红花尔基水利枢纽工程施工导流二期围堰设计

2014-09-04代玉旭苑振霞

黑龙江水利科技 2014年1期

关键词：导流洞龙口围堰

代玉旭，苑振霞

(1.辽宁省石佛寺水库管理局，沈阳 110006；2.辽宁省水利水电工程移民局，沈阳 110003)

红花尔基水利枢纽工程施工导流二期围堰设计

代玉旭1，苑振霞2

(1.辽宁省石佛寺水库管理局，沈阳 110006；2.辽宁省水利水电工程移民局，沈阳 110003)

文章根据工程水文、流域气候特点，针对实施中不利条件，结合坝区自然地质条件和工程工期要求，简要介绍了二期围堰标准选择、断面形式和防渗铺盖设计，既保证了施工导流要求，也实际验证了围堰结构设计的合理性，为保证坝体填筑节点施工期创造了有利条件，为类似水利枢纽围堰设计提供一定的实践经验和参考。

壤土铺盖；实施条件变化；导流围堰设计；二期围堰

1 工程概述

红花尔基水利枢纽工程位于呼伦贝尔市海拉河一级支流伊敏河中游，是一座以供水、防洪为主，兼顾防凌、灌溉、发电等综合利用的大(2)型控制性枢纽工程。水库设计洪水标准为100a一遇洪水，校核洪水标准为2000a一遇洪水。水库总库容为32229万 m3，为多年调节水库。

拦河坝位于主河床，溢洪道、发电引水洞、电站位于大坝左岸岸坡(或坡脚)，泄洪导流洞、工业供水洞位于大坝右岸。大坝为壤土心墙砂砾石坝，最大坝高32.2m，坝顶长1008.35m；溢洪道为无闸门控制，堰型为低实用堰，净宽30m；泄洪导流洞设计为有压洞，洞径6.5m，洞长286m；发电引水洞洞径4.5m，设计为有压洞，洞长320m，发电流量48m3/s；电站厂房内安装3台轴流式水轮机组，装机容量7500kW，多年平均年发电量为2375万 kW。工业供水洞设计为有压洞，洞径2.2m，洞长2953.2m，设计取水流量8.78m3/s。

大坝基础砂卵砾石层采用混凝土防渗墙防渗，基岩防渗采用帷幕灌浆[1]。

坝址处河段河谷开阔，谷底宽890m，主流河道距右岸300m，宽约70m。根据坝址处的地形、水文地质条件及本枢纽水工建筑物布置，参考类似工程的施工导流经验，经综合分析比较后，大坝施工导流采用分期导流方式，共分两期：一期为束窄河床导流;二期为泄洪导流洞导流。

2 工程条件

2.1 水文条件

伊敏河是海拉尔河6大支流之一，发源于鄂温克族自治旗苏河屯蘑菇山，全长359km，流域面积2.25万 km2，河道比降为14.8‰。坝址以上河道长150km，控制流域面积5364km2。

本流域径流来自降水、融雪水补给，径流年内分配不均，主要集中在春汛和夏汛。春季4、5月份，水量占全年水量的20%～30%，春汛出现全年最大洪峰，凌汛时易形成冰坝。夏季6—9月份，径流占全年的 59.4%。

伊敏河流域地处我国寒冷的北方，因特殊的气候条件，流域洪水分春季融冰雪洪水和夏季暴雨洪水。融冰雪洪水一般出现在4—5月，洪水特点为峰高量大；夏季暴雨洪水一般出现在7—8月，洪水特点为峰小，历时长。且春汛洪峰比夏汛洪峰大，洪水历时长，春汛洪峰比夏汛洪峰大37.2%。夏汛的暴雨洪水均比春汛的融冰雪洪水峰平量小。一般一次春汛洪水历时长达30d左右，春汛洪水基本15d可以控制，15d洪量占30d洪量的70%左右。

根据本地区洪水特性及施工要求，红花尔基水利枢纽施工洪水分春汛期、夏汛期及枯水期，春汛期为4—5月，夏汛期为6—9月，汛后期为10月。

2.2 气象条件

本流域属于温带大陆性季风气候。春季干燥风大，夏季温凉短促，秋季气温聚降，霜冻早，冬季寒冷漫长。流域内多年平均气温-1.6℃(海拉尔站)，历年极端最高气温36.7℃，历年极端最低气温-48.5℃。多年平均降水量351.6mm，多年平均年蒸发量(20cm蒸发皿观测值)1083.0mm，多年平均风速3.2m/s，多年平均年最大风速为18.5m/s，汛期6—9月最大风速平均为15.4m/s，风向多为西风和西北风。历年最大冻土深为2.42m。

