智利拉哈河Ⅰ级电站施工导流方案

［瑞士］F.希帕 等

拉哈河Ⅰ级水电站坝址选在圣地亚哥南500 km处的拉哈河段，该河段是建立径流式水电站的理想场地。在长20 km 的河段内，河流穿过深20～30 m 的峡谷，河道纵比降约为0.1%，河床建坝地质条件优越，峡谷下游出口的坝址交通条件便利。为充分利用这些得天独厚的条件，决定建设拉哈河1 级径流式水电站，该水电站具有以下主要特征:①两组灯泡式发电机组，总装机35 MW;②水轮机设计流量:2 ×125 m3/s;③电站满负荷的总落差为16 m;④年发电量约130 GW·h;⑤泄洪闸为5 孔弧形闸门(高15.3 m，宽8.4 m)，设计泄洪量(n－1)为3 700 m3/s。

尽管坝址条件优越，但在水电站的设计中仍存在技术难题。其中，施工期间坝址区施工导流建筑物的布置就是涉及到大坝安全建设的关键性问题。

在该水电站导流工程的总体设计中，曾考虑过如下导流方案，但最终均被否决。

(1)在坝址外围开挖一条导流明渠。否决原因:由于主河床位于峡谷内，开挖方量巨大。

(2)在坝址外围开挖一条导流隧洞。否决原因:由于隧洞上覆的强风化岩体较厚，因此在施工中存在较大技术困难。

(3)按照两个阶段的传统工序分期施工:①通过发电厂房区域进行施工导流，同时建造泄洪闸;②通过泄洪闸进行施工导流，同时开展电站厂房基坑内的工作。否决原因:工期将延长4 a 多的时间。

所有这些方案的直接和间接费用会对项目的投资收益影响较大。因此，唯一可行并最终被采纳的导流方案是:将水电站的建设分成若干阶段，每个施工阶段采用通过泄洪闸不同闸孔交替导流的方案。在实施过程中，需要参建各方在技术领域和经济层面密切配合。

1 拉哈河水流动态影响

和智利中部的大多数河流一样，拉哈河深受季节性水流动态的影响，在干旱的夏季(1～3 月)，河水流量较小;在多雨的冬季(6～8 月)，河水流量较大。在河流水位较低的季节，由于没有足够的施工场地来保证大范围的施工，因此在规定时间内不能完成泄洪闸堰的施工，必须将泄洪闸孔数设计成奇数。这样，较旱季施工而言，在雨季施工就能多用1个闸孔进行施工导流。

然而水力设计者建议，在设计洪水标准条件下，仅需要4 个泄洪闸孔就可达到下泄洪峰流量的目的。然而为满足施工导流的需要，最终选择了5 孔闸。发电站总布置见图1。

2 导流阶段

河水导流分为5 个阶段实施，每阶段需要6 个月的时间原则上，在施工中每阶段规定时间内，所选择的施工导流方案可下泄20 a 重现期内的洪峰流量，而洪水不会对防护工程、基础开挖或已部分完工的建筑物结构造成损坏。

在施工组织设计中，雨季和旱季的定义如下:①旱季(D)从11 月1 日到翌年的4 月15 日，5.5个月;②雨季(W)从4 月16 日到10 月31 日，6.5个月。

图1 发电站总布置

然而在从D1～W2，D2～W2 ，D2～W3 的过渡期，无明确界限，因此应预见到基于月份时间序列的特定设计洪水。在每个过渡期，都要对这些中间出现的特定设计洪水做具体说明。对河水的阶段性导流设计将在以下章节中以图示方式做进一步解释。

选择的河流导流总体设计方案的主要优点是将发电厂房的施工从其他施工场地中独立出来。在第一个旱季(D1)中，实施适当的洪水安全措施后，发电站厂房施工就不再受导流工程施工活动的影响。因此，发电站厂房的各个施工阶段不再赘述。

2.1 旱季1(D1)

该阶段的施工导流方案如图2 所示。施工工序如下:①通过拟建的第3～5 闸孔间的自然河道导流;②这一阶段施工发电站厂房、河流中间的第1～2 闸孔以及与河流平行的建筑物。这些建筑物还包括第2～3 闸孔间的闸墩(闸墩2～3)，以及从闸墩2～3 向上游延伸的纵向围堰。在以后的各个季节中，纵向围堰起着保护其两侧建筑基坑的作用。

图2 旱季1(D1)导流工程布置

图3 雨季1(W1)导流工程布置

2.2 雨季1(W1)

