等综合效益,枢纽工程主要由挡水、泄洪及冲沙、灌溉、电站引水系统及坝后式电站厂房等建筑物组成。拦河坝采用碾压混凝土重力坝,最大坝高为94 m,坝顶轴线长510.6 m,从左至右依次为左岸挡水坝段、厂房挡水坝段、导墙坝段、溢流坝段和右岸挡水坝段。

2 自然条件

河道由近南北向流入坝区,呈反“S”形。地形左缓右陡,河谷呈宽缓“U”形分布,主河道位于右岸,江水湍急。径流主要来自降水,兼有融雪补给,丰沛且稳定,年平均流量为1 720 m3/s。洪水主要由暴雨形成,最大洪水在5月~10月均有出现,但多集中在7月和8月,具有涨水历时短且增加快,退水历时长且缓慢的特点。

河床高程约670.00 m,枯水期水深4~6 m,江面宽70~150 m。河床覆盖层较浅,一般为2.4~8.5 m,江心分布两个基岩小岛。左岸山体较雄厚,720.00 m高程以上为山坡,坡度25°~40°,以下为沉积为主的Ⅰ级阶地及河漫滩,冲积层厚5.7~30 m,沿江边一带无覆盖层,有基岩露头分布,枯水期露出江面,顺河向有两块较大条带状基岩出露,顺河向长度分别约90 m和270 m,宽25~50 m。右岸为山脊,坡度35°~50°,岸边以侵蚀为主,覆盖层浅薄,厚0~7.7 m,河边有基岩出露。

右岸为石炭系块状致密玄武岩夹少量含杏仁玄武岩,强卸荷带深度一般为11~50 m,坝肩以上深度为73~97 m;左岸为三叠系白云岩,强卸荷带深度为5~29 m,白云岩具有隐节理发育的特点,但围岩为钙质胶结且镶嵌紧密,经过现场试验,具备一定洞径导流隧洞的成洞条件。

主要地质构造为河床部位分布的玄武岩和白云岩不整合接触带及沿接触带发育的断层破碎带F86,该破碎带宽度不一,总体宽10~30 m,以高倾角为主。F86附近发育F100和F107等较小规模断层。另外,坝址下游右岸发育B1风化破碎岩体。

3 导流特点和存在问题

按照相关规范[1]和常规设计思路,坝式水电站一般以下采用两种施工导流方式。

(1)如果河道较窄,且地质条件较好,可以采用隧洞导流或岸边明渠导流方式,即一次拦断河道以后全段修建水工枢纽工程的施工导流方法,如龙开口水电站、天花板水电站[2-3]。其突出优点是水工枢纽布置不受施工导流布置制约,缺点一方面是发电工期通常较长,工程费用也较大,另一方面初期导流水位相对较高,对前期移民难度及总工期造成不利影响[4]。从本工程具体来讲,采用一次性拦断河床的隧洞导流方案,具有导流程序简单,全年围堰大基坑施工条件优越,工期保证性好的优点,但由于洪水流量大,需开挖2条大断面的导流隧洞(16 m×19 m),因左岸白云岩隐节理发育、右岸强卸荷发育和B1风化破碎岩体,均制约了布置大断面导流隧洞的条件,存在潜在安全隐患。由于导流隧洞规模较大,导流费用较大。发电工期和总工期分别为5年6个月和6年6个月,工期较长,且还存在围堰挡水位较高,前期移民人数较多(达到3 413人),前期移民实施可行差和项目推进难度大等突出的现实问题。