2.3 地质条件

红花尔基水利枢纽工程坝址区为对称的“U”型河谷，河床两岸不对称分布宽约860.00～970.00m漫滩。谷底地层岩性上部由全新统冲积、沼泽堆积物淤泥质壤土、含卵石粗砾组成，下部为上更新统冰水堆积泥砾及薄层上更新统洪冲积含中粗砂卵石粗砾，下伏基岩为绿泥绢云母千枚状板岩及片理化细砂岩。

岩层透水性：含卵石粗砾及中粗砂卵石粗砾渗透系数为56.39～149.22m/d，为强透水岩层。泥砾层渗透系数1.00×10-6m/d，为微透水岩层。下伏基岩大部分地段为微透水岩层。

坝址区地下水类型为孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水主要分布于河床两岸漫滩，地下水位埋深0.95～1.95m。在平水期河水补给地下水，在枯水期地下水补给河水。坝址区地震烈度为Ⅵ度。

3 原施工导流方案及挡水标准

3.1 一期导流

一期束窄河床导流，导流建筑物围堰为4级建筑物。一期导流围堰围护主坝左、右岸基坑长度790m，占总坝长的88.8%，留100m宽的束窄河床导流。围堰顶高程按拦挡20a一遇夏汛洪水设计，当发生20a一遇夏汛洪水时，上、下游水位分别为733.75m和732.10m(泄量为302.0m3/s)，上游围堰堰顶高程为735.25m，最大堰高5.25m，下游围堰堰顶高程为732.60m，最大堰高2.60m。

围堰采用土石围堰，围堰土石料直接采用大坝基础开挖弃料，围堰顶宽为6.0m，上、下游边坡均取1∶1.5。围堰防渗采用迎水面铺复合土工防渗膜防渗，上铺砂砾石保护层，在纵向围堰上游坡及上游围堰转角处铺0.4m厚的铅丝石笼护坡，防止水流冲刷破坏围堰。由于一期围堰内基础开挖深度较浅，围堰挡水位较低，所以一期围堰基础不考虑防渗措施，在施工期间加大明排即可。

3.2 二期导流

二期导流由新建直径6.5m施工导流洞泄流(导流洞泄量为247m3/s)。导流建筑物包括导流洞及大坝上、下游围堰。在二期导流阶段，主河槽束窄段围堰与左、右岸已填筑的大坝要一同面临度过2009年夏汛，因此，二期围堰按度夏汛50a一遇洪水设计。

根据调洪验算成果，当发生夏汛50a一遇洪水(入库洪水流量为371.0m3/s)，由泄洪导流洞进行泄洪(泄量为247m3/s)后的上游水位为742.88m；夏汛100a一遇洪水(入库洪水流量为422.0m3/s)，由泄洪导流洞进行泄洪(泄量为268m3/s)后的上游水位为744.32m。因此，围堰顶高程按50a一遇水位加波浪爬高和安全超高考虑，堰顶高程为745.00m，比100a一遇洪水位高0.68m。

根据《水电水利工程围堰设计导则》(DL/T 5087—1999)，为满足施工需要和防汛抢险要求，围堰顶宽取7m，最大堰高15.00m。上游边坡为1∶2.25，下游边坡为1∶2.0。围堰基础及堰体防渗均采用高压定喷灌浆防渗墙防渗，基础防渗墙深入泥砾层2m。因二期围堰与坝体搭接共同截流，但坝体为砂砾石坝壳，不能防渗，故围堰防渗心墙要与坝体壤土心墙很好连接，做好接茬处的防渗工作。

为满足大坝及基础施工要求，在2007年8月和2009年5月两次修筑龙口段围堰截流，分别叫做二期一次围堰和二期二次围堰。

1)二期一次围堰根据计划工期节点，泄洪导流洞于2007年7月31日贯通具备过水条件，将在龙口段增加临时围堰，并于8月31日前完成填筑防渗、闭气、排水等工作，以保证龙口段地下混凝土防渗墙于2007年9月1日具备平台施工条件。龙口段上游围堰堰顶高程735.25m(围堰型式与一期围堰相同)，并在2007年11月15日前拆除，满足2008年春汛度汛要求。挡水时段为2007年8月至2007年11月。

2)二期二次围堰由二期第二次围堰和迅速填筑起来的龙口段坝体挡水，根据施工总进度安排，2009年5月中旬开始修建二期第二次围堰，5月下旬截流，截流后迅速将龙口段坝体填筑至具备挡50a一遇夏汛洪水(其流量为371m3/s)的高程，河水由施工导流洞泄流。

4 二期施工导流围堰设计

4.1 工程实施中的条件变化

实际施工中，泄洪导流洞由于出口地质条件发生变化，以及与3#施工路交叉问题，造成不能按原节点工期(2007年7月31日)成洞导流，故综合考虑为确保工程安全、进度和质量，设计将原泄洪洞导流方案改为明渠导流。设计变更直接影响了坝基连续墙施工的总进度，加之防渗墙施工后期问题处理，使得坝基基础处理由原来的2007年7月31日完成变为2008年4月15日完成。