此阶段的施工导流方案见图3。施工工序如下:①通过拟建的第3～5 闸孔间的自然河道导流;②建造闸孔1 和闸孔2(但不安装弧形闸门)，包括发电站厂房和闸孔1 之间的墙体。在随后的D2 和D3 季节，这道墙将保护发电厂房基坑免受洪水的淹没。

2.3 旱季2(D2)

此阶段的施工导流方案见图4。施工工序如下:①通过第1 和第2 闸孔导流(没有安装弧形闸门);②建造第3～5 闸孔的第一部分建筑物，施工场地受上、下游临时围堰AT105 和AT106 保护。

图4 旱季2(D2)导流工程布置

2.4 雨季2(W2)

此阶段的施工导流方案如图5 所示。施工工序如下:①通过第3 至第5 闸孔导流(未安装弧形闸门);②安装第1、2 号闸孔的弧形闸门。

图5 雨季2(W2)导流工程布置

2.5 旱季3(D3)

此阶段的施工导流方案如图6 所示。施工工序如下:①通过第1、2 号闸孔导流(已完成弧形闸门的安装);②在第3、5 号闸孔安装弧形闸门;③项目施工完成，拆除临时围堰，开始投入使用。

图6 旱季3(D3)导流工程布置

3 建设程序

选择合适的施工导流总体设计方案对整个项目计划影响巨大。首先，需选择旱季刚来临的时间开始现场施工，在此之前，需要有条不紊地安排好投标、评标、合同谈判以及确定承包商等一系列程序，以满足时间限制。此外，必须准备好由参建各方都同意的捆绑式建设程序，这应作为建设合同的一部分。如果不考虑导流方案，建设中的某些程序可能看似不合理。比如，泄水闸第2、3 闸孔间闸墩的土木工程必须在D1 阶段完成，而与之相距仅20 m 的电站厂房地基的开挖工程却仍在进行中。此外，涉及到电站厂房施工，为在D2 季度保护电站厂房基坑，应优先施工厂房紧邻泄水闸的部分。

在项目施工程序路径上，为每个参与项目建设的承包商制定了中间里程碑。对土木工程承包商来说，这些里程碑标志着在每个季末必须完成施工的建筑物。对设备供应商(尤其是水力设备)而言，这些则指明了设备交付的日程表，以保证设备按时安装到位，满足后续阶段导流的需要。

4 水力设计

在D2 和D3 季，需要建造导流明渠，并将第1、2号闸孔作为溢洪道导流拉哈河水。在这一导流阶段，导流明渠两侧的堤防必须填筑到一定高度，避免河中洪水暴涨而满溢越堤，保护导流明渠两侧的建筑基坑不受洪水淹没。为安全渡汛，在闸室轴线上游，导流明渠左右两侧要建两堵高约10 m 的墙。

由于这两堵墙建于主厂房引水渠的进水口前，可能会对两个涡轮机进水口附近区域的水流状态产生负面影响，进而影响到发电站的发电效益。为解决这些问题，进行了物理模型试验。结果令人满意，这两堵墙不会对未来发电产生任何负面影响，可按照导流设计方案建造。

水力设计的另一重要问题是在每个导流阶段将设计标准下的洪水安全地导流出施工区。业主将施工期的设计洪水重现期定为20 a 一遇的洪水标准，即风险概率为12%。由于狭窄的地形条件和确定的导流设计方案限制，保证发生率低且泄洪量大的防护方案不可行，因此该风险是可接受的。

所有挡水建筑物的最低防洪标准是基于回水曲线分析计算而确定的。考虑到风浪和爬高，在计算水位标准的基础上，旱季按超高0.5 m、雨季按1.0 m进行设计。狭窄河流横断面的最窄处，即所谓的“缩口”，应避免因缩窄效应而导致的水流不确定流态或产生危及附近围堰稳定的水跃。有了这些缩口，可保证沿围堰的水流呈现稳定流或亚临界流。

为在规定时间内疏散建筑基坑内的施工人员，安装了预警系统，在每个施工导流阶段采用5 a 洪水重现期水位作为预警水位，在旱、雨季过渡期和洪峰期应特别注意进行预警。

导流工程的设计水位是使用常用的一维水流分析软件HECRAS 计算的。在D1、W1 和W2 季节时，导流工程的设计水位主要采用合适的尾水水位并通过回水分析计算得到;而在D2 和D3 季节时，导流工程的设计水位主要受1、2 号闸室堰顶高程的影响。