(2)如果河道较宽,可采用分期导流方式,即分期拦断河道以后逐期逐段修建水工枢纽工程,如白沙水库、三峡电站[5- 6]。其突出优点是施工期度汛水位控制相对灵活,缺点是水工枢纽工程布置受制于施工导流方式,调整余地较小,且纵向围堰对不明地质条件的适应性较差,有一定风险[4]。从本工程具体来讲,在左岸滩地裸露基岩上修建一期上、下游纵向混凝土围堰,利用原河床和溢流坝段设置导流底孔进行分期导流,避免了开挖导流隧洞,节省了导流费用。但受地形、地质限制,溢流坝段前后引渠边坡的开挖范围大,且多为土质边坡,支护难度大,存在潜在安全隐患;一期上、下游纵向混凝土围堰及导墙坝段十分靠近左岸F86断层破碎带区域,局部覆盖层深厚,修建纵向混凝土围堰的条件受到一定限制,更重要的是针对不可预见地质处理的调整余度非常小,工期保证性较差。同时从水工枢纽布置的角度分析,为了配合分期导流布置,将溢流坝段调整布置在左岸,偏离了主河道而不利于泄洪消能;右岸的坝后厂房边坡开挖范围较大,针对强卸荷的地质条件,其支护处理难度大,因此水工枢纽布置条件较差。本方案的发电工期和总工期分别为5年零2个月和6年零2个月,工期仍较长。

在选择施工导流方案时应综合考虑对自然条件、枢纽布置的适应性,有利于加快施工进度,有利于临永结合和减少工程总费用等因素[7]。由于本工程河道的宽窄特征不明显,两岸及河床地质条件不理想,通过以上施工导流方案比较,发现两种常规导流方案均存在问题,无论采用哪种方案均不能取得令人满意的效果,因此需要另辟蹊径重新研究本工程的施工导流问题。

4 施工导流方案研究

首先从工程特点入手进行更深入的分析。本工程从水工枢纽布置分析,枢纽为典型的河床式布置,溢流坝位于右岸主河床,坝后式发电厂房位于左岸滩地,可结合坝体布置纵向围堰;从地形、地质分析,两岸山体雄厚、坡度较陡,适合布置导流隧洞,但洞径不宜过大;从水文条件分析,洪、枯水期流量悬殊,适合采用枯水期围堰挡水、汛期基坑过流。基于以上特点,综合考虑节省费用和缩短工期,探索了有别与常规的一次拦断与分期拦断组合的施工导流方式。

根据以上分析,归纳出总体思路:充分利用左岸滩地的裸露基岩修建一期上、下游纵向混凝土围堰,形成一期独立、全年基坑进行左岸坝段及厂房基坑的全年施工,使处于关键线路上的坝后发电厂房提前施工,缩短了发电工期;二期基坑的枯水期来水由小断面导流隧洞泄流,汛期洪水由导流隧洞和溢流坝基坑联合宣泄,降低费用,减少初期移民人数,并确保一期基坑内的坝后发电厂房全年施工。

最后根据总体思路进行细化,具体的施工导流程序安排如下:

(1)一期导流。第1年12月~第2年11月。在一期上下游横向土石围堰及纵向混凝土围堰、导墙坝段的围护下,进行左岸厂房坝段及坝后发电厂房的全年施工;同时施工左岸的2条小断面导流隧洞,洪水由束窄的原河床泄流。

(2)二期导流。第2年12月~第4年4月。在主河床截流后,由一期上下游横向土石围堰及纵向混凝土围堰、导墙坝段挡水,继续进行左岸厂房坝段及坝后发电厂房的全年施工;同时在一期上下游纵向混凝土围堰、二期上下游过水围堰的围护下,枯水期施工溢流坝段;枯水期河水由左岸2条导流隧洞宣泄,汛期洪水由2条导流隧洞和二期基坑联合宣泄。

(3)后期导流。第4年5月~第5年9月。由大坝临时断面挡水,继续施工坝后发电厂房,枯水期继续施工溢流坝段,枯水期河水由左岸2条导流隧洞宣泄,汛期洪水由2条导流隧洞、二期基坑或溢流表孔联合宣泄,直至蓄水发电。

与常规导流方式相比,这种导流方式有以下优点:

(1)利用河床部位的溢流坝段下部结构相对较简单、前期施工速度相对较快、允许坝体汛期过水的特点,二期导流阶段汛期采用导流隧洞和二期基坑联合泄流的导流方式,大大缩小了导流隧洞的断面尺寸,仅需在左岸山体内布置2条较小断面的导流隧洞(尺寸为12 m×14 m),较适应白云岩隐节理发育的地质特点,成洞条件较好。