大坝工程在2008年5—8月期间，受土料场土料不稳定、变更土料场影响，心墙填筑与基础处理交叉施工，坝体分段分块施工，增加了施工难度，开挖及填筑施工进度滞后。

本工程枢纽地处我国高寒地区，施工期间在9月末就气温聚降，降雪封冻，翌年5月初开始冰雪消融，逐步解冻。特殊的气候条件，冬季寒冷漫长，使得全年有效施工期仅为6个月。

在大坝工程施工中，受到上述施工条件制约，使得工程进展缓慢，施工进度滞后，致使2008年计划未能如期实现，给2009年以至以后，甚至给合同总工期的实现带来很大困难。根据实际情况，经过研究论证，对原2008年的施工计划进行调整，将原计划主坝填筑124万 m3调整为57.1万 m3。形象进度为左右岸坝体心墙年底前填筑到740.0m高程。

2008年实际施工中，全年共完成坝体填筑52.92万 m3；完成原计划的44.3%，调整计划的92.7%。

4.2 二期围堰设计原则和特点

保证主体工程在干地条件下施工，缓解主坝过流段的填筑工期。《合同文件》要求：二期围堰的截流时间为2009年6月15日，导流后进行主坝龙口段段坝基础开挖和坝体填筑施工，至2009年底主体工程完工。

根据目前的施工形象进度和施工条件，考虑当地气候因素，在有限的6个月内完成上述工程任务，不仅施工强度大，高寒地区冬季施工时施工质量难于保证。

在保证后线工期不变的前提下，研究提前进行施工导流，将截流时间提前到2009年5月，增加主体工程施工的有效工作日，是降低施工强度、保证施工质量的有效办法。

确保围堰在主汛期的稳定及度汛安全。

根据施工时段安排，二期导流建筑物设计标准采用水库调洪演算成果六月份洪水标准进行设计。即：6月份50a一遇洪水流量281m3/s，经水库调节，泄洪导流洞进口水位为740.34m，坝前拦洪库容2795万 m3，上游围堰堰顶高程741.34m。下游围堰顶高程731.90m。

根据坝址以上河床地形、地质条件及壤土覆盖层厚度、渗透系数等情况分析论证，因地制宜，在距上游围堰200m主河床范围内抛填≥1.0m厚壤土、左右岸利用上游天然壤土层作为围堰基础防渗铺盖，与原设计高喷防渗墙相比，从经济上、工期上均具有优越性，且和围堰或坝体填筑施工不交叉，不占用直线工期，为全力进行围堰或坝体填筑施工创造有效时间条件，确保安全度汛，从而保证整体工程合同工期。

二期围堰的建基面为730.0m，龙口段坝体的建基面为729.0m。为了减少基坑初期渗水量，二期围堰壤土铺盖及斜墙与左右岸一期上游围堰防渗土工膜合理衔接，增大水流渗径。

斜墙和上游铺盖用的壤土可结合上游料场覆盖清理进行填筑，不占用主体工程施工的直线工期。有计划开采堰前砂砾石料，并达到一定的宽度，随后进行铺盖填筑施工，防渗效果会更佳。

最大限度地减少因基坑降水可能引起的坝基不均匀沉降现象和渗透稳定。

4.3 截流时间的分析

根据提供的水文气象资料和连续两年对伊敏河坝址区春汛情况的分析和观察，伊敏河春季开河时间为4月中下旬，凌汛在4月下旬通过。截流时间安排在5月上旬进行，不影响凌汛通过，满足渡凌汛条件。

5月份平均气温9.9℃，截流后需要排水清基和基础处理施工，预计5月中旬进行部分坝体填筑，满足坝体填筑的气温条件。

利用10月中旬开始进行二期上下游围堰填筑，在上下游围堰预留约57m宽的龙口，2009年5月份可以迅速完成二期围堰施工。

5月中旬进行坝体填筑，筑坝料基本开始解冻。坝壳料和反滤料可以满足要求。心墙土料是重点，为防止其在筑坝时未解冻，08年秋后未结冻前，采取在土料场选择合适的部位将心墙土料表层1.5～2.0m进行翻松的保温方法可以解决。

4.4 围堰结构型式

上游围堰采用上游壤土铺盖、壤土斜墙砂砾石(土石)堰体、边坡采用上游1∶2.5，下游1∶2。下游设排水棱体和排水沟(截水沟)的结构，堰顶高程741.34m，控制排水高程范围在727～727.5m，保证大坝基础的稳定和728m高程建基面的旱地施工条件。

下游围堰设计堰顶高程731.90m，利用已有坝下路作为下游围堰，壤土铺盖防渗。

二期导流布置及围堰典型剖面详见图1和图2。