5 土建设计

由导流工程设计方案而决定的工程建设程序，常出现临时荷载的情况，控制着特定建筑物的结构设计，并最终决定建筑物的结构设计。下列导流工程中关键单元工程的结构设计极具挑战性:①由闸墩2～3 号向上、下游延伸的翼墙以及AT103 围堰;②溢洪道1 号闸室和厂房之间的隔离墙。

2～3 号闸墩上游最初的保护措施是箱型围堰，为板桩结构的重力坝型。该围堰是准备在旱季D2时用来保护3～5 号闸室的建筑基坑，并在雨季W1时保护1、2 号溢洪道闸室基坑的。由于土建承包商负责所有的临时保护措施，因此提议用混凝土墙AT103 结构代替原设计中的箱型围堰。该混凝土墙用预应力锚索锚固在岩石地基上。从结构角度来看，将嵌岩混凝土墙设计为高约15 m 极具挑战性。由于从相对较宽的箱型围堰设计改变为细长的混凝土墙设计，在墙下相对较窄的基础下控制水力梯度更具挑战性。随着基底面积的减小，导致基底水力梯度增加，为减轻其对结构安全的负面影响，必须采取灌浆措施。此外，还必须保证该临时墙基下不能残留河流冲积物。

溢洪道闸室1 和厂房之间的永久墙体建设同样重要。在旱季，河水经由1、2 号闸室形成的导流明渠导流，该墙将河水与厂房建筑基坑隔离开来。最终该墙的一部分将形成厂房引水渠进口与溢洪道进水口之间的中隔墩。与AT103 相似，高约10 m 的水压将作用于单薄的水泥墙的一侧，这一特定工况必须在临时建筑阶段的结构设计中予以考虑。在此条件下，要求建筑基坑一侧的墙面必须保持干燥。同时还需考虑开挖深10～15 m 的岩石厂房基坑对墙稳定性的影响。采用预应力锚以及在重力结构中设置被动锚来抵抗浮力和侧向推力。为使这些保护建筑物不透水，必须再次采取灌浆措施，灌浆孔结合排水孔布置，使设计尽可能地经济、合理。

应通过精心设计来控制渗入建筑基坑的水以及被混凝土结构覆盖的基坑壁上的水压。这些控制措施须通过建造过程中的调查验证、完善。

6 合同事宜

如上所述，所有围堰和临时保护措施的设计由建筑承包商负责，而要进行河流导流工程的总体设计，即使是对在河流导流工程中颇具经验的承包商来说，在许多方面也极具挑战性或接近其技术临界点。这些建筑的设计高度依赖于相关承包商的技术、经验、设备和能力，因此这些临时建筑(包括细节设计)应由项目实施所选择的承包商负责。

因此，建筑承包商必须提交其技术标书和经济标书，以及一套针对保护措施的详细解决方案，证明已充分了解导流设计方案以及相关建设的风险。在对投标人的技术评估中，关注的焦点就集中在解决方案上。对这些临时建筑物提出不同解决方案的投标人才是中意的，评标专家对这些方案进行仔细研究，并最终在AT103 中被采纳。

承包商为围堰设计，而不是为导流工程的总体设计负责。因此，关于每个保护措施边界的准确位置，顾问必须提出精确的设计标准，包括导流明渠两侧堤防的最低高度和过水渠道的最小宽度，每个导流阶段运行最后期限的日程表，以及拆除的最早日期。在准备这些施工指南和合同条款时，前提是应清楚提出的导流总体设计的水力学。结果证明，在拉哈河1 期径流式电站的导流工程中，这种将工作与责任分开的特殊做法较为成功。

7 结语

目前，该项目已进入建设最后阶段，成功渡过了从雨季W2 到旱季D3 的最后一个过渡期。且已于2012 年3 月开始水库蓄水。所幸在过去2 a 施工期内未发生大洪水，所有过渡时期的工作都已顺利实施，在导流工程实施过程中未发生人员伤害或安全事故。

如上所述，作为合同商定的结果，要求在每个导流阶段开始前，承包商必须提交详细的工作时间表，包括证明每个围堰稳定性的适当支持性文件。导流工程设计具有复杂性，然而合同的条款和管理机制允许对承包商的工作进行持续地控制和支持。

采用开放式的交流和多学科的工程方法，预计导流工程以及与之相关的建筑物和岩土工程可能出现的各种情况是十分必要的。