(2)一期和二期围堰的规模均较小,不仅节省了导流费用,关键是各期围堰挡水水位涉及前期移民人数分别仅为166人和427人,极大降低了前期移民实施难度,十分有利于降低前期项目推进过程中的政策风险及现实阻力。

(3)虽然一期纵向混凝土围堰及导墙坝段靠近F86断层破碎带区域,但距离尚远,基坑开挖边坡也不高,随着地勘工作地深入,在遇到不利的地质问题时,有一定余地适应调整纵向围堰和大坝枢纽布置。

(4)大坝及厂房等水工枢纽布置受施工导流影响小,和一次性拦断河床的隧洞导流方案的水工枢纽布置相近,枢纽布置顺畅和均衡,不存在导流布置过度影响水工枢纽布置的本末倒置问题。

(5)由于提前施工关键线路上的坝后发电厂房,因此大大缩短了发电工期,发电工期和总工期分别为4年零6个月和5年零6个月,工期较短,经济效益显著,符合选择施工导流方案的初衷。

除了以上优点,这种导流方式也存在导流建筑物较多、导流程序复杂、施工进度环节紧凑、对施工组织管理要求较高等问题。但总而言之,这种导流方式兼顾了常规两种导流方式的长处,具有较好适应自然条件及枢纽条件、节省费用、工期短、移民难度低等优点,较好地解决该工程的施工导流问题。

5 结 语

从国内已建在建水电工程来看,本工程的施工导流方式在自然条件相似、同等工程规模的水电站设计中具有一定的代表性。这一类工程往往具有洪枯流量相差悬殊、一侧岸坡发育平缓滩地、但江面宽度又不具备进行完全分期导流的条件。由于装机规模不大,一般要求尽量利用永久设施进行导流,或者采取基坑过流等措施降低导流费用,但又对发电工期要求迫切,而且需要较好工期保证性。导流期间水位不宜过高,以减少移民人数和工程推进阻力。因此,如何兼顾多种要求是导流方式设计中十分重要的问题。通过对本工程施工导流设计的归纳和总结,为以后类似工程提供借鉴。

参考文献:

[1]DL/T 5397—2007水电工程施工组织设计规范[S].

[2]董宝顺, 陈义军, 吕国轩, 等. 龙开口水电站施工导流规划设计与实施[J]. 水力发电, 2013, 39(2): 32- 35.

[3]陈浩, 顾伟, 卢军民. 天花板水电站导流隧洞设计[J]. 水力发电, 2011, 37(6): 69- 70.

[4]涂小兵, 任金明. 一次拦断与分期拦断河床组合的坝式水电站导流施工方法: 中国, 2001101[P]. 2016- 03- 30.

[5]桑兴国. 白沙水库坝体工程施工导流方案[J]. 安徽水利水电职业技术学院学报, 2005, 5(4): 36- 38.

[6]翁永红, 谢向荣, 范五一. 三峡工程施工设计与实践[J]. 中国工程科学, 2011, 13(7): 111- 116.

[7]周先练, 周威. 施工期导流方式选择与适宜性分析[J]. 贵州水力发电, 2012, 26(2): 55- 57.

(责任编辑 焦雪梅)

Exploration on a New Type Diversion Method for Dam-type Hydropower Station in River withUnobvious Riverbed Width Characteristic

TU Xiaobing, HU Saihua
(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311100, Zhejiang, China)

Abstract:A hydropower station locates in mountain area. Because of complex topographical and geological conditions, unobvious width characteristic of riverbed at dam site, and difficult early resettlement, the design of construction diversion is more difficult and conventional construction diversion method cannot achieve satisfactory results. Based on the characteristics of project, a new diversion method of first stop and staged block combination diversion is used, which can optimize structure layout, save costs, shorten construction duration and reduce the difficulty of early resettlement.

Key Words:dam-type hydropower station; construction diversion; first stop and staged block combination diversion

收稿日期:2016- 11- 25

作者简介:涂小兵(1979—),男,湖北武汉人,高级工程师,研究方向为施工组织设计.

中图分类号:TV551.16

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